專利名稱：帶整體加熱的板材激光沖壓方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于先進(jìn)制造領(lǐng)域，具體涉及一種針對(duì)薄板材的、帶整體加熱的脈沖激光沖壓 成形方法及實(shí)現(xiàn)該方法的裝置。
技術(shù)背景板材的沖壓成形通常是借助于凸模和凹模來完成的。2007年，中國專利文件 CN101020276A公開了江蘇大學(xué)張永康的發(fā)明專利"基于大光斑單次沖擊的薄板半模精密 成形方法(申請(qǐng)?zhí)枮?00610161353. 5)，它是采用光致等離體作凸模的一種塑性成形新技 術(shù)。該專利用一束脈沖激光照射板材表面的吸收保護(hù)膜，使其氣化電離并生成等離子體， 等離子體進(jìn)一步吸收激光能量而爆炸，在約束層的限制下，爆炸的等離子體產(chǎn)生面向板材 表面的沖擊波壓力，該壓力使板材產(chǎn)生塑性變形，并在成形半模的共同作用下，得到與半 模形狀一致的工件。由于在常溫下，某些材料的塑性很差，即使在激光沖擊這種高應(yīng)變狀 況下，也不能獲得期望的變形量，從而使該方法的應(yīng)用范圍受到限制。2007年美國專利文件US2007/0039933A1公開了另一項(xiàng)用光致等離體作凸模的成形方 法"System and Method of Laser Dynamic Forming"(申請(qǐng)?zhí)枮?1/507064)，該方法首 先用一束激光預(yù)熱板材，然后用另一束激光進(jìn)行沖擊，從而提高了材料的成形極限。但該 發(fā)明采用兩臺(tái)激光器發(fā)出兩束不同功能的激光束，成形裝置復(fù)雜，設(shè)備投資高。由于技術(shù)方法本身的限制，以上兩種專利技術(shù)都沒有采用壓邊圈。事實(shí)上，與常規(guī)的 沖壓成形類似，在用光致等離子體作凸模的塑性成形中，可以是脹形成形，也可以是拉深 成形，這取決于板材坯料大小、壓邊力大小等因素。在脹形成形時(shí)，板材的塑性變形主要 發(fā)生在激光照射區(qū)域，即光斑區(qū)域是主要的塑性變形區(qū)，壓邊圈與凹模之間的材料幾乎不 發(fā)生塑性流動(dòng)；而在拉深成形時(shí),壓邊圈下的材料向凹?？字辛鲃?dòng)，板材的邊緣區(qū)域是主要 的塑性變形區(qū)，此時(shí)，如果沒有壓邊圈或壓邊力太小，板材的邊緣區(qū)域可能發(fā)生起皺現(xiàn)象。發(fā)明內(nèi)容針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種結(jié)構(gòu)簡單、容易控制、工件質(zhì)量好，可用于常 溫下難變形材料的、帶整體加熱的脈沖激光沖壓成形方法及實(shí)現(xiàn)該方法的裝置。本發(fā)明的帶整體加熱的板材激光沖壓方法，將表面涂覆有保護(hù)層的板材夾持在凹模和 壓邊圈之間，將凹模、壓邊圈、板材均置于通電線圈中，通過線圈加熱以增強(qiáng)板材的成形 性能，再在板材保護(hù)層外加設(shè)約束層。然后用能量密度大于材料點(diǎn)火閾值的短脈沖激光照 射板材，脈沖激光使板材表面涂覆的保護(hù)層汽化電離，并生成等離子體，等離子體進(jìn)一步 吸收激光能量而爆炸，爆炸的等離子體受到保護(hù)層外邊的約束層的限制，從而產(chǎn)生面向板 材的沖擊力，使板材產(chǎn)生塑性變形，板材在凹模中被沖壓成形。所述的凹模及壓邊圈均是陶瓷材料。所述保護(hù)層可選黑色有機(jī)漆、石墨、鋁或銅的涂層或鍍膜，這些膜可以通過涂覆、噴 濺、或化學(xué)氣相沉積法覆蓋在工件上。保護(hù)層的成分和厚度影響其氣化形成的等離子體的 能量和壓力。例如，20微米厚的銅板變形需要20-30微米厚的石墨保護(hù)層，但用金屬涂層或金屬鍍膜作保護(hù)層時(shí)，保護(hù)層的厚度只需要15微米。優(yōu)選的，所述板材是10-100微 米厚的銅板，保護(hù)層是20-40微米厚的石墨涂層。