CN1827284A - 一种基于激光冲击波技术的孔的成形方法和装置 - Google Patents

Abstract

一种基于激光冲击波技术的孔的成形方法，在工件上需要成形孔的位置上依次涂有能量吸收涂层、覆盖透明约束层，两者的面积比加工孔稍大，根据待加工孔的形状和尺寸大小，制造凹模，将工件置于凹模上，并使能量吸收涂层、透明约束层、工件上待加工的孔和凹模的四者中心重合，再将凹模置于多轴联动工作台上；根据所需要成形的孔的大小和形状，确定光斑尺寸和激光脉冲的能量，激光器发出激光束通过导光管、全反镜、光斑调节装置、会聚装置，透过透明约束层作用在能量吸收涂层上，诱导激光冲击波产生，激光冲击波对工件施加压力，完成对工件冲孔。本发明具有加工孔径范围大，不仅可以打微小孔，还可以打大孔，加工成本低等一系列优点。

Description

一种基于激光冲击波技术的孔的成形方法和装置

技术领域

本发明主要涉及激光加工领域，特指一种基于激光冲击波技术的孔的快速成形方法和装置，特别适用于在厚度小于2.5mm的金属板材上成形的圆孔、方孔、三角形的孔以及不规则的异形孔。

背景技术

金属板材加工已在整个国民经济中占有十分重要的地位，广泛应用于航空航天、船舶工业、汽车覆盖件、家电等生产行业，由于结构的需要，金属板材上常常有许多圆孔和形状不规则的孔，其常见的加工方法主要有钻削、模具冲孔和激光打孔以及激光切割孔成形。

钻孔是中厚板目前广泛使用的成形方法，但由于薄板的刚性极低，塑性大，容易变形，在钻削力的作用下，容易产生扭曲变形，打出的孔形状不规则，如扁孔、多边形孔，孔口处飞边、毛刺，甚至出现卡钻头或钻头折断现象，尤其对于0.1～1.5mm厚的超薄板材上的孔的成形至今没有理想的钻削方法。

模具冲孔是薄板上不规则孔加工最常用的方法，冲孔时，为了保证凸、凹模的合理间隙，需要较高的制模公差等级，模具制造困难，加工成本高，且凸、凹模的安装、间隙调整麻烦且不精确；冲载后常常要去毛刺。对于大型的钣金件制作的箱体、柜体装配时都会遇到大量垂直或倾斜的孔，则模具往往无法加工。

激光打孔是另一种孔的成形方法，它适合于微小孔的成形，它主要是利用热效应使材料溶化、气化材料来形成孔的，其固有的缺点是因为高温产生的强烈的挥发物在遇冷后会在孔的周围和内壁形成了大量不规则的堆溅物和重铸层，并且孔具有一定的锥度，所有这些都大大影响了孔的质量。

当孔径较大时，常常采用激光切割办法来成形孔的，即利用进给运动装置使小孔连接而成的切缝来去除坯料上的原材料而形成的。最常用切割工具为CO₂激光器，它虽具有效率高，操作方便等优点，但存在以下不足：切口断面上有周期的波纹，严重影响了孔口表面质量；由于热效应，板材表面常常有微裂纹，且切口下方出现挂渣现象；由于采用的辅助性气体，熔化的材料飞溅，生产的环境较差，无法满足高清洁度零件的加工；材料加工的范围受到一定的限制，对一些材料如铜、铝合金等材料加工变得困难，甚至有可能损坏激光***的外部光学元件。

与本发明技术最为接近的技术是******冲孔，***成形主要是利用******时产生的瞬间高温、高压冲击波冲孔的，但***冲孔的工艺参数难以控制，激波作用时间长达数毫秒，扩散效应大，不能精确成形孔的形状，而且安全性较差，故不被采用。

发明内容

本发明的目的是为了提供克服以上在加工质量和操作安全性方面的不足，提供用于薄板上孔成形快速而又简便的方法，它能直接对孔成形，并能获得较高的尺寸、形状精度和表面粗糙度，它不但可以成形圆孔，还可以成形不规则形状的孔，可直接作为板材孔成形工具。

