一種直線多工位激光沖擊連接金屬薄板的裝置及其方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于激光加工制造及金屬薄板材料變形連接技術(shù)領(lǐng)域，尤其是一種直線多 工位激光沖擊連接金屬薄板的裝置及其方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的快速發(fā)展，科學(xué)技術(shù)發(fā)展的日新月異，先進(jìn)制造理念的推陳 出新，越來(lái)越多具有輕、薄、短、小、多功能特點(diǎn)的微零件產(chǎn)品被廣泛應(yīng)用于航空航天、精密 儀器、生物和醫(yī)療器械、電信電子以及國(guó)防等多個(gè)領(lǐng)域，產(chǎn)品的微型化也成為了工業(yè)制造業(yè) 發(fā)展的一個(gè)重要趨勢(shì)。同時(shí)隨著市場(chǎng)對(duì)微零件品質(zhì)的精益求精，在制作材料的選擇上，也越 來(lái)越傾向于高強(qiáng)度鋼、鋁合金、鎂合金等新型輕量化金屬材料。新型輕量化金屬材料以其品 種、性能的多樣性，廣泛的適用性以及巨大的應(yīng)用潛力，正在為人類社會(huì)的發(fā)展發(fā)揮越來(lái)越 大的作用。然而，傳統(tǒng)的金屬板件連接技術(shù)已經(jīng)無(wú)法滿足應(yīng)用于微零件的新型金屬薄板材 料的發(fā)展需求。解決好應(yīng)用于微零件的兩層或多層、同種或異種新型金屬薄板的連接問(wèn)題， 對(duì)于現(xiàn)代工業(yè)產(chǎn)品的質(zhì)量提高和成本降低至關(guān)重要。
[0003] 申請(qǐng)?zhí)枮?01210284363. 3的中國(guó)專利提出了一種復(fù)合金屬板材焊接方法，依次 經(jīng)過(guò)開(kāi)坡口、預(yù)熱、焊接、冷卻等步驟實(shí)現(xiàn)復(fù)合金屬板材同種金屬間的焊接，其焊接接頭成 型良好、無(wú)焊接缺陷、抗拉強(qiáng)度高，但是這種加工方法能耗高，焊接過(guò)程復(fù)雜導(dǎo)致生產(chǎn)效率 低下，并且容易造成熱應(yīng)力變形，降低了板材的疲勞強(qiáng)度。該方法對(duì)有鍍層的板材、材質(zhì) 相異的板材以及三層以上的多層板材，很難或無(wú)法實(shí)行焊接。申請(qǐng)?zhí)枮?01210070099. 3 的中國(guó)專利提出了一種金屬板材鉚接辦法，包括沖孔和鉚接兩步驟，首先分別在待鉚接的 兩塊板材上沖出一大一小兩個(gè)通孔，然后通過(guò)模具的冷擠壓將上板材的自身材料壓到下 板材的鉚接孔中，從而達(dá)到鉚接兩塊板材的目的。該方法可以實(shí)現(xiàn)異種板材之間的連接， 提高了鉚接點(diǎn)的連接強(qiáng)度，但無(wú)法確保鉚接過(guò)程中兩個(gè)半徑不同的通孔同心放置，而且需 要在兩塊板材上分別沖孔，破壞了連接部位的密封性，同時(shí)也降低了生產(chǎn)效率。申請(qǐng)?zhí)枮?201420428049. 2的中國(guó)專利提出了一種用于薄板變形連接的瓣合式模具，通過(guò)凸模和凹模 的配合，在擠壓過(guò)程中兩塊薄板的材料發(fā)生流動(dòng)，形成一個(gè)相互鑲嵌的內(nèi)鎖結(jié)構(gòu)。該方法解 決了連接部位密封性的問(wèn)題，分瓣模的擴(kuò)展增大了內(nèi)部變形空間，在一定程度上提高了板 材的連接強(qiáng)度，但是微沖頭的制造成本高、難度大，使得該方法難以應(yīng)用于微尺寸下金屬薄 板材料的連接。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中金屬薄板連接存在的上述問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種直線多工位激 光沖擊連接金屬薄板的裝置及其方法，實(shí)現(xiàn)了兩層或多層、同種或異種金屬薄板的變形連 接，本方法無(wú)需在待連接的金屬薄板上預(yù)先沖孔，確保了連接部位的密封性，提高了生產(chǎn)效 率，采用脈沖激光作為能量源，只需要凹模，組合凹模增大了金屬薄板之間的卡結(jié)量，且直 線多工位裝置實(shí)現(xiàn)了金屬薄板間的多點(diǎn)連接，極大地提高了連接強(qiáng)度。
