一种激光冲击微冲裁装置.pdf

本发明涉及微制造领域，具体地是指一种激光冲击微冲裁装置。其特征在于：在下模的上端面依次覆盖金属薄膜、吸收层、约束层和掩膜，掩膜正对下模，并通过夹具系统保证相对位置；所述掩膜的外形与下模的外形相似；掩膜的尺寸比下模的尺寸大4-15 μm；高能脉冲激光的一部分辐照在掩膜的表面被反射，另一部分透过约束层，形成特定形状的激光光斑辐照在吸收层表面，吸收层吸收激光能量在约束层的约束下产生等离子爆炸，形成冲击波，在该具有特定轮廓冲击波和下模的作用下，金属薄膜被掩膜掩盖的部分保留下来，外围部分被修剪掉，获得一个具有特定形状的平整的微零件。

1.  一种激光冲击微冲裁装置，其特征在于：在下模的上端面依次覆盖金属薄膜、吸收层、约束层和掩膜，掩膜正对下模，并通过夹具系统保证相对位置；所述掩膜的外形与下模的外形相似；掩膜的尺寸比下模的尺寸大4-15 μm；高能脉冲激光的一部分辐照在掩膜的表面被反射，另一部分透过约束层，形成特定形状的激光光斑辐照在吸收层表面，吸收层吸收激光能量在约束层的约束下产生等离子爆炸，形成冲击波，在该具有特定轮廓冲击波和下模的作用下，金属薄膜被掩膜掩盖的部分保留下来，外围部分被修剪掉，获得一个具有特定形状的平整的微零件。

2.  如权利要求1所述的一种激光冲击微冲裁装置，其特征在于：所述的激光束为聚焦后的脉冲激光束，其光源为钕玻璃-YAG激光器，脉宽为10-100ns，脉冲能量为0.1-1J，激光束的直径大于掩膜径向的最大尺寸。