一种基于激光冲击波技术的孔的成形方法，其特征在于：在工件上需要成形孔的位置上依次涂有能量吸收涂层、覆盖透明约束层，两者的面积比加工孔稍大，再根据待加工孔的形状和尺寸大小，制造相应的、刃口锋利的凹模，将上表面贴有能量吸收涂层、透明约束层的工件置于凹模上，并使能量吸收涂层、透明约束层、工件上待加工的孔和凹模的四者中心重合，再将凹模置于多轴联动工作台上；根据所需要成形的孔的大小和形状，确定光斑尺寸，根据以下的公式，确定激光脉冲的能量：

$\left\{\begin{array}{c}P={10}^{-9}{\left(\frac{\mathrm{\α}}{2\mathrm{\α}+3}\right)}^{\frac{1}{2}}\·Z^{\frac{1}{2}}\·{\left(\frac{4\mathrm{\βE}}{\mathrm{\π\τ}{d}^2}\right)}^{\frac{1}{2}}\\ \frac{2}{Z}=\frac{1}{Z_1}+\frac{1}{Z_2}\end{array}\right.$ 和 $\frac{P}{\mathrm{\πdh}}\≥{\mathrm{\τ}}^{\mathrm{dyn}}$

其中，P(t)是冲击波的压力；d为园孔的直径；α为与激光脉冲和波长有关的常数；Z冲击波的阻抗；Z₁为工件阻抗；Z₂为约束介质的阻抗；E为激光脉冲的能量；β为吸收系数；τ为激光脉冲的波长；h为工件的厚度；τ^dyn为工件的动态断裂强度；激光器发出激光束通过导光管、全反镜、光斑调节装置、会聚装置，透过透明约束层作用在能量吸收涂层上，诱导激光冲击波产生，激光冲击波对工件施加压力，完成对工件冲孔。

约束层可以是光学玻璃、或水；能量吸收涂层可以选用市场购买的黑漆。

上述的一种基于激光冲击波技术的孔的成形方法，能量吸收涂层、透明约束层可以选用专利ZL02138338.3中所述的柔性贴膜来替代；

实施本发明的装置包括激光发生器、导光***、工件夹具***、控制***；导光***包含导光管、全反镜、光斑调节装置、会聚装置；工件夹具***包含能量吸收涂层、透明约束层、工件、凹模、多轴联动工作台；控制***由计算机、机床控制器、激光器控制器组成。

光斑调节装置是指能够自由伸缩的弹簧，能够调节会聚装置和工件的相对位置；聚焦装置是指凸透镜。

导光管是激光束传输最基本的通路，其一端连接着激光发生器，另一端正对着工件夹具***，依次把全反射境、光斑调节装置和聚焦装置连接起来；工件***自上而下依次是透明约束层、能量吸收涂层、工件、凹模、最后是多轴联动工作台；计算机是控制***的中心，由它发出的指令控制着机床控制器，并联合机床控制器一起控制着激光器控制器，激光器控制器控制着激光发生器，机床控制器控制着光斑调节装置和多轴联动工作台。

激光束透过透明约束层，作用在对激光不透明的能量吸收层上，能量吸收层吸收高能激光后立即气化、电离，形成等离子体***，形成激光冲击波，由于约束层的约束作用，冲击波的压力迅速升高，其峰值压力达到数个GPa，远远大于工件材料的动态断裂极限，由于冲击波的压力产生在极短的几十个纳秒内完成，这样就在板材表面施加一个突加载荷，使板料和凹模发生强烈的作用，凹模锋利的刃口把作用区域内的材料从母体上剪切下来，由于其是在超高应变率下完成的，在板材上凹模刃口作用区域形成了绝热剪切带，使断口光滑，因而在板材上形成尺寸精确、内表面光滑的孔。

该发明的加工方法具有以下优势：

(1)由于激光冲击波的压力高，作用的时间短(ns级)，孔可以一次成形，快速高效；加工的环境清洁，避免了使用激光切割技术产生极其微细的粒子和灰尘，更好地满足加工较高清洁度产品的要求。

