一种高应变速率下微零件冷锻成形的自动化装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种高应变速率下微零件冷锻成形的自动化装置及方法，涉及先进制造微零件技术领域，包括激光发射系统、自动顶料装置和成形系统；所述激光发射系统用来加工工件，自动顶料装置用来把加工好的工件从可旋转凹模中顶出，所述成形系统用来成形；本发明专利技术中通过可旋转凹模实现自动压紧和凸模的自动回位，通过调节压板位置可改变压紧力大小；通过自动顶料装置实现成形工件脱模，通过扭转弹簧实现顶料装置自动回位；利用真空吸料装置和机械手臂实现自动装卸，既提高了工作效率，又保证了工件表面质量。本发明专利技术装置简单，可实现激光动态加载下微零件自动化冷锻成形。

An automatic device and method for cold forging of micro parts with high strain rate

【技术实现步骤摘要】
一种高应变速率下微零件冷锻成形的自动化装置及方法
本专利技术属于激光动态加载下成形微零件领域和自动化加工领域，尤其涉及到一种高应变速率下微零件冷锻成形的自动化装置及方法。
技术介绍
近年来，微机电系统(MEMS)得到了快速发展，作为微系统的一部分，自从微机电系统概念提出以来，产品微型化逐渐成为科技发展进步的体现。特别是近年来，随着智能制造与人工智能技术的飞速发展，家用电器、智能机器人、微型卫星和生物芯片等具有高自动化水平的设备越来越多，集成化越来越高。微型产品具有重量轻、体积小、性能稳定、功耗低、价格低廉等优点，广泛应用于社会生产生活的各个领域，这也促进了微细加工技术的发展，出现了诸如离子刻蚀，超精密机械加工等加工工艺。在微成形领域，由于成形工件的几何特征尺寸很小，相比于宏观尺度下工件的成形过程，其在成形原理方面存在较大差距，宏观尺度下的成形工艺在此则不再适用，即所谓的尺寸效应。所以传统的加工方式无法适应现代技术发展的需要，人们开始将目光投到微塑性成形领域，这使得微冷锻、微弯曲、微冲压、微拉深等工艺迅速发展。这其中，激光动态加载微成形技术是利用激光冲击加载的方式产生高压冲击波使零件成形，属于高应变速率成形，具有成形精度高，抑制尺寸效应等优点。目前激光动态加载微成形技术主要应用于板料成形，对塑性成形中的重要部分——体积成形方面应用较少，而很多微零件都需要使用体积成形技术且微体积成形技术具有原始坯料易于获得等优点。申请号200810023264的中国专利提出了一种激光冲击微体积成形技术，但其装置不能实现自动化生产且使用飞片作为间接加载源，凸模难以获得足够的动能；申请号为201710637500.X的中国专利提出了一种激光动态加载成形微体积零件的自动化装置及其方法，实现了激光冲击微体积成形自动化生产，但其使用夹取装置易损伤零件表面且原始坯料微小很难夹取，其约束层吸收层和凸模表面没有压紧装置，激光冲击产生的等离子体容易向外逸散，造成冲击压力不足，且未考虑吸收层约束层的更换问题。
技术实现思路
针对现有的激光动态加载成形微零件技术中存在的上述问题，本专利技术提供了一种高应变速率下微零件冷锻成形的自动化装置，通过设计自动顶料装置实现对加工后的产品的自动卸载，另外，通过设置压板，垫片及可旋转凹模等结构，实现了在加工过程中，对吸收层约束层及凸模的压紧，使得激光冲击产生的等离子体不易逸散，提高了零件成形精度，可实现自动装卸和夹紧，提高了加工能力。本专利技术是通过如下技术手段进行实现的：一种高应变速率下微零件冷锻成形的自动化装置，其特征在于，包括激光发射系统、自动顶料装置和成形系统；所述激光发射系统用来加工工件，自动顶料装置用来把加工好的工件从可旋转凹模中顶出，所述成形系统用来成形；所述成形系统包括可旋转凹模、垫片和压板；所述可旋转凹模通过键连接在轴上，且可旋转凹模设置于上压板上方；所述压板和垫片均通过支架支撑，且垫片设置在可旋转凹模与压板之间；所述垫片上开设有通孔，通孔内设置有凸模，在加工工位时，聚焦后的激光束辐照于设置在压板与垫片之间的约束层和吸收层上，进而冲击凸模，实现对微金属棒料的加工成形；所述自动顶料装置包括底座、下压块和上压块；从上至下依次设置为上压板、下压板和底座，轴上安装有轴承，上压板、下压板和底座均安装在轴承的外圈；所述下压板上开设有槽，上压板对应位置处开设有圆通孔，槽内设置有弹簧，弹簧上设置有顶料杆，在卸料工位时，顶料杆可顶入可旋转凹模上开设的凹模孔内，将加工好的工件顶出；所述底座与下压板之间设置有扭转弹簧，所述扭转弹簧可将下压板带回到卸料工位。进一步的，还包括自动上料系统，所述自动上料系统包括机械手臂和真空吸料装置，真空吸料装置设置在机械手臂的下方，在自动上料工位，用来将微金属棒料转运至凹模孔内。