CN103143621A

CN103143621A - 一种激光数字化柔性成形方法及装置

Info

Publication number: CN103143621A
Application number: CN 201110402459
Authority: CN
Inventors: 丁华; 周明; 蔡兰; 狄建科
Original assignee: Jiangsu University
Current assignee: Jiangsu University
Priority date: 2011-12-07
Filing date: 2011-12-07
Publication date: 2013-06-12

Abstract

本发明涉及一种激光数字化柔性成形方法，通过成形板件进行数字化设计，把板料分成若干个功能区域，成形由应力激发装置产生应力分布，通过设计应力分布形态，并通过应力释放进行成形。一种激光数字化柔性成型装置，由激光器，控制臂，控制***组成；激光器发出激光束通过光导纤维传输到工件表面，并有机械手臂进行位置控制，约束层***也通过机械手臂进行位置控制，把水喷淋到工件表面光斑辐射位置，形成约束层，通过对激光强度，光斑、叠合率的控制可在各功能区域形成设计所需的应力分布。本发明能对大型结构件进行数字化成形设计和成形加工，该成形方法具有精度高、热影响小和非接触特性，能对板料进行大曲率的成形。

Description

一种激光数字化柔性成形方法及装置

技术领域

本发明涉及机械制造领域，特别涉及一种利用激光冲击实现应力分布进行成形的激光数字化柔性成形方法及装置，适用于金属板料的成形，特别适用于大型结构件的大区率精密成形。

背景技术

金属板料零件的加工和使用过程中，普遍存在着因材料性质、毛坯初始应力状态、加工工艺、零件的几何结构和使用条件等因素的相互作用而产生的变形问题。由于变形控制的研究刚刚起步，短期内还很难将所有工件的制造精度均控制在设计精度范围之内。国内外对板料变形成正问题，尤其是大厚度、高精度板料成形的研究技术研究较少。

目前金属板料的成形方法主要有热成形、时效应力成形和压力成形。最常见的是热成形和压力成形，热成形缺点是对零件组织有热影响，压力成形与工件表面接触，精度难以控制。

机械喷丸成形方法可以采用固溶热处理状态的板材进行加工，它对零件几何尺寸变化的适应性好。适合于大中型结构件的双曲率成形。

球面或双曲型面变形趋势通常是金属板件喷丸成形时的一大显著特点。但是，实际喷丸板件外形，如机翼整体壁板蒙皮等往往是以直纹面为主或大部分区域为直纹面，要求在喷丸成形这类板件时，限制其喷丸型面的球面或双曲面变形趋势，只产生单曲或以单曲为主的外型面。

为此，国外学者提出了沿机翼整体壁板蒙皮等百分线，一窄条、一窄条地逐条喷丸成形的方法。该方法弹坑集中分布在以等百分线为中心线的喷丸条带上，相邻两个喷丸条带之间的间隔区(两个喷丸条带之间的非喷丸条带区)内只有很稀疏的弹坑或几乎没有弹坑，甚至借助工艺措施可以使间隔区域上不被弹丸撞击。喷丸变形主要集中在喷丸条带上，间隔区上只有很小甚至没有变形。由于间隔区的存在，在相当程度上限制了壁板沿等百分线方向上的喷丸变形，因而限制了壁板在喷丸成形时的球面或双曲型面变形趋势。该方法具有操作简便、使用灵活、效果可控等优点，在国外已经做为减小或限制喷丸型面球面或双曲型面变形趋势的一种有效工艺手段，被用于大型机翼整体壁板蒙皮等板件的成形。

但是由于机械喷丸的金属弹丸的金属残留问题，即喷丸区精确控制比较困难，所以需要研究出相应的方法来解决。

发明内容

为了解决针对大型结构件进行小曲率精密成形的难题，本发明根据应力成形的理论，以激光诱导应力为应力产生装置，提供一种激光数字化柔性成形方法及装置，特别对于大型结构件的精密成形的方法及装置，能够实现凸面和凹面两种情况精密的成形，能解决传统机械喷丸成形金属弹丸在工件表面的残留问题。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种激光数字化柔性成形方法，其特征在于，具体步骤为：

A)把激光条状冲击区域看作为初应力作用的区域，作用效果由加载区域的宽度、应力大小和应力深度三个参数决定，其中应力区域的宽度可以用光斑直径来表示，在模型加载过程中可以假设应力的深度不变，通过应力值大小变化来表示实际激光冲击变形量的大小，采用等效初应力载荷的静态分析方法，把激光冲击工艺参数等效成初应力载荷的大小，建立分析激光冲击作用变形量的有限元模型，可以对板料的激光变形问题进行分析，并且通过试验对模型进行验证，为成形工艺参数的计算奠定基础；

B)通过仿真方法建立等效应力与变形之间的关系，使得等效应力与变形量一一对应；

C)通过试验建立试验参数与变形之间的关系库，即激光参数与变形量之间的一一对应关系；

D)进而得到试验参数与等效应力的联系；

E)在有限院模型中，以等效应力为变量，校形量为计算目标，优化计算成形需要的等效应力和最佳冲击区域分布；

F)根据等效应力与工艺参数的对应关系可得到成形工艺参数，根据成形工艺参数和光斑分布路径，设置激光器参数和二维移动工作台参数，进行校形。

G)根据成形工艺参数和光斑分布路径，设置激光器参数和控制臂的移动参数，进行成形。

作为本发明的优选技术方案，所述脉冲激光形成能量密度在1GW/cm²以上

一种激光数字化柔性成形装置，所述装置包括工件、控制臂、水管、光导纤维、激光器、计算机、激光束、水约束层以及夹具；所述工件通过夹具夹持，所述激光器发出激光束通过光导纤维到达工件表面，水流喷嘴的指向平行于激光头，所述水管连接水流喷嘴，水垂直流到工件表面，并在工件表面激光冲击区域形成厚度6-8mm的水约束层，所述计算机通讯端口控制控制制臂的移动，控制臂带动水流喷嘴和激光束的移动。