(2)加工的材料范围广，加工的柔性大。不仅能加工一切的金属材料，还能加工硬脆的非金属材料，如陶瓷；由于采用多轴联动的工作台，不仅可移动还可以转到，因此加工的孔不受位置限制，不仅可以加工水平面上的孔，也可以在加工斜面上的孔；也不需要向冲压模具那样存在凸、凹模制造的配合问题，使用过程中也不存在间隙的调整，十分方便。

(3)不使用刀具，不需要外力，属于非接触式加工，因此不存在刀具的修磨、磨损和折断，使加工成本降低；由于孔的成形是绝热剪切形成的，材料的热影响区域小，且孔表面平整、光滑，无需再去毛刺。

(4)加工孔径范围大，不仅可以打微小孔，还可以打大孔，克服了超短脉冲激光和准分子激光只能打微小孔的局限性。而且孔径尺寸精确，稳定性好，不存在锥度。

(5)在孔成形的同时，对孔口周围材料也进行了冲击强化，在材料表面成形了残余压缩应力，抑制了零件使用过程中疲劳裂纹的产生，延长了零件的疲劳使用寿命。

(6)它既可以一次成形板材上单个大孔，也可一次成形在有效光斑覆盖的范围之内、位置相对集中的多个小孔，对于位置分散的孔可以通过数控程序控制移动多轴联动工作台逐个完成工件上的孔成形。

附图说明

下面结合附图和实例作进一步说明

图1是根据本发明提出的基于激光冲击波技术的孔快速成形的装置示意图。

图2是单脉冲激光在厚度为0.4mm的LD31薄板上冲出单个孔的试样图。

图3是单脉冲激光在厚度为0.25mm的LD31薄板上一次冲出多个小孔的试样图。

1激光发生器    2激光束    3导光壁    4全反射境    5光斑调节装置6聚焦装置    7柔性贴膜    8工件    9凹模    10多轴联动工作台11机床控制器    12计算机    13激光器控制器

具体实施方式

激光发生器(1)产生能量在10～100焦尔、持续时间为8～80纳秒的激光脉冲束(2)，功率密度大于GW/cm²，经过光斑模式可以是基模、多模等多种模式，经过导光壁(3)、全反射境(4)，传到光斑大小调节装置(5)，调节聚焦装置(6)上，光斑调节装置(5)可调节聚焦装置和板材之间的距离，得到所需光斑直径，随后激光辐照在板材表面的能量转化体的透明约束层、能量吸收涂层上，约束层约束等离子体的膨胀，提高等离子体冲击波的压力。能量吸收涂层吸收高能激光后，迅速汽化、电离形成等离子体，等离子体继续吸收激光能量，形成爆轰波，作用在向金属板材(8)上，在爆轰波的压力和凹模(9)的共同作用下，材料(8)在凹模(9)孔口的区域从母体上脱开，即为所需成形的孔，由于多轴联动工作台(10)有三个坐标的移动和两个转动，可实现五轴联动，从而可方便地对工件上任意位置进行孔成形。

如图2所示，激光发生器(1)产生能量为17.6J的激光，脉冲形状为准高斯模式，脉宽23ns，经过光斑调节装置(5)和聚焦装置(6)的共同影响下形成了直径为8mm光斑，约束层为光学玻璃，能量吸收涂层为86-1型黑漆，在吸收了高能激光(2)后，迅速汽化、电离形成等离子体，等离子体继续吸收激光能量，形成爆轰波强烈地作用在厚度为0.4mm的LD31铝合金板材(8)上，当其峰值压力超过板材(8)的动态断裂极限，和直径为φ6mm的凹模(9)共同作用，在LD31铝合金板材成形成形直径为φ6mm的孔。

如图3所示，在激光辐照之前，制造有相应位置和大小的孔的凹模(9)，贴有柔性贴膜(7)的工件(9)放在凹模(8)上。激光发生器(1)产生能量为42J、的激光，脉冲形状为准高斯模式，脉宽23ns，经过光斑调节装置(5)和聚焦装置(6)的共同影响下在柔性贴膜(7)表面上形成了直径为16mm光斑，柔性贴膜(7)吸收高能激光(2)后，迅速汽化、电离形成等离子体，等离子体继续吸收激光能量，形成在LD31铝合金板材(8)表面上作用力巨大的冲击波，和凹模(9)共同作用，在厚度为0.25mm的LD31铝合金板材(8)上一次成形多个小孔。

