一种可实现刚性约束层下多次激光喷丸成形的装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术提供了一种可实现刚性约束层下多次激光喷丸成形的装置及方法，包括运动系统、激光喷丸强化系统、激光加热升温系统、颗粒流动系统和工作槽，所述工作槽内安装待加工工件，所述工作槽和颗粒流动系统连通形成一个闭环，通过颗粒流动系统使带电荷的黑漆颗粒吸附在待加工工件表面；所述激光加热升温系统用于使带电荷的黑漆颗粒在待加工工件表面形成黑漆沉积层；所述激光喷丸强化系统用于对待加工工件表面进行激光抛丸。本发明专利技术利用了带电小颗粒易吸附在金属表面的特点，并采用纳秒脉冲激光加热的方法使微小黑漆颗粒在指定位置熔化沉积，从而实现对吸收层的及时补充和对吸收层厚度的精准控制。厚度的精准控制。厚度的精准控制。

【技术实现步骤摘要】
一种可实现刚性约束层下多次激光喷丸成形的装置及方法


[0001]本专利技术涉及激光冲击成形领域，特别涉及一种可实现刚性约束层下多次激光喷丸成形的装置及方法。

技术介绍

[0002]激光喷丸成形是一种柔性精密无模成形新方法，它是利用高能激光束对板料的逐点逐次冲击，激光烧蚀产生的气化物对金属材料的冲击使金属材料产生压缩塑性变形，利用金属材料塑性延展变形特性,积小变形成宏观的大变形。已被广泛应用于航空航天、空间科学、海洋船舶等领域。
[0003]理论和实践证明了约束层可以通过阻碍气化物的逸散，来大幅度增加激光冲击波的压力并延长其持续时间，可以获得更好的成形效益。
[0004]常见的约束层分为液体约束层、柔性约束层、刚性约束层，其中，由于刚性约束层不变形，可以较长时间得维持高压气团的初始状态，之后汽化物从约束层和工件之间的缝隙进行扩散。
[0005]虽然刚性约束层对气化物的约束效果最佳，但是，目前激光喷丸成形通常不采用刚性约束层，这是因为有以下几个难点无法解决：
[0006]1、激光喷丸成形产生是有色气化物会粘附在刚性吸收层表面，若多次冲击会阻碍激光束照射在金属工件表面，并对约束层造成不可修复的损伤。
[0007]2、由于激光喷丸会产生凹坑，并且工件成形后中心会产生凹陷，刚性约束层和吸收层的间隙过大不利于对气化物的约束，会大大降低冲击力大小和持续时间。
[0008]3、吸收层过厚不利于冲击力传播到工件表面，吸收层过薄时，若进行多次激光喷丸需要更换吸收层，过程繁琐。
专利
技术实现思路