[0005] 本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)目的的。
[0006] -種直線多工位激光沖擊連接金屬薄板的裝置，其特征在于，包括激光發(fā)射系統(tǒng)、 控制系統(tǒng)和變形連接系統(tǒng)；
[0007] 所述激光發(fā)射系統(tǒng)由底座、透鏡支架、可調(diào)聚焦透鏡、反射鏡、脈沖激光器組成；透 鏡支架固定在底座上，可調(diào)聚焦透鏡安裝在透鏡支架上、并位于經(jīng)反射鏡反射后的激光光 路上；
[0008] 所述變形連接系統(tǒng)由壓邊裝置、工件系統(tǒng)、自動(dòng)開(kāi)關(guān)模裝置、組合凹模、直線多工 位裝置、三維移動(dòng)平臺(tái)組成；三維移動(dòng)平臺(tái)置于底座上方；
[0009] 所述直線多工位裝置由載物臺(tái)、圓柱導(dǎo)軌、步進(jìn)電機(jī)、聯(lián)軸器、軸支撐架、轉(zhuǎn)盤(pán)、多 工位分度板、移動(dòng)板組成；載物臺(tái)固定在三維移動(dòng)平臺(tái)中央；兩根圓柱導(dǎo)軌分別固定安裝 在載物臺(tái)的兩側(cè)，每根圓柱導(dǎo)軌上均裝有至少兩個(gè)軸承支承座，軸承支承座與圓柱導(dǎo)軌之 間為間隙配合；移動(dòng)板固定在所述軸承支承座上；多工位分度板固定在移動(dòng)板下表面正中 央；所述多工位分度板上間隔設(shè)置有加 N個(gè)圓弧槽和N+1條矩形槽，其中N多2 ;所述轉(zhuǎn)盤(pán) 由長(zhǎng)銷釘、半圓盤(pán)以及連桿組成，長(zhǎng)銷釘一端和半圓盤(pán)的背面都加工有螺紋孔，連桿的兩端 加工有通孔、中間加工有螺紋孔，長(zhǎng)銷釘和半圓盤(pán)通過(guò)螺釘與連桿兩端的通孔相連、且所述 長(zhǎng)銷釘與半圓盤(pán)圓心的距離與矩形槽到圓形槽圓心的距離相等，長(zhǎng)銷釘?shù)闹睆叫∮诰匦尾?的寬度；轉(zhuǎn)盤(pán)的半圓盤(pán)置于多工位分度板的圓弧槽中、且與圓弧槽相配合；步進(jìn)電機(jī)與軸 支撐架固定安裝在載物臺(tái)上；步進(jìn)電機(jī)通過(guò)聯(lián)軸器與轉(zhuǎn)動(dòng)軸相連，轉(zhuǎn)動(dòng)軸穿過(guò)軸支撐架通 過(guò)連桿中間的螺紋孔與轉(zhuǎn)盤(pán)相連；
[0010] 所述組合凹模由凹?；寄６松w、凹模拉桿組成；凹模基座呈"幾"字形狀，凹 ?；牡撞客ㄟ^(guò)螺釘緊固在移動(dòng)板上，凹?；媳砻骈_(kāi)有兩條平行的凹槽，凹模端蓋 底部設(shè)有兩條平行的導(dǎo)軌，凹模端蓋底部的導(dǎo)軌裝配在凹?；陌疾壑校话寄６松w上表 面開(kāi)有N個(gè)小孔作為上凹模腔，N個(gè)小孔等距分布、且相鄰兩個(gè)小孔之間的距離大于小孔尺 寸，且N個(gè)小孔的中心與多工位分度板上的N個(gè)圓弧槽的的圓心在豎直方向位于同一條直 線上；在凹模端蓋的中央設(shè)有前后相通的矩形槽作為下凹模腔，凹模端蓋兩側(cè)設(shè)有對(duì)稱分 布的凹模拉桿，凹模端蓋由兩塊對(duì)稱的端蓋組件對(duì)接而成，且兩個(gè)凹模拉桿分別位于兩塊 端蓋組件上；
[0011] 所述自動(dòng)開(kāi)關(guān)模裝置由基板、右長(zhǎng)桿、右短桿、銷釘、左短桿、左長(zhǎng)桿、滑塊、單桿雙 作用液壓缸組成；基板固定安裝在移動(dòng)板上，基板的中軸線上加工有銷釘孔和矩形孔，矩形 孔的兩側(cè)內(nèi)壁開(kāi)有滑槽；所述滑塊兩側(cè)設(shè)有厚度小于矩形塊的滑軌，滑塊兩側(cè)的滑軌與基 板上的滑槽進(jìn)行間隙配合；單桿雙作用液壓缸位于基板的矩形孔處、并固定在移動(dòng)板上，單 桿雙作用液壓缸的活塞桿與滑塊相連；銷釘安裝在基板上的銷釘孔內(nèi)，右短桿、左短桿的一 端共同裝在銷釘上，并均可繞銷釘進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)；右長(zhǎng)桿、左長(zhǎng)桿的一端共同鉸接于滑塊上，右 短桿、左短桿的另一端分別鉸鏈于右長(zhǎng)桿、左長(zhǎng)桿上，構(gòu)成一個(gè)平面連桿機(jī)構(gòu)，并且右短桿、 左短桿、右長(zhǎng)桿以及左長(zhǎng)桿構(gòu)成平面連桿機(jī)構(gòu)部分的長(zhǎng)度滿足
