CN101943890A

CN101943890A - 一种提升激光辅助弯曲成形能力的方法

Info

Publication number: CN101943890A
Application number: CN 201010259837
Authority: CN
Inventors: 陈光南; 彭青; 罗耕星; 王秀凤; 张坤; 吴臣武
Original assignee: Institute of Mechanics of CAS
Current assignee: Institute of Mechanics of CAS
Priority date: 2010-08-23
Filing date: 2010-08-23
Publication date: 2011-01-12
Anticipated expiration: 2030-08-23
Also published as: CN101943890B

Abstract

本发明公开了一种提升激光辅助弯曲成形能力的方法，该方法主要通过改变光斑的形态和增加加工道次两方面措施来提高激光辅助弯曲成形方法的成形或校形能力，以实现对难成形和难校形零件的有效的高精度的成形或校形。

Description

一种提升激光辅助弯曲成形能力的方法

技术领域

本发明涉及一种激光辅助弯曲成形的方法。

背景技术

尺寸大、结构复杂，或者难变形材料之零件的成形难，以及成形精度不够且难以校形之零件的校形难的根本原因，是因其内部存在较大的弹性内能、且该内能采用常规成形或校形手段难以有效释放。针对这一问题，专利ZL 200710118095.7提出了点热源辅助压弯成形方法。该方法的基本思想是：在对上述零件进行弯曲成形或校形时，用点热源快速提升其弹性内能集中区域的温度，通过降低该区域材料的变形抗力和提高其塑性变形能力促使弹性内能做塑性功。采用激光作为点热源辅助成形或校形，是因为激光在实现能量输入方式、温度场和移动轨迹的快速响应与精准控制以及实现成形制造的自动化、柔性化和智能化等方面，具有常规热源难以比拟的优势。

激光点热源辅助弯曲成形或校形方法可以实现难成形和难校形零件的有效成形或校形。但因其受热区域较小且周边材料对该区域塑性变形的约束较大，故有必要采取措施进一步提高该方法的成形或校形的能力和精度。

发明内容

本发明中所公开的激光辅助弯曲成形方法主要通过采取两方面措施来提高激光辅助弯曲成形方法的成形或校形能力：一是改变光斑的形态，以减小加热时受热区域受周围较低温度区域材料的约束，并通过多热源、同步作用零件的多个弹性内能集中部位的方式增加单次成形能力。二是通过多道次加工，逐步地、增量地施加预应力，提高成形量。

本发明提供了一种提升激光辅助弯曲成形能力的方法包括以下步骤：

1)建立成形材料的力学性能和热物性的相关性能参数、成形零件的结构、尺寸和形状数据库，以及材料在多物理场作用下的响应规律，建立计算平台和专家系统，并通过该计算平台对坯件的虚拟加工，对难成形、需要激光加工的位置以及激光加工参数进行预判断，以及加工时坯件的约束条件；

2)根据弯曲预载荷下的弹性能分布状态设计光斑形状与激光头数量；

3)根据光斑形态通过计算平台和专家系统设计激光运动路径；

4)将步骤1)、2)、3)中的各项条件通过计算机控制系统转换成点热源加工的各项工艺参数；

5)在机械加工时，根据步骤4)中的参数通过计算机控制系统控制进行激光辅助加工以达到预期的成形效果；

6)在步骤5)加工的同时，用于测量坯件状态的传感器向控制系统反馈变形过程中的实时监控数据，计算机控制系统根据这些数据及时修正工艺参数，从而在整个加工过程中形成闭环控制；

7)如果未达到成形要求，在重复激光加工一定道次后，按照步骤1)——步骤3)重新设计下一步加工时坯件的预载荷、约束条件及激光工艺参数；

8)重复步骤4)——步骤7)直至达到成形要求。

进一步，所述光斑形状与激光头数量为多点热源、线热源、条带扫描等，并包含不规则形状光斑。

进一步，所述成形材料的力学性能和热物性的相关性能参数为：比热容、密度、热膨胀系数、热导率、弹性模量、屈服极限。

进一步，所述计算平台和专家系统为：有限元激光方法、有限差分计算方法、数据库、人工智能。

进一步，所述步骤4)中的工艺参数为：激光功率、光斑形状、扫描路径、扫描速度、机械载荷参数。

进一步，所述步骤5)中所述实时监控数据为应变，位移。

进一步，所述光斑形状为圆形截面、矩形截面、不规则形状截面。

进一步，所述光斑扫描路径依据预应力加载方式、光斑形状、成形目标因素确定；不同的光斑形状所决定的扫描路径不相同。

进一步，所述激光辅助弯曲成形方法重复加工一定次数后，所述零件弹性能转换效率逐渐降低。通过增加预载荷、加大弯曲量或更换大曲率胎模，进一步提高弹性能，从而增大成形量。