[0009]针对现有技术中存在的不足，本专利技术提供了一种可实现刚性约束层下多次激光喷丸成形的装置及方法，利用了带电小颗粒易吸附在金属表面的特点，并采用纳秒脉冲激光加热的方法使微小黑漆颗粒在指定位置熔化沉积，从而实现对吸收层的及时补充和对吸收层厚度的精准控制，采用飞秒脉冲激光多次喷丸成形，成形精度极高；加热升温系统结合高速流动气流可将光学玻璃表面沾附的黑漆杂质熔化并柔性去除，不损伤光学玻璃又不影响下次激光喷丸的效益。
[0010]本专利技术是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
[0011]一种可实现刚性约束层下多次激光喷丸成形的装置，包括运动系统、激光喷丸强化系统、激光加热升温系统、颗粒流动系统和工作槽，
[0012]所述工作槽内安装待加工工件，所述工作槽和颗粒流动系统连通形成一个闭环，通过颗粒流动系统使带电荷的黑漆颗粒吸附在待加工工件表面；所述激光加热升温系统用于使带电荷的黑漆颗粒在待加工工件表面形成黑漆沉积层；所述激光喷丸强化系统用于对
待加工工件表面进行激光抛丸；所述运动系统用于使激光喷丸强化系统、激光加热升温系统和待加工工件移动。
[0013]进一步，所述颗粒流动系统包括壳体，电子喷射器、电子存储腔、高速风扇、制冷棒、颗粒粉碎机、颗粒存储箱、压力传感器探头和气压泵；
[0014]所述壳体的封闭流道内设有工作槽，所述工作槽上方的壳体上设有光学玻璃，所述封闭流道根据流向依次安装颗粒粉碎机、颗粒存储箱、高速风扇、电子存储腔和待加工工件；所述颗粒存储箱内存放黑漆颗粒，所述制冷棒用于将回收的汽化的黑漆进行降温；所述颗粒粉碎机用于将降温后的黑漆打碎成黑漆颗粒；所述颗粒粉碎机出口处设有气压泵，用于使封闭流道内保持压力；
[0015]所述颗粒存储箱一侧壁面上半部分为网孔结构，所述颗粒存储箱一侧壁面下半部分为封闭边界；所述颗粒存储箱另一侧壁面为双层挡板，一层挡板为网孔挡板，另一层为可移动的封闭挡板；所述颗粒存储箱上安装可移动的移动压盘机构，用于将颗粒存储箱分成流通区和黑漆颗粒区；所述电子存储腔上下两侧为网状结构，所述电子存储腔上安装电子喷射器，用于使电子存储腔内部产生游离电子。
[0016]进一步，所述激光加热升温系统包括纳秒激光器、第二反射镜和第二聚焦镜；所述纳秒激光器发出的激光束经第二反射镜进行反射后通过第二聚焦镜聚焦在待加工工件表面，用于使带电荷的黑漆颗粒在待加工工件表面形成黑漆沉积层；当所述黑漆沉积层高度增加时，通过改变第二聚焦镜的焦点位置，使激光束聚焦在黑漆沉积层上表面的黑漆颗粒吸附层上；所述激光喷丸强化系统包括飞秒激光器、第一反射镜和第一聚焦镜；所述飞秒激光器发出的激光束经第一反射镜进行反射后通过第一聚焦镜聚焦至黑漆沉积层上表面。
[0017]进一步，所述运动系统包括第一滑轨、第一滑块、第二滑块、第二滑轨、第三滑块和移动平台，所述第一滑块、第二滑块分别安装在第一滑轨上；所述第一滑块与第一反射镜连接，所述第二滑块与第二反射镜连接；所述第三滑块安装在第二滑轨上；所述第三滑块与第二聚焦镜连接，用于改变第二聚焦镜的焦点位置；所述移动平台上放置待加工工件。
[0018]进一步，还包括三维信息采集器、压力传感器和位移传感器，所述三维信息采集器对准光学玻璃下表面，用于捕捉光学玻璃下表面是否存在黑漆气化物附着；所述位移传感器用于检测黑漆沉积层的厚度和黑漆沉积层与光学玻璃之间的距离；所述压力传感器用于检测封闭流道内的压力。
[0019]一种可实现刚性约束层下多次激光喷丸成形的装置的方法，包括以下步骤：
[0020]通过气压泵使封闭流道内充满高压气体，当压力传感器达到第一设定值后关闭气压泵；
[0021]通过控制高速风扇启动，使颗粒存储箱内的黑漆颗粒在封闭流道内内循环流动；所述黑漆颗粒经过电子存储腔后通过电子喷射器使黑漆颗粒带电荷；带电荷的黑漆颗粒吸附在待加工工件表面；
[0022]控制第二滑块移动，使纳秒激光器的光线经第二反射镜反射抵达待加工工件表面；通过激光焦点对准待加工工件表面吸附的黑漆颗粒层，用于形成黑漆沉积层；当通过位移传感器确定黑漆沉积层的厚度达到设计值时，关闭纳秒激光器；
[0023]控制第一滑块移动，使飞秒激光器的光线经第一反射镜反射抵达黑漆沉积层表面；通过移动压盘机构将颗粒存储箱分成流通区和黑漆颗粒区；控制可移动的封闭挡板使
流通区与封闭流道连通；通过飞秒激光器产生的激光对黑漆沉积层进行激光喷丸；
[0024]通过三维信息采集器捕捉光学玻璃下表面是否存在附着的黑漆气化物，当存在黑漆气化物，通过纳秒激光器产生的激光聚焦到光学玻璃下表面进行激光清洗；控制高速风扇风速，利用封闭流道内气流流动吹走融化或气化的黑漆附着物。
[0025]进一步，还包括如下步骤：
