微冲击装置及激光诱导空泡微冲击强化方法

技术领域

本发明涉及金属加工技术领域，特别是微冲击装置及激光诱导空泡微冲击强化方法。

背景技术

微细零件在微流控芯片、微机电系统(MEMS)等领域广泛使用，光刻加工、电子束刻蚀、离子刻蚀、微冲压等方法是微细零件加工的常用方法，其中微冲击强化技术以其成形提高材料性能高等特点备受关注。然而传统的冲击强化技术需要用到玻璃约束层、牺牲层，而玻璃约束层受到激光作用后会发生破裂或烧蚀，牺牲层也只能一次性使用，这些局限性导致激光微冲击强化加工只能进行单次冲压，无法实现多脉冲连续冲击强化。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供微冲击装置及激光诱导空泡微冲击强化方法，以解决现有技术中所存在的一个或多个技术问题，至少提供一种有益的选择或创造条件。

本发明解决其技术问题的解决方案是：

微冲击装置，包括：

夹具；

垫板，垫板安装于夹具；

引导块，引导块安装于夹具，垫板与引导块之间形成有工件放置区，引导块设有液体介质槽和引导孔，引导孔的两端与液体介质槽以及工件放置区相连通；

激光发生装置，激光发生装置的焦点落于液体介质槽内。

通过上述技术方案，工件安装于工件放置区内，激光发生装置工作，使得激光在液体介质槽内聚焦，激光瞬间将焦点处的液体介质击穿形成等离子体，等离子体迅速向外膨胀形成空泡并向四周辐射冲击波，冲击波通过引导孔传递至工件上，从而对工件进行冲击强化。

本发明展示的微冲击强化方法有别于以往的激光冲击强化技术，该方法中激光不再直接烧蚀牺牲层，而是利用激光聚焦于水中导引孔上方，利用焦点处产生的等离子体冲击波和空泡溃灭微射流等作用，对工件进行微冲击强化加工，实现冲击强化。并且由于不存在传统冲击强化玻璃及牺牲层烧蚀问题，同时液体介质代替玻璃形成柔性约束层而不被激光破坏，这样无需更换约束层，无需增加牺牲层便可再次进行冲击强化，使得微冲击装置可对工件进行多次连续冲击强化。

作为上述技术方案的进一步改进，引导孔呈圆柱孔结构。

通过上述技术方案，圆柱孔结构的引导孔用于对工件进行一般冲击强化。

作为上述技术方案的进一步改进，引导孔呈台状孔结构，引导孔的直径自液体介质槽至工件放置区逐渐增大。

通过上述技术方案，可增大冲击强化的作用面积。

作为上述技术方案的进一步改进，引导孔呈台状孔结构，引导孔的直径自液体介质槽至工件放置区逐渐减小。

通过上述技术方案，得激光空泡冲击波的作用区域面积更小，有利于激光空泡微细冲击强化精度的提高。

激光诱导空泡微冲击强化方法，使用如上述任一项的微冲击装置，微冲击强化方法具有如下步骤：

步骤a、将工件放置于工件放置区内，并使得引导块以及垫板均与工件紧密抵接；

步骤b、在液体介质槽内注入液体介质；

步骤c、激光发生装置工作，使激光聚焦于液体介质内部；

步骤d、激光发生装置多次工作，对工件进行多次微冲击强化。

通过上述技术方案，液体介质代替玻璃形成柔性约束层而不被激光破坏，这样无需更换约束层，无需增加牺牲层便可再次进行冲击强化，使得微冲击装置可对工件进行多次连续冲击强化。

作为上述技术方案的进一步改进，激光发生装置产生的激光的焦点位于液体介质槽靠近引导孔的一端。

通过上述技术方案，将激光的焦点设置于液体介质槽靠近引导孔的一端，使得冲击波能极大程度上被引导孔所引导，可提高能量利用率。

作为上述技术方案的进一步改进，当需要对工件进行一般冲击强化时，使用如上述第二项的微冲击装置。

作为上述技术方案的进一步改进，当需要提高对于工件的冲击强化效率时，使用如上述第三项的微冲击装置。

作为上述技术方案的进一步改进，当需要提高对于工件的冲击强化精度时，使用如上述第一项的微冲击装置。

本发明的有益效果是：无需更换约束层，无需增加牺牲层便可再次进行冲击强化，使得微冲击装置可对工件进行多次连续冲击强化。

本发明用于金属加工技术领域。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单说明。显然，所描述的附图只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他设计方案和附图。

图1是本发明实施例一的整体结构示意图；

图2是本发明实施例二的整体结构示意图；

图3是本发明实施例三的整体结构示意图。

图中，100、夹具；200、垫板；300、引导块；310、引导孔；320、液体介质槽。

具体实施方式

以下将结合实施例和附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果进行清楚、完整地描述，以充分地理解本发明的目的、特征和效果。显然，所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明的实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本发明保护的范围。另外，文中所提到的所有联接/连接关系，并非单指构件直接相接，而是指可根据具体实施情况，通过添加或减少联接辅件，来组成更优的联接结构。本发明创造中的各个技术特征，在不互相矛盾冲突的前提下可以交互组合。

