一种直线多工位激光冲击连接金属薄板的装置及其方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于激光加工制造及金属薄板材料变形连接技术领域，尤其是一种直线多 工位激光冲击连接金属薄板的装置及其方法。
【背景技术】
[0002] 随着现代工业技术的快速发展，科学技术发展的日新月异，先进制造理念的推陈 出新，越来越多具有轻、薄、短、小、多功能特点的微零件产品被广泛应用于航空航天、精密 仪器、生物和医疗器械、电信电子以及国防等多个领域，产品的微型化也成为了工业制造业 发展的一个重要趋势。同时随着市场对微零件品质的精益求精，在制作材料的选择上，也越 来越倾向于高强度钢、铝合金、镁合金等新型轻量化金属材料。新型轻量化金属材料以其品 种、性能的多样性，广泛的适用性以及巨大的应用潜力，正在为人类社会的发展发挥越来越 大的作用。然而，传统的金属板件连接技术已经无法满足应用于微零件的新型金属薄板材 料的发展需求。解决好应用于微零件的两层或多层、同种或异种新型金属薄板的连接问题， 对于现代工业产品的质量提高和成本降低至关重要。
[0003] 申请号为201210284363. 3的中国专利提出了一种复合金属板材焊接方法，依次 经过开坡口、预热、焊接、冷却等步骤实现复合金属板材同种金属间的焊接，其焊接接头成 型良好、无焊接缺陷、抗拉强度高，但是这种加工方法能耗高，焊接过程复杂导致生产效率 低下，并且容易造成热应力变形，降低了板材的疲劳强度。该方法对有镀层的板材、材质 相异的板材以及三层以上的多层板材，很难或无法实行焊接。申请号为201210070099. 3 的中国专利提出了一种金属板材铆接办法，包括冲孔和铆接两步骤，首先分别在待铆接的 两块板材上冲出一大一小两个通孔，然后通过模具的冷挤压将上板材的自身材料压到下 板材的铆接孔中，从而达到铆接两块板材的目的。该方法可以实现异种板材之间的连接， 提高了铆接点的连接强度，但无法确保铆接过程中两个半径不同的通孔同心放置，而且需 要在两块板材上分别冲孔，破坏了连接部位的密封性，同时也降低了生产效率。申请号为 201420428049. 2的中国专利提出了一种用于薄板变形连接的瓣合式模具，通过凸模和凹模 的配合，在挤压过程中两块薄板的材料发生流动，形成一个相互镶嵌的内锁结构。该方法解 决了连接部位密封性的问题，分瓣模的扩展增大了内部变形空间，在一定程度上提高了板 材的连接强度，但是微冲头的制造成本高、难度大，使得该方法难以应用于微尺寸下金属薄 板材料的连接。
【发明内容】
[0004] 针对现有技术中金属薄板连接存在的上述问题，本发明提供了一种直线多工位激 光冲击连接金属薄板的装置及其方法，实现了两层或多层、同种或异种金属薄板的变形连 接，本方法无需在待连接的金属薄板上预先冲孔，确保了连接部位的密封性，提高了生产效 率，采用脉冲激光作为能量源，只需要凹模，组合凹模增大了金属薄板之间的卡结量，且直 线多工位装置实现了金属薄板间的多点连接，极大地提高了连接强度。
[0005] 本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
[0006] -种直线多工位激光冲击连接金属薄板的装置，其特征在于，包括激光发射系统、 控制系统和变形连接系统；
[0007] 所述激光发射系统由底座、透镜支架、可调聚焦透镜、反射镜、脉冲激光器组成；透 镜支架固定在底座上，可调聚焦透镜安装在透镜支架上、并位于经反射镜反射后的激光光 路上；
[0008] 所述变形连接系统由压边装置、工件系统、自动开关模装置、组合凹模、直线多工 位装置、三维移动平台组成；三维移动平台置于底座上方；
[0009] 所述直线多工位装置由载物台、圆柱导轨、步进电机、联轴器、轴支撑架、转盘、多 工位分度板、移动板组成；载物台固定在三维移动平台中央；两根圆柱导轨分别固定安装 在载物台的两侧，每根圆柱导轨上均装有至少两个轴承支承座，轴承支承座与圆柱导轨之 间为间隙配合；移动板固定在所述轴承支承座上；多工位分度板固定在移动板下表面正中 央；所述多工位分度板上间隔设置有加 N个圆弧槽和N+1条矩形槽，其中N多2 ;所述转盘 由长销钉、半圆盘以及连杆组成，长销钉一端和半圆盘的背面都加工有螺纹孔，连杆的两端 加工有通孔、中间加工有螺纹孔，长销钉和半圆盘通过螺钉与连杆两端的通孔相连、且所述 长销钉与半圆盘圆心的距离与矩形槽到圆形槽圆心的距离相等，长销钉的直径小于矩形槽 的宽度；转盘的半圆盘置于多工位分度板的圆弧槽中、且与圆弧槽相配合；步进电机与轴 支撑架固定安装在载物台上；步进电机通过联轴器与转动轴相连，转动轴穿过轴支撑架通 过连杆中间的螺纹孔与转盘相连；