进一步的，所述凹模孔设置在渐变槽的一端，且渐变槽是以可旋转凹模中心为圆心的弧形结构。进一步的，所述可旋转凹模上还设置有凸棱，所述凸棱有两条，所述凹模孔和渐变槽均设置在两条所述凸棱之间。进一步的，所述渐变槽深度从凹模孔端开始由深至浅；所述顶料杆为T字形结构，且粗端与弹簧接触。进一步的，所述压板相对于支架位置不动；所述垫片可沿支架移动，当可旋转凹模转动到加工工位时，凸棱会顶起压板上行，使得压板与垫片之间的距离变小，从而压紧固定约束层和吸收层。进一步的，所述可旋转凹模为圆盘形结构，且凸棱为可旋转凹模的半径；所述轴通过一对锥齿轮驱动，从动锥齿轮带动轴旋转，从动锥齿轮与主动锥齿轮啮合，主动锥齿轮通过电机驱动。进一步的，所述激光发射系统包括脉冲激光器、平面反射镜、可调聚焦透镜、透镜支架和基座；所述平面反射镜与脉冲激光器产生光束呈45°；所述透镜支架安装在基座上；所述可调聚焦透镜安装在透镜支架上并放置于经过平面反射镜反射后的光路上。进一步的，所述控制系统包括计算机、脉冲激光控制器、三维移动平台控制器、电机控制器、机械手臂控制器和真空吸料装置控制器；所述脉冲激光控制器、三维移动平台控制器、电机控制器、机械手臂控制器、真空吸料装置控制器均与计算机相连；所述脉冲激光控制器与脉冲激光器相连，用于控制脉冲激光器的工作状态；所述三维移动平台控制器与三维移动平台相连，用于控制三维移动平台的位置；所述电机控制器与电机相连，用于控制电机的工作状态；所述机械手臂控制器与机械手臂相连，用于控制机械手臂的移动；所述真空吸料装置控制器与真空吸料装置相连，用于控制真空吸料装置的工作状态。一种高应变速率下微零件冷锻成形的自动化方法，包括如下步骤：S1：将脉冲激光控制器、三维移动平台控制器、电机控制器、机械手臂控制器、真空吸料装置控制器与计算机连通；S2：将机械手臂、电机和轴安装在三维移动平台上，电机与轴之间通过从动锥齿轮和主动锥齿轮连接，将真空吸料装置安装在机械手臂上，将自动顶料装置通过轴承与轴连接，将可旋转凹模通过键与轴相连，将垫片和压板安装在支架上，其中垫片可上下移动，压板固定，将凸模放于垫片开设的通孔中；利用计算机通过三维平台控制器控制三维移动平台移动，使凸模中心位于激光光路上；S3：凸模所在工位为加工工位，沿加工工位顺时针方向120°位置为装料工位，逆时针方向120°位置为卸料工位；调节各零件位置，使得初始状态下，凹模孔处于装料工位，自动顶料装置的顶料杆处于卸料工位；S4：利用计算机通过机械手臂控制器和真空吸料装置控制器控制机械手臂和真空吸料装置从滑槽内吸取微金属棒料并安放在凹模孔内，同时保证每一次激光冲击时都有新的吸收层出现在激光冲击区域；S5：利用计算机通过电机控制器控制电机带动可旋转凹模逆时针旋转120°到达加工工位，可旋转凹模上的凸棱将垫片、凸模、吸收层和约束层抬起一定距离与压板接触，实现压紧，利用计算机通过脉冲激光控制器控制脉冲激光器发出脉冲激光，脉冲激光经平面反射镜反射，再由可调聚焦透镜将脉冲激光束聚焦后照射在吸收层上，吸收层表面部分被汽化和电离后产生高温高压等离子体，等离子体快速向外喷溅膨胀，其反作用力本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高应变速率下微零件冷锻成形的自动化装置，其特征在于，包括激光发射系统、自动顶料装置(14)和成形系统；/n所述激光发射系统用来加工工件，自动顶料装置(14)用来把加工好的工件从可旋转凹模(29)中顶出，所述成形系统用来成形；/n所述成形系统包括可旋转凹模(29)、垫片(31)和压板(32)；所述可旋转凹模(29)通过键连接在轴(12)上，且可旋转凹模(29)设置于上压板(26)上方；所述压板(32)和垫片(31)均通过支架(35)支撑，且垫片(31)设置在可旋转凹模(29)与压板(32)之间；所述垫片(31)上开设有通孔(311)，通孔(311)内设置有凸模(36)，在加工工位时，聚焦后的激光束辐照于设置在压板(32)与垫片(31)之间的约束层(33)和吸收层(34)上，进而冲击凸模(36)，实现对微金属棒料(37)的加工成形；/n所述自动顶料装置(14)包括底座(24)、下压块(25)和上压块(26)；从上至下依次设置为上压板(26)、下压板(25)和底座(24)，轴(12)上安装有轴承(23)，上压板(26)、下压板(25)和底座(24)均安装在轴承(23)的外圈；所述下压板(25)上开设有槽(251)，上压板(26)对应位置处开设有圆通孔(261)，槽(251)内设置有弹簧(27)，弹簧(27)上设置有顶料杆(28)，在卸料工位时，顶料杆(28)可顶入可旋转凹模(29)上开设的凹模孔(39)内，将加工好的工件顶出；所述底座(24)与下压板(25)之间设置有扭转弹簧(30)，所述扭转弹簧(30)可将下压板(25)带回到卸料工位。/n...