在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。

本发明提出了激光空泡微冲击强化的新方法，将空泡引入激光微冲击强化领域，将单次冲击强化转变成多次冲击强化，利用圆柱、喇叭形导引孔导引空泡冲击波和射流实现工件的冲击强化。

实施例一：

参照图1，微冲击装置，包括夹具100、垫板200、引导块300和激光发生装置。

夹具100、垫板200、引导块300等结构组成用于放置工件的模具。垫板200和引导块300均安装于夹具100。垫板200和引导块300均通过固定装置与夹具100固定。垫板200设置于引导块300的下方。引导块300与垫板200之间的空间设为工件放置区，工件放置区用于放置工件。

引导块300开设有引导孔310和液体介质槽320，液体介质槽320设置于引导孔310的上方，引导孔310的上端和液体介质槽320相互连通，并且引导孔310的下端与工件放置区相连通。液体介质槽320用于盛放液体介质，在本实施例中，液体介质设置为蒸馏水。

在本实施例中，引导孔310设置为圆柱孔状结构，引导孔310沿上下方向贯穿引导块300。

在使用前，先将垫板200放置于夹具100，随后通过工作人员人工或通过机械结构自动将工件放置于工件放置区内，随后将引导块300安装于夹具100，将工件通过引导块300和垫板200夹紧。紧接着往引导块300注入蒸馏水，使得蒸馏水填满液体介质槽320以及引导孔310。紧接着激光发生装置工作，使得激光在引导孔310上方附近聚焦，蒸馏水作为约束层和空泡生成的介质，激光瞬间将焦点处的液体介质击穿形成等离子体，等离子体迅速向外膨胀形成空泡，空泡持续膨胀达到最大泡径后将开始收缩，由于空泡靠近载体壁面附近，空泡上下的流场状况不对称，导致空泡收缩过程中远离载体壁面侧出现塌陷，在收缩的末期还会生成指向载体壁面的高速射流和溃灭冲击波，冲击波通过引导孔310传递至工件上，从而实现工件的一般冲击强化。

本发明的关键点和欲保护点是：利用激光空化作为微冲击强化的推动力，对工件进行冲击强化加工，实现零件的精密加工。

本发明展示的微冲击强化方法有别于以往的激光冲击强化技术，该方法中激光不再直接烧蚀牺牲层，而是利用激光聚焦于水中导引孔上方，利用焦点处产生的等离子体冲击波和空泡溃灭微射流等作用，对工件进行微冲击强化加工，实现冲击强化。并且由于不存在传统冲击强化玻璃及牺牲层烧蚀问题，同时蒸馏水代替玻璃形成柔性约束层而不被激光破坏，这样无需更换约束层，无需增加牺牲层便可再次进行冲击强化，多脉冲连续冲击强化便成为可能。激光诱导空泡微冲击强化加工方法主要优点在于：能够形成局部巨大压力，从而能够轻易的对工件进行冲击强化加工。并且可以对工件进行多次加工。

实施例二：

参照图2，与实施例一不同的是，在本实施例中，引导孔310的形状设置为圆台状(即喇叭状)，引导孔310的直径自上而下逐渐增大，即引导孔310的上端孔口较小、下端孔口较大，通过设置圆台状的引导孔310，有利于对空泡冲击形成约束作用，有利于冲击波对工件冲击强化效率的提高，并且可增大冲击强化的作用面积。

实施例三：

参照图3，与实施例一不同的是，在本实施例中，引导孔310的形状设置为圆台状(即喇叭状)，并且与实施例二不同的是，本实施例的引导孔310的直径自上而下逐渐减小，即引导孔310的上端孔口较大、下端孔口较小，使得冲击波在向下传递的过程中逐渐收敛，使得激光空泡冲击波的作用区域面积更小，有利于激光空泡微细冲击强化精度的提高。

激光诱导空泡微冲击强化方法，采用上述实施例一至实施例三任一项的微冲击装置，激光诱导空泡微冲击强化方法包括如下步骤：

步骤a、将工件放置于工件放置区内；

步骤b、在液体介质槽320内注入液体介质；

步骤c、激光发生装置工作，使激光聚焦于液体介质内部，激光瞬间将焦点处的液体介质击穿形成等离子体，等离子体迅速向外膨胀形成空泡并向四周辐射冲击波，冲击波通过引导块300下部的引导孔310传递至工件，以对工件进行表面微冲击强化；

步骤d、激光发生装置依程序设定工作指定次数，以对工件进行多次微冲击强化。

特别需要注意的是，当需要对工件进行一般冲击强化时，使用实施例一的技术方案，以使得引导孔310的形状为圆柱孔状结构；当需要提高对于工件的冲击强化效率时，使用实施例二的技术方案，以使得引导孔310的形状为上端孔口较小、下端孔口较大的喇叭状结构；当需要提高对于工件的冲击强化精度时，使用实施例三的技术方案，以使得引导孔310的形状为上端孔口较大、下端孔口较小的喇叭状结构。

该方法利用激光聚焦于水中形成空泡，利用导引孔310(圆柱孔、喇叭孔等)，导引空泡的冲击波作用力作用到工作区域，并利用导引孔的封闭或扩散作用对工件形成冲击强化效果。

以上对本发明的较佳实施方式进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可作出种种的等同变型或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。