[发明专利]一种激光冲击成形阶梯状筒形件的方法及装置

说明书

本发明公开一种激光冲击成形阶梯状筒形件的方法及装置，属于板料塑性成形技术领域。将纳米粒度的碳颗粒与去离子水均匀混合，然后将混合液喷射在吸收层上作为约束层，当激光束辐照到悬浮的碳颗粒和吸收层后形成作用力方向平行于光轴的轴向冲击波，同时悬浮的碳颗粒吸收激光能量后还会形成向四周传播的侧向冲击波，从而使金属薄板发生塑性变形，金属薄板与凹模的模腔贴合。本发明使用深度可调的组合凹模，利用小能量的脉冲激光束对金属薄板进行多步冲击，最终得到复杂阶梯状筒形件，成形深度大，成形质量好。

技术领域：

本发明属于激光加工技术领域，具体涉及一种激光冲击成形阶梯状筒形件的方法及装置，本发明特别适用于高精度复杂形状零件的成形。

背景技术：

随着现代工业产品向小批量、轻量化、高强度、高性能等方向发展，传统的液压成形方法很难适应新的发展需求，例如，利用传统的液压力很难成形出高强度、形状复杂的钛合金钣金件。激光冲击成形技术是近年来发展起来的新技术，具有灵活性强、成形精度高、成形效率高、可重复性高等特点，较好地适应现代工业产品的发展方向，特别适合复杂形状高精度零件的成形，在电工电子、通信控制、生物医疗和航空航天等领域应用越来越多。

激光冲击成形技术是采用脉冲激光束辐照在吸收层上产生的高强度冲击波作为动力源，高强度冲击波作用于金属薄板表面使其发生变形。脉冲激光束透过约束层照射在吸收层上，吸收层迅速气化、电离形成高压等离子体，高压等离子体膨胀形成冲击波，冲击波作用在金属薄板的表面，并在其内部诱导产生应力波，当应力波峰值压力大于金属薄板的动态屈服极限时，金属薄板发生塑性变形。在使用激光单步冲击成形方法时，受应力波冲击区域材料获得动能和冲量，快速向下运动并于腔底与凹模发生碰撞，剧烈的碰撞使得薄板材料横向流动，使薄板与模具的模腔贴合。由于激光辐照诱导的激光冲击波作用力的方向沿着光轴的轴向，因此，薄板在成形的过程中很难填充模具的圆角，特别是对于深度较深的零件成形，成形质量差。为了得到较大的成形深度，常采用大能量脉冲激光束进行冲击完成金属薄板的成形，随之带来的问题是：一方面，激光能量过大导致金属薄板与凹模碰撞后发生反向塑性变形，降低了成形质量；另一方面，冲击能量过大使得金属薄板成形速度超过极限值，成形件底部出现破裂失效，限制了金属薄板的可成形性。

目前申请号为200610161353.5的中国专利“基于大光斑单次激光冲击的薄板半模精密成形方法”，提出一种利用激光诱导的冲击波作用在金属薄板上，通过成形半模的作用，单次激光冲击就可使金属薄板精密成形。该方法特别适用于常规方法难以成形的小面积金属超薄材料精密成形，可节约一半模具，效率高，方便成形小深度金属薄板。但是当成形的深度较大时，需要采用大能量激光束冲击金属薄板才能获得大深度的成形件，容易造成破裂失效。申请号为201310250270.3的中国专利“一种基于橡皮泥模的激光掩模冲击成形装置及其方法”提出以橡皮泥作为成形凹模，该方法可以避免激光冲击时金属薄板表面被划伤，同时橡皮泥与金属薄板贴合紧密，薄板与橡皮泥不会产生剧烈的碰撞，金属薄板回弹变形小，有利于精密成形。但是，由于金属薄板变形时与橡皮泥贴合紧密，带动橡皮泥变形，激光能量利用率不高，并且该方法依然属于激光单步冲击成形技术，未能提高金属薄板成形深度。

发明内容：

本发明针对以上激光冲击成形技术存在的缺陷，提供一种激光冲击成形阶梯状筒形件的方法及装置。本发明采用小能量脉冲激光束三步冲击的方法代替大能量单步冲击的方法，在约束层中混入碳颗粒，碳颗粒及吸收层吸收激光能量后形成等离子体并发生爆炸，在轴向和侧向均形成激光冲击波，从而提高薄板的成形质量。

本发明提供一种激光冲击成形阶梯状筒形件的方法，该方法具体步骤如下：