所述約束層的目的是限制等離子體的發(fā)散并使其產(chǎn)生的沖擊波朝向板材，約束層優(yōu)選 石英玻璃。當(dāng)采用石英玻璃作約束層時(shí)，沖擊應(yīng)力可達(dá)到10GPa以上，沒有約束層時(shí)，相 同激光脈沖所產(chǎn)生的沖擊力只有l(wèi)GPa左右。有關(guān)工藝參數(shù)包括激光能量、脈沖寬度、脈沖頻率、脈沖次數(shù)、光斑大小、保護(hù)層的 材料及厚度、約束層的厚度等，可根據(jù)加工板材的材料及板料成形的具體要求參照本領(lǐng)域 常規(guī)技術(shù)經(jīng)有限的實(shí)驗(yàn)來確定。所述帶整體加熱的板材激光沖壓方法中的等離子體是在一定激光強(qiáng)度下產(chǎn)生的，這一 強(qiáng)度被稱為點(diǎn)火閾值強(qiáng)度，并以功率密度表示。閾值強(qiáng)度與激光輻照脈寬有關(guān)，在一定范 圍內(nèi)，脈寬越寬閾值越低。不同材料也對(duì)應(yīng)不同的閾值強(qiáng)度。波長為10.6um的激光對(duì)鋁 箔、銅板、鈦板的閾值強(qiáng)度大致分別為1.2X107W/cm2、 2. 75X 107W/cni2、 2. 3X 107W/cm2。 所述帶整體加熱的脈沖激光沖壓成形方法，其激光束的功率密度必須大于材料的點(diǎn)火閾值 強(qiáng)度，才能得到理想的沖擊力。 一組可行的技術(shù)參數(shù)是，采用波長為10.6wm的激光照射 時(shí)，產(chǎn)生沖擊力時(shí)的功率密度大致為5GW/cm2。采用脈沖寬度為20ns、功率密度為6GW/ctn2、 光斑直徑為l咖、波長為0. 248 ii m的準(zhǔn)分子激光，照射厚度為0. 05mm鋁板時(shí)， 一個(gè)脈沖 所形成的凹坑深度約為200um。控制板材加熱的主要技術(shù)參數(shù)是通電線圈的電流、電壓和頻率。頻率越高，電流的集 膚效應(yīng)越顯著，加熱深度越淺，即受加熱的區(qū)域越靠近板材的邊緣；否則，電流頻率越小， 加熱深度越深，直至接近板材的中心部位。很顯然，當(dāng)進(jìn)行拉深成形時(shí)，板材的邊緣區(qū)域 會(huì)產(chǎn)生明顯的塑性變形，這部分材料會(huì)往凹模孔內(nèi)流動(dòng)，所以應(yīng)采用較高的電流頻率，以 加熱并軟化板材的邊緣區(qū)域，而中心部位則保持較低的溫度，以保證這部份材料具有較高 的強(qiáng)度，不致在拉深成形中產(chǎn)生破裂。當(dāng)進(jìn)行脹形成形時(shí)，應(yīng)采用較低的電流頻率，使板 材的中心部分也受到加熱，以便該區(qū)域的材料發(fā)生變薄脹形。所述本發(fā)明帶整體加熱的脈沖激光沖壓成形方法的另一個(gè)重要工藝參數(shù)是壓邊力。在 脹形成形時(shí)，壓邊力應(yīng)足夠大，以限制板材邊緣區(qū)域材料的向內(nèi)流動(dòng)，從而得到理想的球 面零件。拉深成形時(shí)，壓邊力應(yīng)適當(dāng)，既要保證板材邊緣區(qū)域材料能夠順利向凹?？變?nèi)流 動(dòng)，又要保證邊緣區(qū)域不要起皺。壓邊的大小可以通過調(diào)整壓邊圈與凹模之間的間隙，或 在壓邊圈上施加垂直方向的力來控制。實(shí)現(xiàn)該方法的專用裝置，包括激光控制器、激光發(fā)生器、壓邊圈、凹模、三坐標(biāo)工作 臺(tái)、加熱線圈，涂有約束層和保護(hù)層的板材夾持在凹模和壓邊圈之間共同置于通電線圈中， 激光發(fā)生器產(chǎn)生的短脈沖激光照射在板材上。壓邊圈、板材、凹模重疊后，套在加熱線圈內(nèi)， 一起放置在三坐標(biāo)工作臺(tái)上，通過三 坐標(biāo)工作臺(tái)來調(diào)整板材與激光束焦點(diǎn)之間的距離，從而調(diào)整光斑的大小。