[发明专利]带同步加热的板材激光微拉深成形方法及装置

说明书

技术领域

本发明属于先进制造领域，具体涉及一种针对超薄板材的、带同步加热的脉冲激光微拉深成形方法及实现该方法的装置。

背景技术

拉深成形是一种常见的板料成形工艺，通常是借助于凸模、凹模和压边圈来完成的。但是，这种宏观制件的传统拉深成形方式，应用于微型零件制造时，存在着很多弊端。比如，微凸模的制造非常困难，凸模与凹模的对中以及间隙保证很不容易，凸模的行程也很难控制。另外，这种借助于凸模和凹模的相对运动进行的机械成形，属于准静态成形方式，成形效率低。再者，材料在微尺度时，由于晶粒数量的减少通常呈现低可成形性，即出现所谓的尺度效应，所以，用传统方法进行微型零件的拉深成形时，往往很难成功。因此，必须寻求板材微拉深成形的新方法。

美国加州大学Hackel Lloyd申请的专利“Contour Forming of Metals by LaserPeening”(专利号WO0105549)，提出通过激光冲击板材表面，利用其残余应力释放产生微曲度进行微变形，但是，这种方法的变形量难以控制。

中国专利文件CN101020276公开了“基于大光斑单次激光冲击的薄板半模精密成形方法”(申请号200610161353.5)，它利用脉冲激光冲击工件表面的柔性贴膜，使其气化电离并形成冲击波而压向工件，加上成形半模的作用，最终得到与半模形状一致的塑性成形试样。该方法在板材表面采用了柔性贴膜，变形的驱动力来自材料电离产生的冲击力，而不是激光的热效应，所以属于冷成形方式。但是，很多材料在冷态高应率时的延展性很差，限制了该方法的成形限极和应用范围。

美国专利文件US2007/0039933A1则公开了能够进行预加热的激光动态成形方法“Systemand Method of Laser Dynamic Forming”(申请号为11/507064)，它首先预热板材，然后用一束激光产生材料变形所需的冲击力。其技术缺陷表现在：1)板材预热与激光冲击分开进行，工作效率低；2)预热在是施加了约束层以后进行的，对超薄的金属板材，热量会迅速流向约束层及凹模，影响预热效果；3)不便采用水做约束层，否则会因板材预热而汽化；4)对于拉深成形，工艺要求板材的边缘区域受热软化，以便于往凹模中流动，板材的中心部分要保持冷态，以保证具有足够的强度而不致拉裂，但该专利技术通过激光扫描预热板材时，热量会很快地流到板材的中心区域(对微型零件尤其如此)，使本不该加热的区域受到加热而软化，容易导致微型拉深件的破裂，不能获得大的变形量；5)不便采用压边圈，板料拉深时易于起皱，影响零件质量。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种能克服上述技术缺陷、成形效率高、零件质量好、操作方便、容易控制、并能获得大的变形量的、带同步加热的板材脉冲激光微拉深成形方法及其装置。

发明概述

本发明的带同步加热的脉冲激光微拉深成形方法，是一种针对超薄板材(厚度小于0.1mm)、用一束激光在板材背面进行加热、同时另一束激光在板材正面进行冲击、并借助于微凹模(凹模直径小于4mm)和压边圈进行的拉深成形方法。

发明详述

本发明的技术方案如下：

带同步加热的脉冲激光微拉深成形方法，将板材夹持在压边圈和凹模之间，并放置在三坐标工作台上，来自激光发生器B的加热用激光束和来自激光发生器A的冲击用激光束，分别照射板材的两个表面，使所述的加热用激光束和冲击用激光束同轴；调整所述的三坐标工作台，使加热用的环状激光束与板材对中并达到要求的光斑大小；冲击用激光束的光斑大小则由激光器发生器A的激光束空间调制器进行调整；

激光发生器B发出的环状激光束透过凹模对板材边缘区域进行加热，增加该区域材料的塑性，降低屈服强度，使边缘区域的材料易于发生塑性流动；激光发生器A发出的柱状短脉冲激光束，其能量密度大于板材材料的点火阈值，使冲击用激光束产生垂直于板材表面的冲击力，该冲击力大于板材的动态屈服强度，使板材材料流入凹模之中，最后在凹模中得到微型拉深试样。

所述的压边圈用金属或陶瓷材料制做。

所述的压边圈设有中心孔，中心孔与光束尺寸相当，使激光束能恰好通过压边圈的中心孔。

所述的凹模用透明材料制做，凹模直径小于4mm。

压边圈与凹模之间的间隙或夹紧力按拉深要求调整。

所述的板材是超薄板材，厚度小于0.1mm。