激光彎曲成形的精度控制研究.pdf

1、激光彎曲成形技術源于造船行業(yè)的水火彎板技術，它是一種非接觸、無模成形技術，通過局部高溫加熱實現(xiàn)對常溫下難變形材料的成形，還可利用直線與曲線的組合掃描方式實現(xiàn)復雜三維曲面的成形。因此，激光彎曲成形技術在航空航天、船舶和微電子等領域具有重大的應用前景。本文圍繞激光彎曲成形中的成形精度問題，開展了激光彎曲成形角度數(shù)學模型和“邊界效應”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、有限元計算模型、實驗研究、變速度掃描和成形后材料力

2、學性能的六大研究內容；綜合傳熱學、彈塑性力學和金相學等多學科的理論，利用理論計算、數(shù)值模擬和實驗測試等研究方法，解決了激光彎曲成形中的彎曲角度數(shù)學模型和“邊界效應”現(xiàn)象的兩大關鍵問題。 ⑴從傳統(tǒng)固體力學的平衡方程和相容性關系出發(fā)，結合激光掃描產生的板料厚度方向穩(wěn)態(tài)溫度分布數(shù)學模型，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度影響因子的兩個新參數(shù)，建立了溫度梯度機理下激光直線掃

3、描彎曲角度的解析模型，該模型計算結果與實驗數(shù)據(jù)吻合度較好，而且計算精度優(yōu)于其它解析模型。 ⑵針對激光彎曲成形加、卸載并存的特點，基于半無限大固體熱傳導方程，推導了有限厚度板料的高斯激光熱源加熱瞬態(tài)溫度場模型：根據(jù)所建溫度場的數(shù)學模型，采用塑性增量理論，考慮加卸載的歷史過程，建立了激光彎曲成形過程中彈性和塑性加載和卸載的力學模型：利用傳統(tǒng)力學平衡方程，結合材料力學性能與溫度的變化關系，推導了激光掃描區(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理的變形角度計算，還可用于預測屈曲機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和變形場有限元計算的基本理論，利用通用有限元計算軟件ANSYS平臺，通過對幾何模型、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和變形場的有限元計算模型；通過對激光彎曲成形有限元模型計算的應力場和應變場分析發(fā)現(xiàn)：在激光掃描區(qū)域存在大量的橫向壓應變，

5、而縱向應變很??；橫向應力在掃描線中間部分幾乎沒有，在兩端為殘余壓應力，而縱向殘余應力為拉應力。激光彎曲成形中沿掃描線的非均勻溫度場和變幾何約束分布，導致了掃描線開始端、結束端以及掃描線中部這三個區(qū)域的應力和應變的變化趨勢和程度不盡相同，表明了激光彎曲成形是非對稱變形。 ⑷利用二氧化碳激光加工系統(tǒng)，結合激光彎曲成形的特點，建立了溫度場和變形場的測試系統(tǒng)；利用熱電偶測量不同激光功率下的溫度場數(shù)據(jù)，結合激光彎曲成形溫度場有限元模型計算

6、結果，推算出了板料掃描表面涂層的吸收系數(shù)，并驗證了溫度場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、掃描線位置以及掃描間隔時間下的板料變形數(shù)據(jù)，驗證了變形場有限元計算模型的可靠性。重點通過對不同掃描間隔時間下的兩次掃描研究發(fā)現(xiàn)：在較短間隔時間下，板料產生的彎曲角度較大；而當間隔時間達到一定時，對板料的變形角度基本沒有影響。 ⑸通過分析不同能量輸入(掃描速度)和幾何約束(掃描線位置)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”現(xiàn)象；通過探索激光彎曲成形中沿掃描線的溫度場分布和幾何約束變化，尋求產生“邊界效應”現(xiàn)象的根源；為減小“邊界效應”現(xiàn)象，結合相應的產生原因，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，通過改變激光束與板料有限元單元的作用時間，建立了變速度掃描的有限元模型；利用數(shù)值模擬和實驗手段，結合溫度場和變形場的內在聯(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

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”現(xiàn)象。 ⑹分析了經過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力一應變本構模型；通過靜態(tài)拉伸試驗發(fā)現(xiàn)，經過激光處理后材料的屈服強度和抗拉強度是增強的，而延伸率是降低的：利用數(shù)理統(tǒng)計方法，確定了滿足試驗精度要求的疲勞試樣最小量；針對激光彎曲成形后殘余應力和殘余應變共存特點，通過低周疲