專利名稱：一種激光數(shù)字化柔性成形方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及機(jī)械制造領(lǐng)域，特別涉及一種利用激光沖擊實(shí)現(xiàn)應(yīng)力分布進(jìn)行成形的激光數(shù)字化柔性成形方法及裝置，適用于金屬板料的成形，特別適用于大型結(jié)構(gòu)件的大區(qū)率精密成形。
背景技術(shù)：
金屬板料零件的加工和使用過程中，普遍存在著因材料性質(zhì)、毛坯初始應(yīng)力狀態(tài)、加工工藝、零件的幾何結(jié)構(gòu)和使用條件等因素的相互作用而產(chǎn)生的變形問題。由于變形控制的研究剛剛起步，短期內(nèi)還很難將所有工件的制造精度均控制在設(shè)計(jì)精度范圍之內(nèi)。國(guó)內(nèi)外對(duì)板料變形成正問題，尤其是大厚度、高精度板料成形的研究技術(shù)研究較少。目前金屬板料的成形方法主要有熱成形、時(shí)效應(yīng)力成形和壓力成形。最常見的是熱成形和壓力成形，熱成形缺點(diǎn)是對(duì)零件組織有熱影響，壓力成形與工件表面接觸，精度難以控制。機(jī)械噴丸成形方法可以采用固溶熱處理狀態(tài)的板材進(jìn)行加工，它對(duì)零件幾何尺寸變化的適應(yīng)性好。適合于大中型結(jié)構(gòu)件的雙曲率成形。球面或雙曲型面變形趨勢(shì)通常是金屬板件噴丸成形時(shí)的一大顯著特點(diǎn)。但是，實(shí)際噴丸板件外形，如機(jī)翼整體壁板蒙皮等往往是以直紋面為主或大部分區(qū)域?yàn)橹奔y面，要求在噴丸成形這類板件時(shí)，限制其噴丸型面的球面或雙曲面變形趨勢(shì)，只產(chǎn)生單曲或以單曲為主的外型面。為此，國(guó)外學(xué)者提出了沿機(jī)翼整體壁板蒙皮等百分線，一窄條、一窄條地逐條噴丸成形的方法。該方法彈坑集中分布在以等百分線為中心線的噴丸條帶上，相鄰兩個(gè)噴丸條帶之間的間隔區(qū)(兩個(gè)噴丸條帶之間的非噴丸條帶區(qū))內(nèi)只有很稀疏的彈坑或幾乎沒有彈坑，甚至借助工藝措施可以使間隔區(qū)域上不被彈丸撞擊。噴丸變形主要集中在噴丸條帶上，間隔區(qū)上只有很小甚至沒有變形。由于間隔區(qū)的存在，在相當(dāng)程度上限制了壁板沿等百分線方向上的噴丸變形，因而限制了壁板在噴丸成形時(shí)的球面或雙曲型面變形趨勢(shì)。該方法具有操作簡(jiǎn)便、使用靈活、效果可控等優(yōu)點(diǎn)，在國(guó)外已經(jīng)做為減小或限制噴丸型面球面或雙曲型面變形趨勢(shì)的一種有效工藝手段，被用于大型機(jī)翼整體壁板蒙皮等板件的成形。但是由于機(jī)械噴丸的金屬?gòu)椡璧慕饘贇埩魡栴}，即噴丸區(qū)精確控制比較困難，所以需要研究出相應(yīng)的方法來(lái)解決。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決針對(duì)大型結(jié)構(gòu)件進(jìn)行小曲率精密成形的難題，本發(fā)明根據(jù)應(yīng)力成形的理論，以激光誘導(dǎo)應(yīng)力為應(yīng)力產(chǎn)生裝置，提供一種激光數(shù)字化柔性成形方法及裝置，特別對(duì)于大型結(jié)構(gòu)件的精密成形的方法及裝置，能夠?qū)崿F(xiàn)凸面和凹面兩種情況精密的成形，能解決傳統(tǒng)機(jī)械噴丸成形金屬?gòu)椡柙诠ぜ砻娴臍埩魡栴}。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案:
