金屬板料激光噴丸成形機(jī)制研究與數(shù)值分析.pdf

1、強(qiáng)激光誘導(dǎo)的沖擊波在材料加工中已得到應(yīng)用，本文在介紹強(qiáng)激光在材料加工應(yīng)用基礎(chǔ)上，著重介紹激光噴丸成形新技術(shù)，并就激光噴丸成形機(jī)理及其相關(guān)技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)研究，對激光噴丸下板料的變形特性進(jìn)行了實(shí)驗，對激光噴丸成形件的表面質(zhì)量進(jìn)行了分析，用有限元分析方法對板料變形進(jìn)行了數(shù)值模擬。主要內(nèi)容有以下幾個方面：
　　 在簡要分析應(yīng)力波形成、傳播和衰減的基礎(chǔ)上，著重分析了殘余壓應(yīng)力形成的機(jī)理，首次建立了激光噴丸成形的數(shù)學(xué)模型，并根據(jù)純彎曲理論，

2、推導(dǎo)出激光噴丸條件下，板料變形的曲率半徑，使板料變形的曲率和激光脈沖參數(shù)聯(lián)系起來，為激光噴丸成形時選擇參數(shù)提供了依據(jù)。根據(jù)彎矩的合成理論，得出了在噴丸軌跡為直線情況下，板料變形的基本形狀為倒立的V形，復(fù)雜形狀是可以看作是基本形狀的復(fù)合。在此基礎(chǔ)上，將自由狀態(tài)下激光噴丸成形曲率半徑和預(yù)彎狀態(tài)下激光噴丸成形下曲率半徑進(jìn)行了比較，從理論上說明了預(yù)彎狀態(tài)下激光噴丸成形能夠有效改善板料在自由狀態(tài)下成形時出現(xiàn)的球面雙曲現(xiàn)象。
　　 實(shí)驗研究

3、了激光噴丸條件下板料的變形特性，探討了板料變形量與激光脈沖參數(shù)、光斑覆蓋率、板料幾何尺寸以及噴丸路徑關(guān)系。實(shí)驗結(jié)果表明，在噴丸軌跡為直線的情況下，板料變形量隨激光能量的加大而加大，隨覆蓋率的增加而增加，隨噴丸次數(shù)的增加而增加，隨厚度的增加而減小。當(dāng)板料幾何尺寸發(fā)生變化時，板料的曲率將發(fā)生變化。通過選擇噴丸區(qū)域和激光噴丸強(qiáng)度，能夠?qū)崿F(xiàn)板料復(fù)雜三維形狀的成形。
　　 在進(jìn)行自由狀態(tài)下板料變形實(shí)驗基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究了預(yù)彎狀態(tài)下板料的變

4、形特性。實(shí)驗研究表明，單向施加彈性預(yù)彎減小了預(yù)彎方向的曲率半徑，加大了與預(yù)彎方向相垂直方向上的曲率半徑，并且隨著預(yù)彎量的增加，兩個方向上曲率半徑變化的效應(yīng)更加顯著。在此基礎(chǔ)上，首次研究了激光噴丸成形精度。結(jié)果表明，激光噴丸成形的板料在半徑方向上精度能達(dá)到0.4mm，高于使用傳統(tǒng)方法成形得到的成形精度，說明了激光噴丸成形能實(shí)現(xiàn)板料的精密成形。
　　 用XRD方法研究測量了在激波加載區(qū)殘余壓應(yīng)力分布和板料變形后的表面殘余應(yīng)力。結(jié)果表

5、明，在激光噴丸沖擊下，激光誘導(dǎo)的殘余壓應(yīng)力隨激光能量的增加而增大，隨沖擊次數(shù)的增加而增加。在激光噴丸成形件的表面都存在著殘余壓應(yīng)力，受噴丸面的沖擊區(qū)的殘余應(yīng)力大于未沖擊區(qū)的殘余壓應(yīng)力，受噴丸面的殘余應(yīng)力要高于未噴丸面的殘余壓應(yīng)力值，成形件的表面存在有益的殘余壓應(yīng)力，這是使用傳統(tǒng)模具彎曲件無法比擬的。研究還表明激光沖擊波誘導(dǎo)的殘余壓應(yīng)力層的深度是傳統(tǒng)機(jī)械噴丸形成的殘余壓應(yīng)力層深度的3倍多，使得激光噴丸成形板料的能力比傳統(tǒng)的噴丸成形板料的能

6、力強(qiáng)。
　　 研究了激光噴丸件表面的粗糙度、硬度、微觀組織等表面質(zhì)量因素及其對工件機(jī)械性能的影響。研究表明，激光噴丸后，在板料表面留有微米級的光滑的凹坑，因而導(dǎo)致表面粗糙度下降，表面粗糙度下降程度取決于激光噴丸件成形的曲率和材料機(jī)械性能，對于給定的零件，不同的工藝會導(dǎo)致不同的表面粗糙度。激光噴丸后，板料表層的硬度得到了提高，組織得到了細(xì)化，位錯密度提高，意味著工件耐磨性和抗應(yīng)力腐蝕的能力得到了提高，加之表層存在有益的殘余壓應(yīng)力，

7、使工件的抗疲勞性能得到提高，疲勞壽命得以延長，說明激光噴丸成形是集激光沖擊強(qiáng)化和塑性成形與一體的技術(shù)。
　　 建立了激光沖擊下有限元模擬的模型，并對建模過程中的一些關(guān)鍵問題進(jìn)行了處理。采用有限元分析的方法，對激光誘導(dǎo)的應(yīng)力波傳播、表面動態(tài)應(yīng)力、殘余壓應(yīng)力和板料的變形進(jìn)行了數(shù)值模擬，模擬結(jié)果和試驗結(jié)果、理論分析取得結(jié)果較為一致，說明建立的模型是可靠的、合理的，采用模擬的方法是可行的。在此基礎(chǔ)上，對板料成形的部分工藝進(jìn)行了優(yōu)化，對板