[发明专利]一种激光冲击高分子聚合物间接微成形方法及其专用装置

说明书

技术领域

本发明涉及机械制造领域，特指一种激光冲击高分子聚合物间接微成形方法及其专用装置，适用于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。

背景技术

微型化产品已广泛应用在等多个领域，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，零件要求的精度又很高，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。

激光加工技术已用于传统难成形材料及微型金属零件加工中，但以激光作为能源直接或间接作用在工件上仍会给工件带来一些缺陷。如中国专利申请号为01134063.0、名称为“一种激光冲击精密成型方法及装置”利用激光直接冲击待加工零件，使得零件受力不均匀，同时使零件表面产生烧蚀，零件表面质量不高。中国专利申请号为200810023264.3、名称为“一种微器件的激光冲击微体积成形方法和装置”，能实现微体积成形，其利用激光驱动飞片，使飞片继承激光的能量，从而避免了激光直接冲击工件带来的影响，但飞片冲击仍属于刚性冲击，零件表面会发生刻蚀，影响零件表面质量；同时，飞片尺寸比工件尺寸大，冲击碰撞过程中会对模具造成一定损伤，降低模具的强度及寿命；并且刚性冲击过程中，金属稀释现象严重，零件特性下降。

发明内容

 基于上述背景技术中的缺陷，本发明的目的是为了避免激光直接冲击零件表面产生烧蚀破坏、避免刚性冲击对零件表面产生刻蚀、减少冲压过程中金属稀释现像、提高零件表面质量和零件特性而提出一种激光冲击高分子聚合物间接微成形方法及其专用装置。

本发明的一种激光冲击高分子聚合物间接微成形方法采用的技术方案是包括如下步骤：1）由计算机控制纳秒激光器发出脉冲激光，激光经由两反射镜和聚焦透镜后作用于成形系统，同时由计算机控制三维移动平台调整成形系统的位置；2）激光经成形系统中的光学介质照射在吸收层薄膜上，引起部分吸收层薄膜烧蚀产生高温高压等离子体，等离子体继续吸收激光能量使得等离子体膨胀爆炸，爆炸的等离子体向吸收层薄膜方向膨胀，在吸收层薄膜上产生GPa级的冲击压力，使得吸收层薄膜发生塑性形变；3）高分子聚合物在吸收层薄膜的冲击压力及高分子聚合物容腔的约束下向其下部的靶材工件方向变形，使靶材工件塑性变形。

本发明的一种激光冲击高分子聚合物间接微成形的专用装置采用的技术方案是：由激光加载系统、成形系统、控制系统组成，激光加载系统包括纳秒激光器、两反射镜和聚焦透镜，成形系统包括试样系统、夹具体、三维移动平台以及L型底座，试样系统设置在聚焦透镜的正下方且放置在夹具体中，夹具体固接三维移动平台上，三维移动平台放置在L型底座上；控制系统包括连接纳秒激光器的激光控制器、连接三维移动平台的三维移动平台控制器 和计算机，其特征是：所述试样系统从上至下依次是光学介质、吸收层薄膜、高分子聚合物容腔、靶材工件和特制微模具，高分子聚合物容腔中满装有高分子聚合物，吸收层薄膜与高分子聚合物贴合，靶材工件位于高分子聚合物容器和特置微模具之间且与高分子聚合物表面贴合，靶材工件的下表面与固定在夹具体中的特置微模具接触；吸收层薄膜的材料是铝膜，光学介质的材料是K9玻璃，高分子聚合物的材料是聚氨酯橡胶或硅聚合物

本发明采用上述技术方案后产生的有益效果是：

1、使用激光直接冲击吸收层薄膜产生强冲击波来冲压高分子聚合物，获得动能的高分子聚合物做柔性冲头，避免了用激光或飞片直接冲击或撞击工件表面所引起的烧蚀破坏或刻蚀现象，提高了零件质量。

2、使用高分子聚合物做柔性冲头，在冲击过程中高分子聚合物与工件紧密贴合在一起，使得工件受力均匀，并且它们之间仅有极小的相对滑动，所以工件不会产生擦伤，使工件在微模具中精确成形。

3、用聚氨酯橡胶或硅聚合物做高分子聚合物，由于其具有不可压缩性及超弹性，满足工件的各种成形及数量要求，也适用于复合工艺过程，只需设置相应的下模。

4、冲压过程中高分子聚合物与工件紧密贴合在一起，仅有极小的相对滑动，可通过控制高分子聚合物与工件之间的摩擦力来增加工件的径向力，使更多的工件材料进入模腔，减少了金属冲压过程中的稀释现象，保持了工件的特性。

5、使用铝膜做吸收层薄膜，可避免激光直接冲击高分子聚合物造成的烧蚀破坏。使工件一侧与高分子聚合物接触，这样在成形过程中不会对工件材料表面造成烧蚀破坏或刻蚀损伤，适用于对成形件表面质量要求较高的金属或非金属薄板的精密成形，也可用于微器件制造等领域。