一種激光數(shù)字化柔性成形方法，其特征在于，具體步驟為:A)把激光條狀沖擊區(qū)域看作為初應(yīng)力作用的區(qū)域，作用效果由加載區(qū)域的寬度、應(yīng)力大小和應(yīng)力深度三個(gè)參數(shù)決定，其中應(yīng)力區(qū)域的寬度可以用光斑直徑來(lái)表示，在模型加載過程中可以假設(shè)應(yīng)力的深度不變，通過應(yīng)力值大小變化來(lái)表示實(shí)際激光沖擊變形量的大小，采用等效初應(yīng)力載荷的靜態(tài)分析方法，把激光沖擊工藝參數(shù)等效成初應(yīng)力載荷的大小，建立分析激光沖擊作用變形量的有限元模型，可以對(duì)板料的激光變形問題進(jìn)行分析，并且通過試驗(yàn)對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證，為成形工藝參數(shù)的計(jì)算奠定基礎(chǔ)；B)通過仿真方法建立等效應(yīng)力與變形之間的關(guān)系，使得等效應(yīng)力與變形量一一對(duì)應(yīng)；C)通過試驗(yàn)建立試驗(yàn)參數(shù)與變形之間的關(guān)系庫(kù)，即激光參數(shù)與變形量之間的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系；D)進(jìn)而得到試驗(yàn)參數(shù)與等效應(yīng)力的聯(lián)系；E)在有限院模型中，以等效應(yīng)力為變量，校形量為計(jì)算目標(biāo)，優(yōu)化計(jì)算成形需要的等效應(yīng)力和最佳沖擊區(qū)域分布；F)根據(jù)等效應(yīng)力與工藝參數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系可得到成形工藝參數(shù)，根據(jù)成形工藝參數(shù)和光斑分布路徑，設(shè)置激光器參數(shù)和二維移動(dòng)工作臺(tái)參數(shù)，進(jìn)行校形。G)根據(jù)成形工藝參數(shù)和光斑分布路徑，設(shè)置激光器參數(shù)和控制臂的移動(dòng)參數(shù)，進(jìn)行成形。作為本發(fā)明的優(yōu)選技術(shù)方案，所述脈沖激光形成能量密度在lGW/cm2以上一種激光數(shù)字化柔性成形裝置，所述裝置包括工件、控制臂、水管、光導(dǎo)纖維、激光器、計(jì)算機(jī)、激光束、水約束層以及夾具；所述工件通過夾具夾持，所述激光器發(fā)出激光束通過光導(dǎo)纖維到達(dá)工件表面，水流噴嘴的指向平行于激光頭，所述水管連接水流噴嘴，水垂直流到工件表面，并在工件表面激光沖擊區(qū)域形成厚度6-8_的水約束層，所述計(jì)算機(jī)通訊端口控制控制制臂的移動(dòng)，控制臂帶動(dòng)水流噴嘴和激光束的移動(dòng)。優(yōu)選的，所述激光器為短脈沖激光器，脈寬l_50ns。本發(fā)明帶來(lái)的有益效果是:1、成形精度高:單次激光沖擊，形成的殘余應(yīng)力區(qū)域非常微小，幾乎不能產(chǎn)生宏觀變形，只有通過大量激光沖擊才能形成沖擊區(qū)域，形成宏觀變形。所以通過控制脈沖的數(shù)量和沖擊位置，可以非常精確的控制成形形狀。2、可以實(shí)現(xiàn)雙向成形:激光沖擊成形通過控制激光束的能量密度，可以實(shí)現(xiàn)凸面和凹面雙向成形，即可以“拉”又可以“壓”。3、非接觸成形:激光沖擊成形過程中，只有激光壓力波跟工件表面作用，屬于非接觸成形，沒有任何殘留，成形后的后處理工作簡(jiǎn)單。4、可以對(duì)難成形材料進(jìn)行成形:激光沖擊可以適合于多種材料的成形，適用范圍廣。附圖簡(jiǎn)述

圖1為本發(fā)明所述方法框架2為激光沖擊精密成形形裝置示意3為激光作用區(qū)域的示意圖
圖4為激光沖擊平板沖擊區(qū)設(shè)計(jì)示意5為激光沖擊平板雙曲率彎曲的成形示意中標(biāo)號(hào)為:1-工件2-控制臂 3-水管4-光導(dǎo)纖維 5-激光器 6-計(jì)算機(jī)7-激光束 8-水約束層9-夾具10-沖擊區(qū)域 11-等離子體。
具體實(shí)施例方式下面對(duì)本發(fā)明的較佳實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)闡述，以使本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和特征能更易于被本領(lǐng)域技術(shù)人員理解，從而對(duì)本發(fā)明的保護(hù)范圍做出更為清楚明確的界定。