而激光能量、脈 沖寬度、脈沖頻率、脈沖次數(shù)，則由激光控制器進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制。從前述描述可以看出，本項(xiàng)發(fā)明的重要技術(shù)特征在于，使用感應(yīng)線圈對(duì)板材進(jìn)行加熱， 通過激光沖擊，并在陶瓷凹模和壓邊圈的共同作用下，使板材產(chǎn)生拉深或脹形。本發(fā)明屬高應(yīng)變率成形方法，成形速度快，可以成形常溫下的難變形材料，特別適合 于薄板材微小零件的拉深和脹形，能夠應(yīng)用于微機(jī)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)元器件的制造領(lǐng)域中。本發(fā)明的技術(shù)優(yōu)勢(shì)具體體現(xiàn)在(1) 采用感應(yīng)加熱方式，加熱深度易于控制，能夠根據(jù)工藝需要(如拉深或脹形)， 選擇加熱區(qū)域(如板材邊緣區(qū)域加熱或板材整體加熱)。(2) 采用陶瓷凹模和陶瓷壓邊圈，在感應(yīng)加熱過程中，只有金屬板材受到加熱，加 熱溫度易于控制。(3) 激光沖擊所達(dá)到的應(yīng)變率非常高(可達(dá)105s"，本發(fā)明集激光強(qiáng)化和塑性成形 于一體，能夠在材料內(nèi)部產(chǎn)生高密度位錯(cuò)和大量亞晶結(jié)構(gòu)，改善變形組織和零件性能。(4) 材料適應(yīng)性廣，能對(duì)常溫下準(zhǔn)靜態(tài)變形時(shí)延展性差的脆性材料進(jìn)行有效的成形。(5) 采用凹模和壓邊圈結(jié)構(gòu)，金屬的流動(dòng)狀態(tài)易于控制，能有效避免起皺等沖壓缺 陷的產(chǎn)生。


圖1是帶整體加熱的脈沖激光沖壓成形裝置示意圖。圖2是脈沖激光沖壓成形過程示意圖。圖3是板材沖擊后形成的工件示意圖。其中l(wèi).激光控制器；2.激光發(fā)生器；3.激光束(短脈沖激光)；4.約束層；5.保護(hù)層；6.壓邊圈；7.板材；8.凹模；9.XYZ三坐標(biāo)工作臺(tái)；IO.感應(yīng)線圈；ll.爆炸的等離子體。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖詳細(xì)說明本發(fā)明的技術(shù)細(xì)節(jié)和實(shí)施情況。圖1是本發(fā)明的成形裝置示意圖。首先將板材7表面涂覆保護(hù)層5，保護(hù)層5選用黑 漆、石墨或金屬鍍膜，厚度10-100//m，保護(hù)層5的作用是在激光照射下產(chǎn)生等離子體并保護(hù)板材免受燒蝕；在保護(hù)層5外蓋上約束層4，約束層4選用石英玻璃，厚度l-3皿， 約束層對(duì)激光束3近乎完全透明，以減小激光束3的能量損失，并避免約束層被燒壞；將 壓邊圈6、約束層4、涂有保護(hù)層5的板材7、凹模8對(duì)中夾緊， 一起放置在感應(yīng)線圈10 中；將夾持著板材7的模具、感應(yīng)線圈10—同置于三坐標(biāo)工作臺(tái)9上；調(diào)節(jié)三坐標(biāo)工作 臺(tái)9，使板材7與激光束3對(duì)中；感應(yīng)線圈10上電，由于電磁感應(yīng)原理，感應(yīng)線圈10中 通以交變電流時(shí)，其周圍產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，則導(dǎo)體板材7上必然產(chǎn)生感應(yīng)電流，即渦流，當(dāng) 通電線圈10的電流頻率較高時(shí)，這種感應(yīng)電流主要集中在板材周邊，由于板材本身的阻 抗使電能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮芏杆偌訜岚宀倪吘墔^(qū)域，因此，可通過選擇電流頻率來達(dá)到不同加 熱層深度；板材7受熱后，開啟激光控制器l，調(diào)節(jié)激光發(fā)生器2，改變激光束3的輸出 能量、脈沖寬度、脈沖次數(shù)、脈沖頻率，激光束3的功能密度一般大于109GW/cm2，脈沖 寬度一般取幾十納秒；激光束3透過約束層4到達(dá)保護(hù)層5，保護(hù)層5被汽化電離形成等 離子體11,等離子體11進(jìn)一步吸收激光束3的能量并產(chǎn)生爆炸(如圖2所示)，爆炸的 等離子體11在約束層5的作用下，產(chǎn)生面向板材7的沖擊壓力，在凹模8的作用下，將 板材7進(jìn)行沖壓成形。