进一步，所述激光辅助弯曲成形，采用活动胎模实现多种外形的成形以及用于增大预载荷。

具体实施方式

本发明提供一种新的激光辅助弯曲成形的方法，包括如下步骤：

1)建立成形材料的力学性能和热物性的相关性能参数，如：比热容、密度、热膨胀系数、热导率、弹性模量、屈服极限等；以及成形零件的结构、尺寸、形状数据库，并根据材料在多物理场作用下的响应规律：如成形过程中材料变形的本构关系等，建立计算平台和专家系统，如：有限元激光方法、有限差分计算方法、数据库、人工智能等，并通过该计算平台对坯件的虚拟加工，对难成形、需要激光加工的位置以及激光加工参数进行预判断，以及加工时坯件的约束条件；

2)根据弯曲预载荷下的弹性能分布状态通过虚拟制造的方法设计光斑形状与激光头数量，如：多点热源、线热源、条带扫描等；

4)将步骤1)、2)、3)中的各项条件通过计算机控制系统转换成点热源加工的各项工艺参数，如：激光功率、光斑形状、扫描路径、扫描速度、机械载荷参数等；

6)在步骤5)加工的同时，用于测量坯件状态的传感器向控制系统反馈变形过程中的实时监控数据，如：应变，位移等，计算机控制系统根据这些数据及时修正工艺参数，从而在整个加工过程中形成闭环控制；

8)重复步骤4)——步骤7)直至达到成形要求。

本发明通过在传统机械成形大型件的过程中采用可调光斑形状的激光束进行加工，并依据光斑形状设计其加工轨迹。相对于压弯、点热源复合成形方法，该方法不但可以对在机械成形过程中出现的难以变形的地方进行更好地处理，能更有效的成形零件，而且能在温度阈值范围内增大成形能力。

本发明中激光光斑形状根据需求可为调整为圆形截面、矩形截面、不规则形状截面等。

本发明中激光光斑扫描路径依据预应力加载方式、光斑形状、成形目标等因素。不同的光斑形状所决定的扫描路径不相同。

本发明中，激光重复加工一定次数后，被加工弹性能转换效率逐渐降低。此时可增加预载荷、加大弯曲量或更换大曲率胎模等手段，进一步提高弹性能，从而增大成形量。

本发明中，可采用活动胎模实现多种外形的成形以及用于增大预载荷。

本发明可以分为成形和校形精调两种工作方案。所谓成形方案是在弯曲的同时，向零件的难变形部位输入激光能量，以降低激光作用区材料的变形抗力，从而提高上述成形件的成形量以及成形效率和成形精度。难变形部位和光斑形态可以通过对成形零件的计算机模拟获得。所谓校形精调方案是对成形后工件的精度尚未达到设计要求的零件，向其对应的弹性内能集中区域输入激光能量。其校形精调作用是利用激光有选择性的加热作用区材料，使该区域的弹性内能因材料变形抗力降低以塑性变形的方式释放来实现的。由于弹性内能集中区的位置以及校形精调所需激光能量的大小、光斑形态、和路径均可以通过计算机模拟确定并用机械手精准实现。

Claims

1.一种提高激光辅助弯曲成形方法，包括如下步骤：

2)根据预应力下的弹性能分布状态设计光斑形状与激光头数量；

3)更具光斑形态通过计算平台和专家系统设计激光运动路径；

7)如果未达到成形要求，在重复激光加工一定道次后，按照步骤1)——步骤3)重新设计下一步加工时坯件的约束条件及激光工艺参数；

8)重复步骤4)——步骤7)直至达到成形要求。

2.根据权利要求1中所述提高激激光辅助弯曲成形方法，其特征是：所述光斑形状与激光头数量为多点热源、线热源、条带扫描。

3.根据权利要求1中所述提高激激光辅助弯曲成形方法，其特征是：所述成形材料的力学性能和热物性的相关性能参数为：比热容、密度、热膨胀系数、热导率、弹性模量、屈服极限。

4.根据权利要求1中所述提高激激光辅助弯曲成形方法，其特征是：所述计算平台和专家系统为：有限元激光方法、有限差分计算方法、数据库、人工智能。

5.根据权利要求1中所述提高激激光辅助弯曲成形方法，其特征是：所述步骤4)中的工艺参数为：激光功率、光斑形状、扫描路径、扫描速度、机械载荷参数。

6.根据权利要求1中所述提高激激光辅助弯曲成形方法，其特征是：所述步骤5)中所述实时监控数据为应变，位移。

7.根据权利要求1中所述提高激激光辅助弯曲成形方法，其特征是：所述光斑形状为圆形截面、矩形截面、不规则形状截面。

8.根据权利要求1中所述提高激激光辅助弯曲成形方法，其特征是：所述光斑扫描路径依据预应力加载方式、光斑形状、成形目标因素确定；不同的光斑形状所决定的扫描路径不相同。

9.根据权利要求1中所述提高激激光辅助弯曲成形方法，其特征是：所述激光辅助弯曲成形方法重复加工一定次数后，所述零件弹性能转换效率逐渐降低；通过增加预载荷、加大弯曲量或更换大曲率胎模，进一步提高弹性能，从而增大成形量。

10.根据权利要求1中所述提高激激光辅助弯曲成形方法，其特征是：所述激光辅助弯曲成形，采用活动胎模实现多种外形的成形以及用于增大预载荷。