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如圖1所示，一種激光沖擊精密成形方法，基于應(yīng)力分布的成形原理，利用激光沖擊作為應(yīng)力激發(fā)裝置，提出了基于高性能激光沖擊精密成形技術(shù)，它直接利用強(qiáng)脈沖激光束(功率密度大于lGW/cm2)沖擊工件表面，使其表層氣化電離并形成沖擊波，由于金屬板料表面水約束層的作用，激光沖擊產(chǎn)生的沖擊波壓力峰值超過材料動(dòng)態(tài)屈服強(qiáng)度，這使成形材料發(fā)生明顯塑性變形，局部沖擊區(qū)不產(chǎn)生明顯塑性變形而只是板料的宏觀材料變形，然后通過逐點(diǎn)沖擊和有序的沖擊區(qū)域的分布獲得大面積復(fù)雜形狀?？筛鶕?jù)不同厚度的金屬板料，合理選擇激光脈寬、能量、光斑大小等參數(shù)來(lái)獲得理想的殘余壓應(yīng)力分布，達(dá)到精確成形的目的。如圖2所示，激光沖擊精密成形裝置包括工件1、控制臂2、水管3、光導(dǎo)纖維4、激光器5、計(jì)算機(jī)6、光束7、水約束層8以及夾具9。成形工件I通過夾具9固定，打開水流開關(guān)，讓流水覆蓋在激光束輻射位置，并形成穩(wěn)定的水約束層8。激光束7經(jīng)光導(dǎo)纖維傳導(dǎo)后輻射在有流水約束層的工件I表面，激光沖擊工件表面并形成等離子體11，它們膨脹受水約束層8的限制。這樣，等離子體11劇烈升溫進(jìn)而劇烈爆炸，產(chǎn)生向成形工件I內(nèi)部傳播的高幅沖擊波，調(diào)整激光沖擊參數(shù)，可形成預(yù)定幅值的應(yīng)力波加載。當(dāng)沖擊波峰壓超過金屬材料動(dòng)態(tài)屈服強(qiáng)度時(shí)，材料屈服，并產(chǎn)生動(dòng)態(tài)塑性變形。板料發(fā)生宏觀變形從而達(dá)到內(nèi)部應(yīng)力的平衡。通過控制臂2控制激光束的移動(dòng)。如圖3所示是激光作用區(qū)域的示意圖，流水在工件I表面形成水約束層8，在激光沖擊波作用下對(duì)板料沖擊。水約束層8約束了高溫等離子體11膨脹，同時(shí)防止激光的熱損壞。如圖4所示是激光沖擊平板沖擊區(qū)域10設(shè)計(jì)示意圖。成形工件被細(xì)分成網(wǎng)格結(jié)構(gòu)如圖所示。根據(jù)仿真系統(tǒng)可以計(jì)算成形面的變形狀況，并進(jìn)行調(diào)整。如圖5所示是激光沖擊平板雙曲率彎曲的成形示意圖。沖擊板件的設(shè)計(jì)沖擊區(qū)域10，進(jìn)行板料的成形。更多的成形事例不便勝舉，控制方式和沖擊形式的變化都可能實(shí)現(xiàn)不同的成形方式，通過設(shè)計(jì)應(yīng)力區(qū)的三維分布，可以進(jìn)行板料的三維復(fù)雜成形。更多的成形事例不便勝舉，這里僅闡明它的技術(shù)方案和部分實(shí)例。以上所述，僅為本發(fā)明的具體實(shí)施方式
，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明所揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可不經(jīng)過創(chuàng)造性勞動(dòng)想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求書所限定的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1.一種激光數(shù)字化柔性成形方法，其特征在于，具體步驟為: A)把脈沖激光的條狀沖擊區(qū)域看作為初應(yīng)力作用的區(qū)域，作用效果由加載區(qū)域的寬度、應(yīng)力大小和應(yīng)力深度三個(gè)參數(shù)決定，其中應(yīng)力區(qū)域的寬度可以用光斑直徑來(lái)表示，在模型加載過程中可以假設(shè)應(yīng)力的深度不變，通過應(yīng)力值大小變化來(lái)表示實(shí)際激光沖擊變形量的大小，采用等效初應(yīng)力載荷的靜態(tài)分析方法，把脈沖激光的沖擊工藝參數(shù)等效成初應(yīng)力載荷的大小，建立分析激光沖擊作用變形量的有限元模型，可以對