【技术特征摘要】
1.一种高应变速率下微零件冷锻成形的自动化装置，其特征在于，包括激光发射系统、自动顶料装置(14)和成形系统；
所述激光发射系统用来加工工件，自动顶料装置(14)用来把加工好的工件从可旋转凹模(29)中顶出，所述成形系统用来成形；
所述成形系统包括可旋转凹模(29)、垫片(31)和压板(32)；所述可旋转凹模(29)通过键连接在轴(12)上，且可旋转凹模(29)设置于上压板(26)上方；所述压板(32)和垫片(31)均通过支架(35)支撑，且垫片(31)设置在可旋转凹模(29)与压板(32)之间；所述垫片(31)上开设有通孔(311)，通孔(311)内设置有凸模(36)，在加工工位时，聚焦后的激光束辐照于设置在压板(32)与垫片(31)之间的约束层(33)和吸收层(34)上，进而冲击凸模(36)，实现对微金属棒料(37)的加工成形；
所述自动顶料装置(14)包括底座(24)、下压块(25)和上压块(26)；从上至下依次设置为上压板(26)、下压板(25)和底座(24)，轴(12)上安装有轴承(23)，上压板(26)、下压板(25)和底座(24)均安装在轴承(23)的外圈；所述下压板(25)上开设有槽(251)，上压板(26)对应位置处开设有圆通孔(261)，槽(251)内设置有弹簧(27)，弹簧(27)上设置有顶料杆(28)，在卸料工位时，顶料杆(28)可顶入可旋转凹模(29)上开设的凹模孔(39)内，将加工好的工件顶出；所述底座(24)与下压板(25)之间设置有扭转弹簧(30)，所述扭转弹簧(30)可将下压板(25)带回到卸料工位。


