專利名稱：一種激光沖擊波金屬板料校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，特別涉及用于金屬板料的校形，并且特別適用于大型結(jié)構(gòu)件的校形的激光沖擊波金屬板料校形方法及裝置。
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)板料變形校正問題，尤其是大厚度、高精度板料校形技術(shù)的研究較少。目前金屬板料的校形方法主要有熱校形、時(shí)效應(yīng)力校形和壓力校形。最常見的是熱校形和壓力校形，熱校形缺點(diǎn)是對(duì)零件組織有熱影響，壓力校形與工件表面接觸，精度難以控制。近年來激光沖擊加工技術(shù)的深入研究為解決校正過程中的部分問題提供了可能。2002年6月，美國(guó)加利福尼亞大學(xué)的Lawrence Livermore國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室Hackel等人在美國(guó)國(guó)家專利中提出了利用激光沖擊強(qiáng)化裝置對(duì)金屬板材進(jìn)行三維彎曲成形的成形原理和精確成形方法，設(shè)想了將激光沖擊用于板材和桿件的校形，但未對(duì)激光沖擊開展具體研究。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服傳統(tǒng)熱應(yīng)力校形對(duì)零件組織有熱影響，壓力校形與工件表面接觸，校形精度低的缺點(diǎn)。本發(fā)明提供一種激光沖擊波金屬板料校形方法及裝置，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，高壓沖擊波作用于材料的表面，產(chǎn)生的沖擊波壓力峰值超過材料動(dòng)態(tài)屈服強(qiáng)度，這使得校形材料表面發(fā)生微觀塑性變形，產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力，然后通過多點(diǎn)沖擊形成大面積的殘余應(yīng)力區(qū)域的分布，并通過應(yīng)力的釋放進(jìn)行宏觀結(jié)構(gòu)的小曲率校形。由激光器發(fā)出脈沖激光，由光路系統(tǒng)傳輸?shù)焦ぜ砻?，在水約束層的作用下，產(chǎn)生沖擊波，并使板件內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力分布，進(jìn)而進(jìn)行變形的校正，可根據(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)來獲得理想的殘余壓應(yīng)力分布，達(dá)到精確校形的目的。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案:—種激光沖擊波金屬板料校形方法，其具體步驟為: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)力值大小變化來表示實(shí)際激光沖擊變形量的大小，在此基礎(chǔ)上，使用等效初應(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，為校形工藝參數(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；進(jìn)而得到試驗(yàn)參數(shù)與等效應(yīng)力的聯(lián)系；D)通過ANSYS中進(jìn)行以等效應(yīng)力為變量，校形量為計(jì)算目標(biāo)，優(yōu)化計(jì)算校形需要的等效應(yīng)力和最佳沖擊區(qū)域分布；E)根據(jù)等效應(yīng)力與工藝參數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系可得到校形工藝參數(shù)，根據(jù)校形工藝參數(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。一種激光沖擊波金屬板料校形裝置，包括激光器、反射鏡、水約束層、水管、工件、水槽、夾具、二維移動(dòng)工作臺(tái)以及計(jì)算機(jī)，所述工件通過夾具夾持后至于水槽中，水槽連接水管，水在水槽中形成水約束層，水槽設(shè)于二維移動(dòng)工作臺(tái)上，計(jì)算機(jī)連接二維移動(dòng)工作臺(tái)控制水槽移動(dòng)，激光器的輸出激光束通過反射鏡垂直作用于工件的表面。二維移動(dòng)工作臺(tái)帶動(dòng)工件一起移動(dòng)。短脈沖激光器發(fā)出光束經(jīng)過反射鏡后穿過水約束層到達(dá)工件表面。計(jì)算機(jī)通過com 口與工裝夾具連接，控制工件的移動(dòng)軌跡。本發(fā)明帶來的有益效果是:1、校形精度高: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，進(jìn)行板料的宏觀校形。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校形形狀。2、可以實(shí)現(xiàn)雙向校形:壓力校形只能從外往里壓，單一方向的變形校正。激光沖擊校形通過控制激光沖擊的功率密度，可以實(shí)現(xiàn)凸面和凹面雙向變形校正，即可以“拉”又可以“壓”。3、非接觸校形:激光沖擊校形在校形過程中，只有激光沖擊波跟工件表面作用，屬于非接觸校形，沒有任何殘留，便于校形后處理工作簡(jiǎn)單。4、可以對(duì)難校形材料:激光沖擊可以適合于多種材料的校形，適用范圍廣。附圖簡(jiǎn)述

圖1是激光沖擊精密校形裝置示意2是激光作用區(qū)域的示意3是激光沖擊校形示意圖一圖4是激光沖擊校形示意圖二圖5是激光沖擊二維校形示意圖 圖6是激光沖擊二維校形示意中標(biāo)號(hào)為:1-激光器2-反射鏡3-水約束層4-水管5-工件6-水槽7-夾具8-二維移動(dòng)工作臺(tái)9-計(jì)算機(jī)10-沖擊波11-沖擊區(qū)12第一校形后工件13第二校形后工件14第三校形后工件15-激光束16-等離子體