(duì)板料的激光變形問題進(jìn)行分析，并且通過試驗(yàn)對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證，為成形工藝參數(shù)的計(jì)算奠定基礎(chǔ)； B)通過仿真方法建立等效應(yīng)力與變形之間的關(guān)系，使得等效應(yīng)力與變形量一一對(duì)應(yīng)； C)通過試驗(yàn)建立試驗(yàn)參數(shù)與變形之間的關(guān)系庫(kù)，即激光參數(shù)與變形量之間的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系; D)進(jìn)而得到試驗(yàn)參數(shù)與等效應(yīng)力的聯(lián)系； E)在有限院模型中，以等效應(yīng)力為變量，校形量為計(jì)算目標(biāo)，優(yōu)化計(jì)算成形需要的等效應(yīng)力和最佳沖擊區(qū)域分布； F)根據(jù)等效應(yīng)力與工藝參數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系可得到成形工藝參數(shù)，根據(jù)成形工藝參數(shù)和光斑分布路徑，設(shè)置激光器參數(shù)和二維移動(dòng)工作臺(tái)參數(shù)，進(jìn)行校形。
G)根據(jù)成形工藝參數(shù)和光斑分布路徑，設(shè)置激光器參數(shù)和控制臂的移動(dòng)參數(shù)，進(jìn)行成形。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種激光數(shù)字化柔性成形方法，其特征在于，所述脈沖激光形成能量密度在lGW/cm2以上。
3.一種激光數(shù)字化柔性成形裝置，其特征在于，所述裝置包括工件、控制臂、水管、光導(dǎo)纖維、激光器、計(jì)算機(jī)、激光束、水約束層以及夾具；所述工件通過夾具夾持，所述激光器發(fā)出激光束通過光導(dǎo)纖維到達(dá)工件表面，水流噴嘴的指向平行于激光頭，所述水管連接水流噴嘴，水垂直流到工件表面，并在工件表面激光沖擊區(qū)域形成厚度6-8mm的水約束層，所述計(jì)算機(jī)通訊端口控制控制制臂的移動(dòng)，控制臂帶動(dòng)水流噴嘴和激光束的移動(dòng)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種激光數(shù)字化柔性成形裝置，其特征在于，所述激光器為短脈沖激光器，脈寬l_50ns。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種激光數(shù)字化柔性成形方法，通過成形板件進(jìn)行數(shù)字化設(shè)計(jì)，把板料分成若干個(gè)功能區(qū)域，成形由應(yīng)力激發(fā)裝置產(chǎn)生應(yīng)力分布，通過設(shè)計(jì)應(yīng)力分布形態(tài)，并通過應(yīng)力釋放進(jìn)行成形。一種激光數(shù)字化柔性成型裝置，由激光器，控制臂，控制系統(tǒng)組成；激光器發(fā)出激光束通過光導(dǎo)纖維傳輸?shù)焦ぜ砻?，并有機(jī)械手臂進(jìn)行位置控制，約束層系統(tǒng)也通過機(jī)械手臂進(jìn)行位置控制，把水噴淋到工件表面光斑輻射位置，形成約束層，通過對(duì)激光強(qiáng)度，光斑、疊合率的控制可在各功能區(qū)域形成設(shè)計(jì)所需的應(yīng)力分布。本發(fā)明能對(duì)大型結(jié)構(gòu)件進(jìn)行數(shù)字化成形設(shè)計(jì)和成形加工，該成形方法具有精度高、熱影響小和非接觸特性，能對(duì)板料進(jìn)行大曲率的成形。
文檔編號(hào)B21D31/00GK103143621SQ201110402459
公開日2013年6月12日 申請(qǐng)日期2011年12月7日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月7日
發(fā)明者丁華, 周明, 蔡蘭, 狄建科 申請(qǐng)人:江蘇大學(xué)