2.根据权利要求1所述的高应变速率下微零件冷锻成形的自动化装置，其特征在于，还包括自动上料系统，所述自动上料系统包括机械手臂(15)和真空吸料装置(13)，真空吸料装置(13)设置在机械手臂(15)的下方，在自动上料工位，用来将微金属棒料(37)转运至凹模孔(39)内。


3.根据权利要求1至2任一项所述的高应变速率下微零件冷锻成形的自动化装置，其特征在于，所述凹模孔(39)设置在渐变槽(38)的一端，且渐变槽(38)是以可旋转凹模(29)中心为圆心的弧形结构。


4.根据权利要求3所述的高应变速率下微零件冷锻成形的自动化装置，其特征在于，所述可旋转凹模(29)上还设置有凸棱(41)，所述凸棱(41)有两条，所述凹模孔(39)和渐变槽(38)均设置在两条所述凸棱(41)之间。


5.根据权利要求3所述的高应变速率下微零件冷锻成形的自动化装置，其特征在于，所述渐变槽(38)深度从凹模孔(39)端开始由深至浅；所述顶料杆(28)为T字形结构，且粗端与弹簧(27)接触。


6.根据权利要求4所述的高应变速率下微零件冷锻成形的自动化装置，其特征在于，所述压板(32)相对于支架(35)位置不动；所述垫片(31)可沿支架(35)移动，当可旋转凹模(29)转动到加工工位时，凸棱(41)会顶起压板(32)上行，使得压板(32)与垫片(31)之间的距离变小，从而压紧固定约束层(33)和吸收层(34)。


7.根据权利要求1所述的高应变速率下微零件冷锻成形的自动化装置，其特征在于，所述可旋转凹模(29)为圆盘形结构，且凸棱(41)为可旋转凹模(29)的半径；所述轴(12)通过一对锥齿轮驱动，从动锥齿轮(11)带动轴(12)旋转，从动锥齿轮(11)与主动锥齿轮(10)啮合，主动锥齿轮(10)通过电机(9)驱动。


8.根据权利要求1所述的高应变速率下微零件冷锻成形的自动化装置，其特征在于，所述激光发射系统包括脉冲激光器(3)、平面反射镜(5)、可调聚焦透镜(6)、透镜支架(8)和基座(17)；所述平面反射镜(5)与脉冲激光器(3)产生光束呈45°；所述透镜支架(8)安装在基座(17)上；所述可调聚焦透镜(6)安装在透镜支架(8)上并放置于经过平面反射镜(5)反射后的光路上。


9.根据权利要求1所述的高应变速率下微零件冷锻成形的自动化装置，其特征在于，所述控制系统包括计算机(1)、脉冲激光控制器(2)、三维移动平台控制器(18)、电机控制器(20)、机械手臂控制器(19)和真空吸料装置控制器(21)；所述脉冲激光控制器(2)、三维移动平台控制器(18)、电机控制器(20)、机械手臂控制器(19)、真空吸料装置控制器(21)均与计算机(1)相连；所述脉冲激光控制器(2)与脉冲激光器(3)相连，用于控制...

【专利技术属性】
技术研发人员：李茂文，王霄，马友娟，王科阳，崔建坤，刘会霞，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32