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(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。如圖1所示，為校形工藝參數(shù)的計(jì)算流程；如圖2所示為激光沖擊波金屬板料校形裝置，其包括激光器1、反射鏡2、水約束層
3、水管4、工件5、水槽6、夾具7、二維移動(dòng)工作臺(tái)8、計(jì)算機(jī)9。如圖2所示，工件5通過夾具7固定在二維移動(dòng)工作臺(tái)8上的水槽6內(nèi)。打開水流開關(guān)，讓流水覆蓋在激光束輻射位置，并形成8-10_厚的穩(wěn)定約束層3。激光束15經(jīng)反射后直接輻射在流水約束層3上，激光沖擊工件表面并形成高溫等離子體16，它們膨脹受水約束層3的限制。這樣，等離子體16劇烈升溫進(jìn)而劇烈爆炸，產(chǎn)生向校形工件5內(nèi)部傳播的高幅沖擊波10，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)，并產(chǎn)微觀塑性應(yīng)變，大量沖擊點(diǎn)殘余壓應(yīng)力的共同作用下，引起應(yīng)力的重新分布，從而實(shí)現(xiàn)宏觀校形。如圖3所示，是激光作用區(qū)域的示意圖，流水在工件5表面形成水約束層3，激光沖擊波10激發(fā)等離子體16。流水約束層約束了高溫等離子體膨脹，同時(shí)防止激光的熱損壞。如圖4、圖5是激光沖擊校形示意圖，激光按一定軌跡沖擊后形成殘余應(yīng)力區(qū)11，待校形工件5經(jīng)過激光參數(shù)的選取，可以形成與激光沖擊作用方向相反方向的校形(第一校形后工件12)，也可以形成與激光沖擊作用相同方向的變形校正(第二校形后工件13)。如圖6所示是激光沖擊二維校形示意圖，根據(jù)圖5設(shè)計(jì)的沖擊區(qū)域11進(jìn)行激光沖擊，形成理想的應(yīng)力分布形態(tài)，可以進(jìn)行復(fù)雜形態(tài)變形的校正(第三校形后工件14)。同樣通過設(shè)計(jì)應(yīng)力區(qū)的三維分布，可以進(jìn)行板料的三維變形校正。更多的校形事例不便勝舉，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
1.一種激光沖擊波金屬板料校形方法，其特征在于，所述方法的具體步驟為: A)脈沖激光在水約束層條件下，形成激光沖擊波對(duì)材料進(jìn)行沖擊加工。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)力值大小變化來表示實(shí)際激光沖擊變形量的大小，在此基礎(chǔ)上，使用等效初應(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，為校形工藝參數(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)得到試驗(yàn)參數(shù)與等效應(yīng)力的聯(lián)系； E)在有限元模型中進(jìn)行以等效應(yīng)力為變量，校形量為計(jì)算目標(biāo)，優(yōu)化計(jì)算校形需要的等效應(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)系可得到校形工藝參數(shù)，根據(jù)校形工藝參數(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。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種激光沖擊波金屬板料校形方法，其特征在于，脈沖激光的形成能量密度在lGW/cm2以上，所述約束層采用水約束層，約束層厚8-10mm。
3.一種激光沖擊波金屬板料校形裝置，其特征在于，所述裝置包括激光器、反射鏡、水約束層、水管、工件、水槽、夾具、二維移動(dòng)工作臺(tái)以及計(jì)算機(jī)；所述工件通過夾具夾持后至于水槽中，所述水槽連接水管，水在水槽中形成水約束層，水槽設(shè)于二維移動(dòng)工作臺(tái)上，所述計(jì)算機(jī)連接二維移動(dòng)工作臺(tái)控制水槽移動(dòng)，激光器輸出的激光束通過反射鏡垂直作用于工件的表面。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種激光沖擊波金屬板料校形裝置，其特征在于，所述激光器為短脈沖激光器，脈寬l_50ns。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種激光沖擊波金屬板料校形裝置，其特征在于，所述計(jì)算機(jī)通過com 口與夾具連接。
全文摘要
本發(fā)明提供一種利用激光沖擊波進(jìn)行精密校形方法，由激光器發(fā)出激光束通過光路系統(tǒng)傳輸?shù)焦ぜ砻?，水約束層覆蓋工件表面，形成約束層。激光脈沖作用下，在工件表面形成沖擊波，在工件內(nèi)部產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力，通過控制激光沖擊的位置，實(shí)現(xiàn)金屬板料的校形。一種利用激光沖擊波進(jìn)行精密校形的裝置，特別適用于各種金屬板料板件的校形，其裝置包括激光器、反射鏡、水約束層、水管、工件、水槽、夾具、二維移動(dòng)工作臺(tái)、計(jì)算機(jī)，本發(fā)明所述方法及裝置能對(duì)大型結(jié)構(gòu)件進(jìn)行精密校形，校形精度高，無熱影響，與工件表面非接觸，能實(shí)現(xiàn)凸面和凹面校形。
文檔編號(hào)B21D1/00GK103143593SQ201110402468
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)