一種醫(yī)用鈦合金板的激光沖擊微成形裝置及其微成形工藝的制作方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種金屬材料的激光沖擊微成形裝置及其微成形工藝，尤其涉及一種適于醫(yī)用鈦合金板的激光沖擊微成形裝置及其微成形工藝。
【背景技術】
[0002]近年來，各種生物醫(yī)學材料得到了廣泛的開發(fā)和應用，特別是鈦合金在生物醫(yī)學領域中的研宄和應用明顯增多。鈦合金具有較高的強度和韌性，適用于硬組織的修復和固定。其中，鈦合金T1-6A1-4V(TC4)因其具有優(yōu)越的耐蝕性、高比強度和良好的生物相容性、適于植入等特點而廣泛用于生物醫(yī)學領域。
[0003]但是，鈦合金材料本身的其表面硬度低、耐磨性差。而且，一旦鈦合金產品的耐腐蝕性能不高，經過腐蝕后的鈦合金，其含有的釩將以離子形式進入人體，進而引發(fā)炎癥。因此，往往需要借助于表面改性等技術手段，以提高其產品的耐腐蝕性能，以滿足醫(yī)學領域的應用需要。
[0004]中國專利申請CN1128689C公開了一種激光沖擊精密成形方法及裝置，其利用強脈沖激光束沖擊工件表面柔性貼膜，使其表層氣化電離并形成沖擊波，由于產生的沖擊波壓力峰值超過材料的動態(tài)屈服強度，從而使工件材料塑性變形。
[0005]上述技術方案為金屬塑性成形提供了一個很好的技術思路，但其也存在諸多的不足之處，例如:
[0006]1、其激光沖擊成形過程中，沖擊力呈高斯分布，不可避免地，將造成成形不均勻，進而影響材料表面的加工精度與一致性；
[0007]2、實際上，在激光沖擊成形過程中，各沖擊點位置的材料變形量必然存在一定程度的差異，而上述技術方案的激光沖擊成形過程中，其激光強度始終不變，這進一步制約了其成形精度的可靠性與穩(wěn)定性。

【發(fā)明內容】

[0008]本發(fā)明的目的之一是提供一種適于醫(yī)用鈦合金板微米級加工成形，加工成形質量穩(wěn)定可靠，加工成后的鈦合金表面耐磨性可以得到提高的醫(yī)用鈦合金板的激光沖擊微成形
目.ο
[0009]本發(fā)明為實現(xiàn)上述目的采用的技術方案是，一種醫(yī)用鈦合金板的激光沖擊微成形裝置，包括計算機、數(shù)控工作臺、激光器、光路引導系統(tǒng)和凹?？偝?；其中:
[0010]數(shù)控工作臺安裝在壓力機的工作臺上，與壓力機工作臺成可滑動連接，沿設置在壓力機工作臺上的滑軌移動，數(shù)控工作臺上還設置有夾具；
[0011]所述凹?？偝砂▔哼叞搴桶寄１倔w；
[0012]所述光路引導系統(tǒng)包括三棱鏡、準直器、激光沖擊頭和聚焦鏡；
[0013]所述激光器設置在所述凹模本體的正上方，用于發(fā)射激光束，該激光束進入光路引導系統(tǒng)，先后經第一三棱鏡、準直器進入激光沖擊頭，安裝在激光沖擊頭內的第二三棱鏡將入射激光束反射、再經聚焦鏡聚焦，射入凹模中，用于激光沖擊微成形；其中，激光沖擊頭的方位可圍繞所述凹模進行前后左右與上下方位的任意調節(jié)；
[0014]所述計算機為激光沖擊微成形裝置的控制中心，用于控制激光器所發(fā)射的激光束功率密度的大小以及控制激光沖擊頭和數(shù)控工作臺移動；
[0015]其特征在于，還包括有一檢測系統(tǒng)，所述檢測系統(tǒng)包括同步加速輻射光源、探測器、脈沖放大器、脈沖高度分析器和計數(shù)器；
[0016]所述同步加速輻射光源與探測器一左一右分別設置在所述凹模本體兩側的上方位置處，分別作為檢測用激光的發(fā)射裝置與接收裝置；
[0017]所述探測器通過數(shù)據線依次將脈沖放大器、脈沖高度分析器、計數(shù)器串聯(lián)連接，并最終與所述計算機通訊連接；