Claims (5)

1、一种基于激光冲击波技术的孔的成形方法，其特征在于：在工件上需要成形孔的位置上依次涂有能量吸收涂层、覆盖透明约束层，两者的面积比加工孔稍大，再根据待加工孔的形状和尺寸大小，制造相应的、刃口锋利的凹模(9)，将上表面贴有能量吸收涂层、透明约束层的工件(8)置于凹模上(9)，并使柔性贴膜(7)、工件(8)上待加工的孔和凹模(9)的三者中心重合，再将凹模(9)置于多轴联动工作台(10)上；根据所需要成形的孔的大小和形状，确定光斑尺寸，根据以下的公式，确定激光脉冲的能量：

$\left[\begin{array}{c}P={10}^{-9}{\left(\frac{\mathrm{\α}}{2\mathrm{\α}+3}\right)}^{\frac{1}{2}}\·Z^{\frac{1}{2}}\·{\left(\frac{4\mathrm{\βE}}{\mathrm{\π\τ}{d}^2}\right)}^{\frac{1}{2}}\\ \frac{2}{Z}=\frac{1}{Z_1}+\frac{1}{Z_2}\end{array}\right]$ 和 $\frac{P}{\mathrm{\πdh}}\≥{\mathrm{\τ}}^{\mathrm{dyn}}$

其中，P(t)是冲击波的压力；d为园孔的直径；α为与激光脉冲和波长有关的常数；Z冲击波的阻抗；Z₁为工件阻抗；Z₂为约束介质的阻抗；E为激光脉冲的能量；β为吸收系数；τ为激光脉冲的波长；h为工件的厚度；τ^dyn为工件的动态断裂强度；激光发生器(1)发出激光束(2)通过导光管(3)、全反镜(4)、光斑调节装置(5)、聚焦装置(6)，透过透明约束层作用在能量吸收涂层上，诱导激光冲击波产生，激光冲击波对工件(8)施加压力，完成对工件(8)冲孔。

2、根据权利要求1所述的一种基于激光冲击波技术的孔的成形方法，其特征在于：约束层可以是光学玻璃、或水；能量吸收涂层可以选用市场购买的黑漆。

3、根据权利要求2所述的一种基于激光冲击波技术的孔的成形方法，其特征在于：能量吸收涂层、透明约束层可以选用柔性贴膜来替代；柔性贴膜由不同组分的两组有机硅凝胶和添加剂按一定配比混合而形成的透明约束层以及能量吸收层组成，透明约束层采用GN-521有机硅凝胶，配比成分为：有机硅凝胶的M 45～55％，有机硅凝胶N 50～35％，添加剂P 5-10％：能量吸收层采用喷溅法涂覆于透明约束层上的86-1型黑漆：透明约束层厚度为0.6mm～1.6mm，能量吸收层厚度为80μm～160μm。

4、一种基于激光冲击波技术的孔的成形装置，由激光发生器(1)、导光***、工件夹具***、控制***；导光***包含导光管(3)、全反镜(4)、光斑调节装置(5)、聚焦装置(6)；工件夹具***包含柔性贴膜(7)、工件(8)、凹模(9)、多轴联动工作台(10)；制***由计算机(12)、机床控制器(11)、激光器控制器(13)组成；其特征在于：控导光管(3)一端连接着激光发生器(1)，另一端正对着工件夹具***，依次把全反射境(4)、光斑调节装置(5)和聚焦装置(6)连接起来；工件***自上而下依次是柔性贴膜(7)、工件(8)、凹模(9)、最后是多轴联动工作台(10)；计算机控制着机床控制器(11)，并联合机床控制器一起控制着激光器控制器(13)，激光控制器(13)控制着激光发生器(1)，机床控制器(11)控制着光斑调节装置(5)和多轴联动工作台(10)。

5、根据权利要求3所述的一种基于激光冲击波技术的孔的成形装置，其特征在于：光斑调节装置(5)是指能够自由伸缩的弹簧；聚焦装置(6)是指凸透镜。

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