[0026]在激光喷丸过程中，所述位移传感器实时监测黑漆沉积层的厚度，当黑漆沉积层厚度小于第二设定值时，停止激光喷丸加工，控制可移动的封闭挡板使黑漆颗粒区与封闭流道连通，通过控制高速风扇启动，使带电荷的黑漆颗粒吸附在待黑漆沉积层表面；控制纳秒激光器的光线经第二反射镜反射抵达黑漆沉积层表面；通过激光焦点对准黑漆沉积层表面吸附的黑漆颗粒层，用于补充黑漆沉积层。
[0027]进一步，根据位移传感器监测值控制纳秒激光器聚焦点位置，使所述黑漆沉积层厚度为1～100μm；通过控制移动平台，使所述黑漆沉积层与光学玻璃的距离为5～20μm；本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种可实现刚性约束层下多次激光喷丸成形的装置，其特征在于，包括运动系统、激光喷丸强化系统、激光加热升温系统、颗粒流动系统和工作槽，所述工作槽内安装待加工工件(20)，所述工作槽和颗粒流动系统连通形成一个闭环，通过颗粒流动系统使带电荷的黑漆颗粒(17)吸附在待加工工件(20)表面；所述激光加热升温系统用于使带电荷的黑漆颗粒(17)在待加工工件(20)表面形成黑漆沉积层(19)；所述激光喷丸强化系统用于对待加工工件(20)表面进行激光抛丸；所述运动系统用于使激光喷丸强化系统、激光加热升温系统和待加工工件(20)移动。2.根据权利要求1所述的可实现刚性约束层下多次激光喷丸成形的装置，其特征在于，所述颗粒流动系统包括壳体(16)，电子喷射器(22)、电子存储腔(23)、高速风扇(25)、制冷棒(26)、颗粒粉碎机(27)、颗粒存储箱(28)、压力传感器探头(31)和气压泵(33)；所述壳体(16)的封闭流道内设有工作槽，所述工作槽上方的壳体上设有光学玻璃(14)，所述封闭流道根据流向依次安装颗粒粉碎机(27)、颗粒存储箱(28)、高速风扇(25)、电子存储腔(23)和待加工工件(20)；所述颗粒存储箱(28)内存放黑漆颗粒，所述制冷棒(26)用于将回收的汽化的黑漆进行降温；所述颗粒粉碎机(27)用于将降温后的黑漆打碎成黑漆颗粒；所述颗粒粉碎机(27)出口处设有气压泵(33)，用于使封闭流道内保持压力；所述颗粒存储箱(28)一侧壁面上半部分为网孔结构，所述颗粒存储箱(28)一侧壁面下半部分为封闭边界；所述颗粒存储箱(28)另一侧壁面为双层挡板，一层挡板为网孔挡板，另一层为可移动的封闭挡板；所述颗粒存储箱(28)上安装可移动的移动压盘机构(30)，用于将颗粒存储箱(28)分成流通区和黑漆颗粒区；所述电子存储腔(23)上下两侧为网状结构，所述电子存储腔(23)上安装电子喷射器(22)，用于使电子存储腔(23)内部产生游离电子(24)。3.根据权利要求1所述的可实现刚性约束层下多次激光喷丸成形的装置，其特征在于，所述激光加热升温系统包括纳秒激光器(7)、第二反射镜(6)和第二聚焦镜(11)；所述纳秒激光器(7)发出的激光束经第二反射镜(6)进行反射后通过第二聚焦镜(11)聚焦在待加工工件(20)表面，用于使带电荷的黑漆颗粒(17)在待加工工件(20)表面形成黑漆沉积层(19)；当所述黑漆沉积层(19)高度增加时，通过改变第二聚焦镜(11)的焦点位置，使激光束聚焦在黑漆沉积层(19)上表面的黑漆颗粒(17)吸附层上；所述激光喷丸强化系统包括飞秒激光器(4)、第一反射镜(5)和第一聚焦镜(10)；所述飞秒激光器(4)发出的激光束经第一反射镜(5)进行反射后通过第一聚焦镜(10)聚焦至黑漆沉积层(19)上表面。4.根据权利要求3所述的可实现刚性约束层下多次激光喷丸成形的装置，其特征在于，所述运动系统包括第一滑轨(1)、第一滑块(2)、第二滑块(3)、第二滑轨(12)、第三滑块(13)和移动平台(21)，所述第一滑块(2)、第二滑块(3)分别安装在第一滑轨(1)上；所述第一滑块(2)与第一反射镜(5)连接，所述第二滑块(3)与第二反射镜(6)连接；所述第三滑块(13)安装在第二滑轨(12)上；所述第三滑块(13)与第二聚焦镜(11)连接，用于改变第二聚焦镜(11)的焦点位置；所述移动平台(21)上放置待加工工件(20)。5.根据权利要求1所述的可实现刚性约束层下多次激光喷丸成形的装置，其特征在于，还包括三维信息采集器(9)、压力传感器(31)和位移传感器(15)，所述三维信息采集器(9)对准光学玻璃下表面，用于捕捉光学玻璃(14)下表面是否存在黑漆气化物附着；所述位移传感器(15)用于检测黑漆沉积层(19)的厚度和黑漆沉积层(19)与光学玻璃(14)之间的距离；所述压力传感器(31)用于检测封闭流道内的压力。
6.一种根据...

【专利技术属性】
技术研发人员：葛勇州，任旭东，张宇泽，童照鹏，周王凡，陈兰，刘怀乐，顾嘉阳，刘畅，杨浩杰，于天琪，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：