，即可使得兩個(gè) 長(zhǎng)連桿的上端沿著水平方向作直線運(yùn)動(dòng)；右長(zhǎng)桿、左長(zhǎng)桿的另一端分別與組合凹模兩端的 凹模拉桿相鉸接；
[0012] 所述工件系統(tǒng)由從上到下依次排列的約束層、吸收層、第一金屬薄板以及第二金 屬薄板組成；工件系統(tǒng)放置在組合凹模上、由固定在移動(dòng)板上的壓邊裝置固定；
[0013] 所述控制系統(tǒng)由激光控制器、計(jì)算機(jī)、液壓控制系統(tǒng)、步進(jìn)電機(jī)控制器、三維移動(dòng) 平臺(tái)控制器組成；所述激光控制器、液壓控制系統(tǒng)、步進(jìn)電機(jī)控制器及三維移動(dòng)平臺(tái)控制器 均與計(jì)算機(jī)相連接；所述激光控制器與脈沖激光器相連接，用于控制脈沖激光器的工作狀 態(tài)；三維移動(dòng)平臺(tái)控制器與三維移動(dòng)平臺(tái)相連，用于控制三維移動(dòng)平臺(tái)作平面移動(dòng)；所述 步進(jìn)電機(jī)控制器與步進(jìn)電機(jī)相連，用于控制步進(jìn)電機(jī)作間歇性正向或反向轉(zhuǎn)動(dòng)；所述液壓 控制系統(tǒng)與單桿雙作用液壓缸相連，用于控制單桿雙作用液壓缸的伸縮。
[0014] 進(jìn)一步地，所述的組合凹模尺寸為5mm' 5mm' 5mm，所述上凹模腔的截面為圓形 或矩形，下凹模腔的橫截面尺寸為3mmX0. 3mm，上下凹模腔相結(jié)合構(gòu)成整體凹模腔。
[0015] 進(jìn)一步地，凹?；媳砻娴陌疾劢孛鏋檠辔残蔚模寄６松w底部的導(dǎo)軌截面為 燕尾形。
[0016] 進(jìn)一步地，所述右長(zhǎng)桿、左長(zhǎng)桿的一端通過(guò)銷釘鉸接于滑塊上，或者鉸接于與所述 滑塊一體的銷軸上。
[0017] 直線多工位激光沖擊連接金屬薄板的方法，具體包括如下步驟：
[0018] S1.將直線多工位裝置中的載物臺(tái)固定安裝在三維移動(dòng)平臺(tái)上，圓柱導(dǎo)軌安裝在 載物臺(tái)的兩側(cè)，步進(jìn)電機(jī)通過(guò)聯(lián)軸器與轉(zhuǎn)動(dòng)軸相連，轉(zhuǎn)動(dòng)軸穿過(guò)軸支撐架與轉(zhuǎn)盤(pán)相連，步進(jìn) 電機(jī)與軸支撐架通過(guò)緊固螺釘安裝在載物臺(tái)上，多工位分度板固定安裝在移動(dòng)板的下表面 正中央，多工位分度板的圓弧槽與轉(zhuǎn)盤(pán)上的半圓盤(pán)相配合，移動(dòng)板固定安裝在圓柱導(dǎo)軌的 軸承支承座上；
[0019] S2.將自動(dòng)開(kāi)關(guān)模裝置中的滑塊與單桿雙作用液壓缸的活塞桿相連后，滑塊裝入 基板上的滑槽中，單桿雙作用液壓缸放置在基板上的矩形孔處，通過(guò)螺紋孔將基板和單桿 雙作用液壓缸固定在直線多工位裝置上，銷釘裝入基板的銷釘孔中，短連桿和長(zhǎng)連桿通過(guò) 鉸鏈相連后，將兩個(gè)短連桿的一端共同與銷釘相連，兩個(gè)長(zhǎng)連桿的一端共同與滑塊鉸接；將 組合凹模固定安裝在直線多工位裝置上，自動(dòng)開(kāi)關(guān)模裝置中兩個(gè)長(zhǎng)連桿的上端通過(guò)鉸鏈與 組合凹模中的凹模拉桿相連；
[0020] S3.工件系統(tǒng)放在組合凹模上，壓邊裝置對(duì)工件系統(tǒng)施加壓邊力；將激光控制器、 液壓控制系統(tǒng)、步進(jìn)電機(jī)控制器及三維移動(dòng)平臺(tái)控制器均與計(jì)算機(jī)相連接；通過(guò)計(jì)算機(jī)控 制步進(jìn)電機(jī)控制器，步進(jìn)電機(jī)控制器控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)所述轉(zhuǎn)盤(pán)在圓