帶整體加熱的脈沖激光沖壓成形方法操作步驟為開始一選擇板材和凹模一將保護(hù)層 涂覆在板材上一調(diào)整工件與凹模的位置一在保護(hù)層上蓋上約束層—壓邊圈夾緊或與凹模 保持固定間隙一將模具放置在線圈中一通過三坐標(biāo)工作臺(tái)調(diào)整板材與激光束的相對(duì)位置 —開啟感應(yīng)加熱線圈一將一個(gè)或多個(gè)激光脈沖作用于板材一移去凹模一移去約束層—取 出并清洗工件一結(jié)束。
權(quán)利要求
1.帶整體加熱的板材激光沖壓方法，其特征在于，將表面涂覆有保護(hù)層的板材夾持在凹模和壓邊圈之間，將凹模、壓邊圈、板材均置于通電線圈中，通過線圈加熱以增強(qiáng)板材的成形性能，再在板材保護(hù)層外加設(shè)約束層；然后用能量密度大于材料點(diǎn)火閾值的短脈沖激光照射板材，脈沖激光使板材表面涂覆的保護(hù)層汽化電離，并生成等離子體，等離子體進(jìn)一步吸收激光能量而爆炸，爆炸的等離子體受到保護(hù)層外邊的約束層的限制，從而產(chǎn)生面向板材的沖擊力，使板材產(chǎn)生塑性變形，板材在凹模中被沖壓成形。
2. 如權(quán)利要求1所述帶整體加熱的板材激光沖壓方法，其特征在于，所述的凹模及 壓邊圈均是陶瓷材料。
3. 如權(quán)利要求1所述帶整體加熱的板材激光沖壓方法，其特征在于，所述保護(hù)層是 黑色有機(jī)漆、石墨、鋁或銅的涂層或鍍膜。
4. 如權(quán)利要求1所述帶整體加熱的板材激光沖壓方法，其特征在于，所述板材是 10-100微米厚的銅板，保護(hù)層是20-40微米厚的石墨涂層。
5. 如權(quán)利要求1所述帶整體加熱的板材激光沖壓方法，其特征在于，所述約束層為 石英玻璃。
6. —種實(shí)施權(quán)利要求1所述帶整體加熱的板材激光沖壓方法的專用裝置，包括激光控 制器(1)、激光發(fā)生器(2)、壓邊圈(6)、凹模(8)、三坐標(biāo)工作臺(tái)(9)、加熱線圈(10)， 涂有和保護(hù)層(5)和約束層(4)的板材(7)夾持在凹模(8)和壓邊圈(6)之間，并 且共同置于通電線圈(10)中，激光發(fā)生器(2)產(chǎn)生的短脈沖激光(3)照射在板材上。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種帶整體加熱的板材激光沖壓方法及專用裝置。該方法用陶瓷作凹模及壓邊圈，將凹模、壓邊圈、板材均置于通電線圈中，通過加熱以增強(qiáng)板材的成形性能，然后用能量密度大于材料點(diǎn)火閾值的短脈沖激光照射板材，通過激光與材料相互作用時(shí)產(chǎn)生的等離子體沖擊波沖擊板材，并在剛性凹模的共同作用下，使板材發(fā)生塑性變形。本發(fā)明屬高應(yīng)變率成形方法，成形速度快，可以成形常溫下的難變形材料，特別適合于薄板材微小零件的拉深和脹形，能夠應(yīng)用于微機(jī)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)元器件的制造領(lǐng)域中。
文檔編號(hào)B23K26/18GK101332540SQ200810138720
公開日2008年12月31日 申請(qǐng)日期2008年7月30日 優(yōu)先權(quán)日2008年7月30日
發(fā)明者韌 劉, 劉曉軍, 忠 季, 張明浩, 林樂嘉, 巍 王 申請(qǐng)人:山東大學(xué)