[0018]由所述計算機通過對所述檢測系統(tǒng)輸送來的信號進行運算分析，并依據運算分析結果對激光器所發(fā)射的激光束功率密度大小適時進行動態(tài)調整，以使激光沖擊微成形的工作狀態(tài)始終處于理想狀態(tài)；
[0019]上述激光沖擊微成形裝置工作時，待微成形的鈦合金板放置在所述凹模上，所述鈦合金板的待加工面上噴涂有一層厚度為30-60 μ m的黑漆，該黑漆層朝上，其上面再加蓋上一塊1.5-2mm厚的用作約束層的透明材質制成的板片；所述板片的尺寸大于或者等于所述鈦合金板的尺寸，所述板片將所述鈦合金板的待加工面整體覆蓋??；
[0020]上述鈦合金板和約束層由所述壓邊板壓住，將所述凹?？偝山M裝好，組裝好的凹?？偝赏ㄟ^夾具夾持、固定在所述數(shù)控工作臺上。
[0021]上述技術方案直接帶來的技術效果是，通過在現(xiàn)有技術的激光沖擊微成形裝置基礎上，通過增加檢測系統(tǒng)、在待微成形的鈦合金板上噴涂黑漆層(作為吸收層)，以及在待微成形的鈦合金板上加蓋一層透明材質制成的板片作為吸收層等系列技術手段，使其適用于醫(yī)用鈦合金板的微成形加工，并實現(xiàn)了鈦合金板的微米級甚至是亞微米級的微成形，其微成形質量的穩(wěn)定、可靠、精度高。
[0022]為更好地理解上述技術特點，現(xiàn)簡要分析、闡明如下:
[0023]1、上述技術方案中，通過在待微成形的鈦合金板表面上噴涂形成一層30-60微米厚的黑漆層，利用該黑漆層作為吸收層，使得激光沖擊波在吸收層產生的等離子體，以對激光熱效應進行屏蔽，從而有效避免了對加工工作面的熱損傷，并且能夠增加沖擊波的壓力峰值。
[0024]2、增設約束層的目的是，如前所述的吸收層受到激光誘導產生高溫高壓的等離子體，等離子體急劇膨脹爆炸將產生強沖擊波，通過該約束層可以將等離子體急劇膨脹爆炸產生的強沖擊波阻擋住，形成反向沖擊波，產生高達GPa數(shù)量級的壓力，該反向沖擊波壓向工件表層及內部組織(當該反向沖擊波產生的壓力超過工件的動態(tài)屈服極限值時，就會在材料表面產生塑性變形)；
[0025]更為重要的是，這種集鈦合金板微成形與對鈦合金板表面強化于一體的復合成形技術，不僅保證了微成形的質量，而且在微成形后鈦合金板材料表面能夠形成殘余壓應力層，并使得鈦合金板的表面微觀組織均勻和細化，從而大幅提高微成形后的鈦合金板表面的耐磨性、耐腐蝕性和疲勞壽命。
[0026]不難看出，上述之I和2，正是本發(fā)明在現(xiàn)有技術裝置的基礎上，實現(xiàn)對醫(yī)用鈦合金板微成形的技術關鍵。
[0027]3、上述技術方案中，通過增設檢測系統(tǒng)并與計算機通訊連接這一技術手段的運用，以使激光沖擊微成形裝置在微成形過程中，由計算機通過對檢測系統(tǒng)輸送來的信號進行運算分析，并依據運算分析對激光器所發(fā)射的激光束功率密度大小適時進行動態(tài)調整，以使激光沖擊微成形的工作狀態(tài)始終處于理想狀態(tài)，從而保證了激光沖擊微成形質量的穩(wěn)定與可靠。具體檢測過程與計算機控制下的適時動態(tài)調整為:
[0028]在逐點沖擊加工成形過程中，檢測系統(tǒng)通過同步加速輻射光源發(fā)出的入射激光束投射到鈦合金板的表面上，由探測器接收反射激光，并轉換為電脈沖，電脈沖經過放大器放大后進入脈沖高度分析器中，并轉換為信號脈沖，信號脈沖發(fā)送至計數(shù)器中后，再送入計算機中進行誤差和參數(shù)修正的運算分析；經計算機運算分析結果，將工件表面入射激光點的分析結果與該點理論變形值進行比對，根據比對結果，分析得出下一次加工該點位置的所需激光沖擊能量值，并控制激光器加工下一個點位置所需發(fā)出的激光束能量值，同時，計算機控制數(shù)控工作臺和激光沖擊頭移動到下一個沖擊點位置，進行該點的沖擊成形。
[0029]可以看出，上述之3，確保了醫(yī)用鈦合金板的微成形加工質量的穩(wěn)定性