3.  如权利要求1所述的一种激光冲击微冲裁装置，其特征在于：所述的掩膜的材质为铜，厚度为0.5mm。

4.  如权利要求1所述的一种激光冲击微冲裁装置，其特征在于：所述约束层的材质为透明树脂或者光学玻璃，厚度为0.8~1mm。

5.  如权利要求1所述的一种激光冲击微冲裁装置，其特征在于：所述吸收层的材质为铝箔或者黑漆，厚度为50~150 μm。

6.  如权利要求1所述的一种激光冲击微冲裁装置，其特征在于：所述的金属薄膜的厚度为20 μm -100μm。

7.  如权利要求1所述的一种激光冲击微冲裁装置，其特征在于：所述下模的材质为高强高硬钢。

8.  如权利要求7所述的一种激光冲击微冲裁装置，其特征在于：所述高强高硬钢为T7，20Cr或40r模具钢。

一种激光冲击微冲裁装置
技术领域
本发明涉及微制造领域，具体地是指一种激光冲击微冲裁装置。
背景技术
随着微机电系统的飞速发展，对微零件的需求量也越来越大；当前，面向MEMS系统的加工技术主要有LIGA、光刻、刻蚀、微挤压、微压印、微钣金、微拉深、微冲压、微锻、微轧制和微无模成形工艺，这些工艺受到加工效率低、成本高、污染环境等问题的限制。
近年来，随着激光技术的飞速发展，激光技术开始广泛应用在微零件的制造，利用高功率脉冲激光与材料相互作用产生的力学效应，在材料加工领域受到了人们越来越多的关注，在微零件的制备方面得到了广泛的应用；中国专利ZL201010505869.3和ZL201010505882.9提出了一种利用激光冲击波加载飞片，使飞片获得一个动能撞击工件实现工件的微成形，该方法中飞片由于受到高能量的激光冲击波的作用，将产生严重塑性变形，严重塑性变形的飞片撞击工件表面，使获得的微成形工件不平整；由于飞片在空气中飞行，将会有很大的动量损失，从而大幅度降低成形效果；此外，采用飞片撞击的方法无法实现零件的切断；中国专利ZL201110239514.9提出了一种基于激光冲击波效应的微冲裁和成形方法，该方法采用先切断后成形的方法，在进行切断时，工件下部是空气，由于激光冲击波在作用区域内不可能是均匀的，工件将产生不规则变形，影响工件的成形精度；由于激光冲击波同时作用于毛胚和工件，因此无法对冲裁间隙进行控制，从而影响工件的尺寸精度和断面质量；此外，工件在激光冲击波作用下在进行切断和成形时，激光冲击波透过工件后作用在剪切模上，剪切模的刃口在冲击波作用下将产生塑性变形，影响模具的使用寿命；此外，上述三个专利都无法加工外形复杂的微零件。
发明内容
本发明针对以上技术的不足，提供了一种激光冲击微冲裁装置，在冲裁过程中，可以对薄板实现精确的压边，控制冲裁间隙，获得大批量、外形复杂、高尺寸精度、高断口质量的微零件。
本发明的一种激光微冲裁装置，在下模的上端面依次覆盖金属薄膜、吸收层、约束层和掩膜，掩膜正对下模，并通过夹具系统保证相对位置；激光束的一部分激光能量被掩膜反射，另一部分能量透过约束层辐照到吸收层上表面。
所述的激光束为聚焦后的脉冲激光束，其光源为钕玻璃-YAG激光器，脉宽为10-100ns，脉冲能量为0.1-1J，激光束的直径大于掩膜径向的最大尺寸。
所述的掩膜的材质为铜，厚度为0.5mm。
所述的约束层的材质为透明树脂或者光学玻璃，厚度为0.8~1mm。
所述的吸收层的材质为铝箔或者黑漆，厚度为50~150 μm。
所述的金属薄膜的厚度为20 μm -100μm。
所述的下模的材质为高强高硬钢，如T7，20Cr，40r等模具钢。
所述掩膜的外形与下模的外形相似；掩膜的尺寸比下模的尺寸大4-15 μm。
本发明的原理为：高能脉冲激光的一部分辐照在掩膜的表面被反射，另一部分透过约束层，形成特定形状的激光光斑辐照在吸收层表面，吸收层吸收激光能量在约束层的约束下产生等离子爆炸，形成冲击波，在该具有特定轮廓冲击波和下模的作用下，金属薄膜被掩膜掩盖的部分保留下来，外围部分被修剪掉，获得一个具有特定形状的平整的微零件。
实施本发明的有益效果为：掩膜的外形与下模的外形相似，可以获得形状精确的压紧力，提高切口质量，并获得特定轮廓的激光冲击波；掩膜的尺寸比下模的尺寸大4-15 μm，通过控制掩膜的尺寸，可以控制冲击波与下模的冲裁间隙，从而控制切口质量；掩膜的材质为铜，可以反射激光能量，多次重复利用掩膜，提高掩膜的使用寿命；由于掩膜的掩盖，下模不受到冲击波作用，可以提高下模的使用寿命，且金属薄膜没有受到激光冲击波的作用，不会因为产生残余应力而发生宏观变形；最终可以获得大批量、外形复杂、断口质量良好、尺寸精确的微冲裁零件。
附图说明
图1：激光冲击微冲裁装置示意图。
图中包括，1激光束、2掩膜、3约束层、4吸收层、5金属薄膜、6下模。
具体实施方式
为更好的阐述本发明的实施细节，下面结合附图对本发明的一种激光冲击微冲裁装置进行详细说明。
本发明的一种激光微冲裁装置，包括激光束1、掩膜2、约束层3、吸收层4、金属薄膜5、下模6，具体动作过程如下：高能脉冲激光束1的一部分辐照在掩膜2的上表面被反射，另一部分透过约束层3，形成特定形状的激光光斑辐照在吸收层4的上表面，吸收层4吸收激光能量在约束层3的约束下产生等离子爆炸，形成冲击波，在该具有特定轮廓冲击波和下模6的作用下，金属薄膜5被掩膜2掩盖的部分保留下来，外围部分被修剪掉，获得一个具有特定形状的平整的微零件。
实施实例一：
本实例中所述的激光束1脉宽为10ns，最高脉冲能量0.2J，聚焦后光斑直径为150μm；掩膜2的材质为铜，厚度为0.5mm，形状为直径为84μm的圆；约束层3为光学玻璃，厚度为0.8mm；吸收层4为厚度为50μm的铝箔；金属薄膜5为厚度为100μm的A304不锈钢薄膜；下模6的材质为T7模具钢，形状为直径为80μm的圆柱体。
采用本发明的一种激光微冲裁装置后，成功地在制备出了大批量高尺寸精度的直径为80μm，高度为100 μm的A304不锈钢微圆柱。
实施实例二：
本实例中所述的激光束1脉宽为10ns，最高脉冲能量0.3J，聚焦后光斑直径为180μm；掩膜2的材质为铜，厚度为0.5mm，形状为边长为92μm的等边三角形；约束层3为透明树脂，厚度为0.8mm；吸收层4为厚度为100μm的黑漆；金属薄膜5为厚度为100μm的H62黄铜；下模6的材质为40Cr模具钢，形状为边长为80μm的三棱柱。
采用本发明的一种激光微冲裁装置后，成功地在制备出了大批量高尺寸精度的直径为80μm，高度为100 μm的H62黄铜微三棱柱。
实施实例三：
本实例中所述的激光束1脉宽为20ns，最高脉冲能量0.8J，聚焦后光斑直径为200μm；掩膜2的材质为铜，厚度为0.5mm，形状为微齿轮，分度圆直径为75μm，齿数为10，模数为7.5；约束层3为透明树脂，厚度为1mm；吸收层4为厚度为100μm的黑漆；金属薄膜5为厚度为80μm的45钢；下模6的材质为20Cr模具钢，形状为微齿轮，其分度圆直径为60μm，齿数为10，模数为6。
采用本发明的一种激光微冲裁装置后，成功地在制备出了大批量高尺寸精度的分度圆直径为60μm，齿数为10，模数为6，高度为80 μm的45钢微齿轮。