激光彎曲成形的精度控制研究.pdf

1、激光彎曲成形技術(shù)源于造船行業(yè)的水火彎板技術(shù)，它是一種非接觸、無(wú)模成形技術(shù)，通過(guò)局部高溫加熱實(shí)現(xiàn)對(duì)常溫下難變形材料的成形，還可利用直線(xiàn)與曲線(xiàn)的組合掃描方式實(shí)現(xiàn)復(fù)雜三維曲面的成形。因此，激光彎曲成形技術(shù)在航空航天、船舶和微電子等領(lǐng)域具有重大的應(yīng)用前景。本文圍繞激光彎曲成形中的成形精度問(wèn)題，開(kāi)展了激光彎曲成形角度數(shù)學(xué)模型和“邊界效應(yīng)”現(xiàn)象兩方面的研究，引出了彎曲角度解析模型、彎曲角度數(shù)值模型、有限元計(jì)算模型、實(shí)驗(yàn)研究、變速度掃描和成形后材料力

2、學(xué)性能的六大研究?jī)?nèi)容；綜合傳熱學(xué)、彈塑性力學(xué)和金相學(xué)等多學(xué)科的理論，利用理論計(jì)算、數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)測(cè)試等研究方法，解決了激光彎曲成形中的彎曲角度數(shù)學(xué)模型和“邊界效應(yīng)”現(xiàn)象的兩大關(guān)鍵問(wèn)題。 ⑴從傳統(tǒng)固體力學(xué)的平衡方程和相容性關(guān)系出發(fā)，結(jié)合激光掃描產(chǎn)生的板料厚度方向穩(wěn)態(tài)溫度分布數(shù)學(xué)模型，綜合考慮激光彎曲成形加熱階段的塑性變形和冷卻階段的彈性變形，引入板材塑性變形區(qū)域深度和材料屈服強(qiáng)度影響因子的兩個(gè)新參數(shù)，建立了溫度梯度機(jī)理下激光直線(xiàn)掃

3、描彎曲角度的解析模型，該模型計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合度較好，而且計(jì)算精度優(yōu)于其它解析模型。 ⑵針對(duì)激光彎曲成形加、卸載并存的特點(diǎn)，基于半無(wú)限大固體熱傳導(dǎo)方程，推導(dǎo)了有限厚度板料的高斯激光熱源加熱瞬態(tài)溫度場(chǎng)模型：根據(jù)所建溫度場(chǎng)的數(shù)學(xué)模型，采用塑性增量理論，考慮加卸載的歷史過(guò)程，建立了激光彎曲成形過(guò)程中彈性和塑性加載和卸載的力學(xué)模型：利用傳統(tǒng)力學(xué)平衡方程，結(jié)合材料力學(xué)性能與溫度的變化關(guān)系，推導(dǎo)了激光掃描區(qū)域的變形曲率，建立了基于塑性增

4、量理論的彎曲角度數(shù)值模型。該數(shù)值模型不僅適合溫度梯度機(jī)理的變形角度計(jì)算，還可用于預(yù)測(cè)屈曲機(jī)理以及兩者共同作用下的彎曲角度。 ⑶分析了激光彎曲成形溫度場(chǎng)和變形場(chǎng)有限元計(jì)算的基本理論，利用通用有限元計(jì)算軟件ANSYS平臺(tái)，通過(guò)對(duì)幾何模型、網(wǎng)格模型、材料特性、載荷以及邊界條件等方面的具體分析，建立了激光彎曲成形溫度場(chǎng)和變形場(chǎng)的有限元計(jì)算模型；通過(guò)對(duì)激光彎曲成形有限元模型計(jì)算的應(yīng)力場(chǎng)和應(yīng)變場(chǎng)分析發(fā)現(xiàn)：在激光掃描區(qū)域存在大量的橫向壓應(yīng)變，

5、而縱向應(yīng)變很??；橫向應(yīng)力在掃描線(xiàn)中間部分幾乎沒(méi)有，在兩端為殘余壓應(yīng)力，而縱向殘余應(yīng)力為拉應(yīng)力。激光彎曲成形中沿掃描線(xiàn)的非均勻溫度場(chǎng)和變幾何約束分布，導(dǎo)致了掃描線(xiàn)開(kāi)始端、結(jié)束端以及掃描線(xiàn)中部這三個(gè)區(qū)域的應(yīng)力和應(yīng)變的變化趨勢(shì)和程度不盡相同，表明了激光彎曲成形是非對(duì)稱(chēng)變形。 ⑷利用二氧化碳激光加工系統(tǒng)，結(jié)合激光彎曲成形的特點(diǎn)，建立了溫度場(chǎng)和變形場(chǎng)的測(cè)試系統(tǒng)；利用熱電偶測(cè)量不同激光功率下的溫度場(chǎng)數(shù)據(jù)，結(jié)合激光彎曲成形溫度場(chǎng)有限元模型計(jì)算

6、結(jié)果，推算出了板料掃描表面涂層的吸收系數(shù)，并驗(yàn)證了溫度場(chǎng)有限元模型的可靠性；基于激光位移傳感器采集不同激光功率、掃描速度、掃描線(xiàn)位置以及掃描間隔時(shí)間下的板料變形數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了變形場(chǎng)有限元計(jì)算模型的可靠性。重點(diǎn)通過(guò)對(duì)不同掃描間隔時(shí)間下的兩次掃描研究發(fā)現(xiàn)：在較短間隔時(shí)間下，板料產(chǎn)生的彎曲角度較大；而當(dāng)間隔時(shí)間達(dá)到一定時(shí)，對(duì)板料的變形角度基本沒(méi)有影響。 ⑸通過(guò)分析不同能量輸入(掃描速度)和幾何約束(掃描線(xiàn)位置)下彎曲角度的變化規(guī)律。揭示

7、激光彎曲成形中存在的“邊界效應(yīng)”現(xiàn)象；通過(guò)探索激光彎曲成形中沿掃描線(xiàn)的溫度場(chǎng)分布和幾何約束變化，尋求產(chǎn)生“邊界效應(yīng)”現(xiàn)象的根源；為減小“邊界效應(yīng)”現(xiàn)象，結(jié)合相應(yīng)的產(chǎn)生原因，提出了變速度掃描的新工藝方法。根據(jù)激光恒速度掃描的有限元建模思想，通過(guò)改變激光束與板料有限元單元的作用時(shí)間，建立了變速度掃描的有限元模型；利用數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)手段，結(jié)合溫度場(chǎng)和變形場(chǎng)的內(nèi)在聯(lián)系，引出了加速掃描、減速掃描、先加后減速掃描以及階梯式變速度掃描等掃描方式，通過(guò)

8、比較上述掃描方式下的彎曲角度變化規(guī)律，確立了階梯式變速度掃描的優(yōu)化掃描方式，有效地降低了激光彎曲成形中的“邊界效應(yīng)”現(xiàn)象。 ⑹分析了經(jīng)過(guò)不同激光加工工藝參數(shù)處理的材料拉伸性能的變化規(guī)律，建立了成形后材料的彈塑性應(yīng)力一應(yīng)變本構(gòu)模型；通過(guò)靜態(tài)拉伸試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)激光處理后材料的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度是增強(qiáng)的，而延伸率是降低的：利用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法，確定了滿(mǎn)足試驗(yàn)精度要求的疲勞試樣最小量；針對(duì)激光彎曲成形后殘余應(yīng)力和殘余應(yīng)變共存特點(diǎn)，通過(guò)低周疲