[发明专利]一种激光间接复合微塑性成形装置及方法

说明书

技术领域

本发明属于激光加工微机电系统(MEMS)零件技术领域，特指激光复合微塑性成成形方法和装置。

发明背景

随着电子产品、生物、医疗器械以及微机电系统的迅速发展，具有轻、薄、短、小、多功能特点的微型产品需求量不断增加，与之相关的微型金属零部件的加工也显得越来越重要，带动了金属微成形技术的发展。通过微成形制造的微型金属产品广泛应用在自动化、医疗卫生、航空航天、电信电子、精密仪器和国防等多个领域，微型化使得微机电系统(MEMS)在精度、热变形、振动和速度等方面具备更优异的性能和功能，微型化成了当代科技发展的一个重要方向。

基于传统塑性成形方法的微成形工艺仍然有其局限性，微成形装置的体积一般都比较小，使得其内部结构相比于传统的成形设备更加复杂，由于零件要求的精度很高，这使得制造微成形装置较为困难。目前的微成形装置存在加工操作难度较高，加工效率较低的问题，同时准静态塑性微成形受到尺度效应的影响，材料成形能力下降，难以满足一些高硬度高脆性难成形材料的加工，使其在工业生产中受到很多的限制。

因此，国内外众多学者开始在传统微成形的基础上积极寻找新的微成形工艺，以解决目前微成形存在的问题，而近年来迅速发展的激光加工技术为我们解决这一难题提供了研究基础。由于激光加工质量好，加工精度高，激光能量密度高，可以瞬间完成加工，能够成形常规方法难以加工的材料，与传统加工方式相比，加工质量显著提高。将激光加工技术应用在微小零件的加工上已逐渐提到日程上来。

申请号为01134063.0的中国专利一种激光冲击精密成型方法及装置，具有利用激光冲击技术实现常规方法难以成形的或者无法成形的材料成形。申请号为200610161633.6的中国专利激光冲击成形强化系统，具有激光冲击波参数与靶材工件轨迹的精确控制的特点。专利一种激光冲击精密成型方法及装置和专利激光冲击成形强化系统是利用激光直接冲击成形技术加工微小零件的，在加工零件的过程中会存在激光能量分布不均，实验的可重复性不高等缺点。本发明采用激光驱动飞片加载技术，相对于激光直接冲击加工技术有着独特的优势。在本发明中，利用激光驱动飞片实现飞片的高速飞行，高速飞行的飞片随后载靶材工件，使得靶材工件中产生极高的压力和应变率。另外，飞片在加载过程中产生的冲击波压力具有较高的平面性，完整性和可重复性。激光驱动飞片加载靶材工件的作用时间只有几十个纳秒，成形压力达到GPa，大大超过金属材料的动态屈服强度，不仅能够实现常规成形方法难以成形的材料的加工，而且还拓展了冷冲压成形的零件范围，在一定程度上能够提高成形能力，细化材料晶粒，增强成形后靶材工件的表面硬度。

以激光作为力源加载于飞片并冲击靶材工件的微成形方法及其装置有两种：一是申请号为200810023264.3的中国专利一种微器件的激光冲击微体积成形方法和装置，具有可以实现微尺度下常规方法难以成形或无法成形的复杂器件的微体积成形。二是发明专利申请号为200810019367.2的中国专利强激光冲击微塑性成形的方法及其装置，具有可以实现大面积微纳尺度的三维成形，具有制造的快速性和可重复性等特点。专利一种微器件的激光冲击微体积成形方法和装置和专利强激光冲击微塑性成形的方法及其装置一是不能解决被加工靶材工件在加工过程中的拉深、切边和冲孔等工艺的复合工艺过程，不能实现单一零件的批量化生产，二是飞片是金属薄膜在激光的冲击和剪切作用形成的，激光能量的利用率较低。首先，本发明继承了上述两种方法及装置的优点，不仅可以实现大面积微纳尺度三维成形，具有制造的快速性和可重复性等特点，而且在此之上提出了利用复合微模具的成形效应，设计了特制复合微模具，可以实现飞片在一次的冲击加载过程中完成对靶材工件的拉深、切边和冲孔的复合工艺。因为特制微模具上具有按一定数量、次序排列的复合模，所以在一次冲击过程中便可完成对靶材工件的批量成形，降低了生产成本。其次，本发明利用水或硅油将飞片粘贴在光学介质上，激光能量可以直接传递给飞片，避免了能量损失在激光剪切金属薄膜形成飞片上，提高了激光能量的利用效率，使得飞片在激光能量相同的情况下获得更高的加载速度。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提高激光能量的利用效率，实现快速、可重复制造的大面积微纳尺寸的工件，飞片在一次的冲击加载过程中完成对靶材工件的拉深、切边和冲孔，且能实现工件的批量成形。