优选的，所述激光器为短脉冲激光器，脉宽1-50ns。

本发明带来的有益效果是：

1、成形精度高：单次激光冲击，形成的残余应力区域非常微小，几乎不能产生宏观变形，只有通过大量激光冲击才能形成冲击区域，形成宏观变形。所以通过控制脉冲的数量和冲击位置，可以非常精确的控制成形形状。

2、可以实现双向成形：激光冲击成形通过控制激光束的能量密度，可以实现凸面和凹面双向成形，即可以“拉”又可以“压”。

3、非接触成形：激光冲击成形过程中，只有激光压力波跟工件表面作用，属于非接触成形，没有任何残留，成形后的后处理工作简单。

4、可以对难成形材料进行成形：激光冲击可以适合于多种材料的成形，适用范围广。

附图简述

图1为本发明所述方法框架图

图2为激光冲击精密成形形装置示意图

图3为激光作用区域的示意图

图4为激光冲击平板冲击区设计示意图

图5为激光冲击平板双曲率弯曲的成形示意图

图中标号为：

1-工件 2-控制臂 3-水管

4-光导纤维 5-激光器 6-计算机

7-激光束 8-水约束层 9-夹具

10-冲击区域 11-等离子体。

具体实施方式

下面对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

如图1所示，一种激光冲击精密成形方法，基于应力分布的成形原理，利用激光冲击作为应力激发装置，提出了基于高性能激光冲击精密成形技术，它直接利用强脉冲激光束(功率密度大于1GW/cm²)冲击工件表面，使其表层气化电离并形成冲击波，由于金属板料表面水约束层的作用，激光冲击产生的冲击波压力峰值超过材料动态屈服强度，这使成形材料发生明显塑性变形，局部冲击区不产生明显塑性变形而只是板料的宏观材料变形，然后通过逐点冲击和有序的冲击区域的分布获得大面积复杂形状。

可根据不同厚度的金属板料，合理选择激光脉宽、能量、光斑大小等参数来获得理想的残余压应力分布，达到精确成形的目的。

如图2所示，激光冲击精密成形装置包括工件1、控制臂2、水管3、光导纤维4、激光器5、计算机6、光束7、水约束层8以及夹具9。成形工件1通过夹具9固定，打开水流开关，让流水覆盖在激光束辐射位置，并形成稳定的水约束层8。激光束7经光导纤维传导后辐射在有流水约束层的工件1表面，激光冲击工件表面并形成等离子体11，它们膨胀受水约束层8的限制。这样，等离子体11剧烈升温进而剧烈***，产生向成形工件1内部传播的高幅冲击波，调整激光冲击参数，可形成预定幅值的应力波加载。当冲击波峰压超过金属材料动态屈服强度时，材料屈服，并产生动态塑性变形。板料发生宏观变形从而达到内部应力的平衡。通过控制臂2控制激光束的移动。

如图3所示是激光作用区域的示意图，流水在工件1表面形成水约束层8，在激光冲击波作用下对板料冲击。水约束层8约束了高温等离子体11膨胀，同时防止激光的热损坏。

如图4所示是激光冲击平板冲击区域10设计示意图。成形工件被细分成网格结构如图所示。根据仿真***可以计算成形面的变形状况，并进行调整。

如图5所示是激光冲击平板双曲率弯曲的成形示意图。冲击板件的设计冲击区域10，进行板料的成形。

更多的成形事例不便胜举，控制方式和冲击形式的变化都可能实现不同的成形方式，通过设计应力区的三维分布，可以进行板料的三维复杂成形。更多的成形事例不便胜举，这里仅阐明它的技术方案和部分实例。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本发明所揭露的技术范围内，可不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。

Claims

1.一种激光数字化柔性成形方法，其特征在于，具体步骤为：

A)把脉冲激光的条状冲击区域看作为初应力作用的区域，作用效果由加载区域的宽度、应力大小和应力深度三个参数决定，其中应力区域的宽度可以用光斑直径来表示，在模型加载过程中可以假设应力的深度不变，通过应力值大小变化来表示实际激光冲击变形量的大小，采用等效初应力载荷的静态分析方法，把脉冲激光的冲击工艺参数等效成初应力载荷的大小，建立分析激光冲击作用变形量的有限元模型，可以对板料的激光变形问题进行分析，并且通过试验对模型进行验证，为成形工艺参数的计算奠定基础；

D)进而得到试验参数与等效应力的联系；

2.根据权利要求1所述的一种激光数字化柔性成形方法，其特征在于，所述脉冲激光形成能量密度在1GW/cm²以上。

3.一种激光数字化柔性成形装置，其特征在于，所述装置包括工件、控制臂、水管、光导纤维、激光器、计算机、激光束、水约束层以及夹具；所述工件通过夹具夹持，所述激光器发出激光束通过光导纤维到达工件表面，水流喷嘴的指向平行于激光头，所述水管连接水流喷嘴，水垂直流到工件表面，并在工件表面激光冲击区域形成厚度6-8mm的水约束层，所述计算机通讯端口控制控制制臂的移动，控制臂带动水流喷嘴和激光束的移动。

4.根据权利要求3所述的一种激光数字化柔性成形装置，其特征在于，所述激光器为短脉冲激光器，脉宽1-50ns。