[0010] 所述组合凹模由凹模基座、凹模端盖、凹模拉杆组成；凹模基座呈"几"字形状，凹 模基座的底部通过螺钉紧固在移动板上，凹模基座上表面开有两条平行的凹槽，凹模端盖 底部设有两条平行的导轨，凹模端盖底部的导轨装配在凹模基座的凹槽中；凹模端盖上表 面开有N个小孔作为上凹模腔，N个小孔等距分布、且相邻两个小孔之间的距离大于小孔尺 寸，且N个小孔的中心与多工位分度板上的N个圆弧槽的的圆心在竖直方向位于同一条直 线上；在凹模端盖的中央设有前后相通的矩形槽作为下凹模腔，凹模端盖两侧设有对称分 布的凹模拉杆，凹模端盖由两块对称的端盖组件对接而成，且两个凹模拉杆分别位于两块 端盖组件上；
[0011] 所述自动开关模装置由基板、右长杆、右短杆、销钉、左短杆、左长杆、滑块、单杆双 作用液压缸组成；基板固定安装在移动板上，基板的中轴线上加工有销钉孔和矩形孔，矩形 孔的两侧内壁开有滑槽；所述滑块两侧设有厚度小于矩形块的滑轨，滑块两侧的滑轨与基 板上的滑槽进行间隙配合；单杆双作用液压缸位于基板的矩形孔处、并固定在移动板上，单 杆双作用液压缸的活塞杆与滑块相连；销钉安装在基板上的销钉孔内，右短杆、左短杆的一 端共同装在销钉上，并均可绕销钉进行转动；右长杆、左长杆的一端共同铰接于滑块上，右 短杆、左短杆的另一端分别铰链于右长杆、左长杆上，构成一个平面连杆机构，并且右短杆、 左短杆、右长杆以及左长杆构成平面连杆机构部分的长度满足
，即可使得两个 长连杆的上端沿着水平方向作直线运动；右长杆、左长杆的另一端分别与组合凹模两端的 凹模拉杆相铰接；
[0012] 所述工件系统由从上到下依次排列的约束层、吸收层、第一金属薄板以及第二金 属薄板组成；工件系统放置在组合凹模上、由固定在移动板上的压边装置固定；
[0013] 所述控制系统由激光控制器、计算机、液压控制系统、步进电机控制器、三维移动 平台控制器组成；所述激光控制器、液压控制系统、步进电机控制器及三维移动平台控制器 均与计算机相连接；所述激光控制器与脉冲激光器相连接，用于控制脉冲激光器的工作状 态；三维移动平台控制器与三维移动平台相连，用于控制三维移动平台作平面移动；所述 步进电机控制器与步进电机相连，用于控制步进电机作间歇性正向或反向转动；所述液压 控制系统与单杆双作用液压缸相连，用于控制单杆双作用液压缸的伸缩。
[0014] 进一步地，所述的组合凹模尺寸为5mm' 5mm' 5mm，所述上凹模腔的截面为圆形 或矩形，下凹模腔的横截面尺寸为3mmX0. 3mm，上下凹模腔相结合构成整体凹模腔。
[0015] 进一步地，凹模基座上表面的凹槽截面为燕尾形的，凹模端盖底部的导轨截面为 燕尾形。
[0016] 进一步地，所述右长杆、左长杆的一端通过销钉铰接于滑块上，或者铰接于与所述 滑块一体的销轴上。
[0017] 直线多工位激光冲击连接金属薄板的方法，具体包括如下步骤：
[0018] S1.将直线多工位装置中的载物台固定安装在三维移动平台上，圆柱导轨安装在 载物台的两侧，步进电机通过联轴器与转动轴相连，转动轴穿过轴支撑架与转盘相连，步进 电机与轴支撑架通过紧固螺钉安装在载物台上，多工位分度板固定安装在移动板的下表面 正中央，多工位分度板的圆弧槽与转盘上的半圆盘相配合，移动板固定安装在圆柱导轨的 轴承支承座上；
[0019] S2.将自动开关模装置中的滑块与单杆双作用液压缸的活塞杆相连后，滑块装入 基板上的滑槽中，单杆双作用液压缸放置在基板上的矩形孔处，通过螺纹孔将基板和单杆 双作用液压缸固定在直线多工位装置上，销钉装入基板的销钉孔中，短连杆和长连杆通过 铰链相连后，将两个短连杆的一端共同与销钉相连，两个长连杆的一端共同与滑块铰接；将 组合凹模固定安装在直线多工位装置上，自动开关模装置中两个长连杆的上端通过铰链与 组合凹模中的凹模拉杆相连；
[0020] S3.工件系统放在组合凹模上，压边装置对工件系统施加压边力；将激光控制器、 液压控制系统、步进电机控制器及三维移动平台控制器均与计算机相连接；通过计算机控 制步进电机控制器，步进电机控制器控制步进电机转动，带动所述转盘在圆