CN107282727A - 一种金属板材激光柔性弯曲成形圆弧槽的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种金属板材激光柔性弯曲成形圆弧槽的方法，可用于金属板材单一圆弧线和不同圆弧组合线等槽结构的快速弯曲成形。基于温度梯度机理，激光对金属板材进行扫描时，沿激光扫描路径，激光扫描线区域会产生明显的温度梯度，进而产生沿扫描线分布的不均匀热应力，使得板材产生三维曲面变形。按期望成形圆弧槽形状，通过改变激光扫描线形状、每个扫描路径各部分激光参数以及各路径激光扫描次数，结合适当的路径规划可以实现不同类型圆弧槽的高精度激光快速弯曲成形。

Description

一种金属板材激光柔性弯曲成形圆弧槽的方法
技术领域
本发明属于金属板材激光弯曲成形技术领域，特别涉及一种激光柔性弯曲成形圆弧槽的方法，可用于各类圆弧槽形舱壁件的无模具柔性成形。
背景技术
各类圆弧槽形舱壁件的无模具柔性加工一直是加工成形的难点。相较于传统模具加工方法，激光弯曲成形作为一种柔性、无模、无外力、非接触的快速成形技术，其易于实现自动化，易于对激光弯曲扫描路径进行柔性化设计，可实现复杂形状直接弯曲成形，利用激光弯曲成形技术对激光弯曲扫描路径进行规划，可以实现单一圆弧、不同圆弧组合等各类槽的无模、快速弯曲成形，适合于单件、小批量生产，能够有效降低模具制造成本。激光柔性弯曲成形单一曲率、曲率方向相反两段圆弧槽的方法能够充分发挥激光制造柔性化特征，易于实现各类圆弧槽的加工成形，能够充分节约制造成本，加快零件研发速度。
文献1“板料激光曲线弯曲成形的数值模拟[J]，陈敦军，龙丽，吴诗，郑有炓，中国机械工程，2003，14(13)1152-1155”报道了利用有限元对激光曲线弯曲过程的温度场和形变场进行模拟，分析认为激光曲线弯曲时由于激光作用后在板材厚度方向的温度梯度导致板材内部不均匀热应力是板材发生了局部塑性变形，并且在自由端一侧产生三维曲面变形。
文献2“板料激光正弦扫描成形研究[J]，张鹏，高宏亮，初冠南，制造技术与机床，2007,3：35-38”报道了利用有限元模拟对正弦扫描路径下板料激光成形过程进行分析。认为在工艺参数相同的情况下，正弦扫描时，板料成形中只受热应力作用，变形区域的形状、大小与扫描路径有关。
文献3“层合板激光弯曲试验与弯折区过渡层材料特性研究[D]，张攀，大连理工大学硕士学位论文，2016：28”报道了两周期典型件-槽型舱壁件试制的过程，经过两次装夹，成功成形出两周期的小型直槽舱壁件样件。样件整体结构对称，整体弯曲角度误差小，无明显翘曲现象，激光作用表面的质量良好。
发明内容
针对传统圆弧槽模具弯曲成形成本高、难度大，不易于快速制造的特点，本发明采用一种金属板材激光柔性弯曲成形圆弧槽的方法。其原理特征为：基于温度梯度机理，根据预期加工圆弧槽的形状，设置激光弯曲扫描路径；通过调整各圆弧段激光功率、激光离焦量、激光扫描速度使得各圆弧段单次激光弯曲角度一致；根据圆弧槽形角度需求，通过控制激光往复扫描次数使金属板材弯曲至期望角度，从而实现金属板材圆弧槽激光柔性弯曲成形。
本发明的技术方案：
一种金属板材激光柔性弯曲成形圆弧槽的方法，步骤如下：
步骤一、首先，将金属板材裁剪为所需尺寸，其一端利用夹具夹持并放置在激光加工工作台上；根据预期加工圆弧槽的形状，用数控机床设置激光弯曲扫描路径在金属板材上进行预期圆弧槽加工；每条激光扫描路径下的各部分圆弧直径之和大于金属板材宽度；
步骤二、单次激光弯曲由于激光扫描路径曲率影响弯曲角度，根据激光扫描路径曲率变化改变各圆弧段激光参数(包括激光功率、激光离焦量、激光扫描速度)使得各圆弧段单次激光弯曲角度一致；根据最终需求弯曲角度，确定扫描次数，通过控制激光往复扫描次数使金属板材弯曲至期望角度；对于每条激光弯曲扫描路径，圆弧槽各部分弯曲角度均小于90°；
步骤三、图1路径1处加工完成后，将夹具进行翻转，并以图1点1为基准向夹持固定端移动一定距离，使激光焦点处于图1点2处，按照图1路径2编制激光弯曲扫描程序进行激光扫描弯曲加工，并调整激光往复扫描次数使板材弯曲至期望角度。图1路径2处加工完成后，以图1点2为基准向夹持固定端移动一定距离，使激光焦点处于图1点3，按照图1路径3编制激光弯曲扫描程序进行激光扫描弯曲加工，并调整激光往复扫描次数使板材弯曲至期望角度。
步骤四、图1路径3处加工完成后，将夹具再次进行翻转，并以图1点3处为基准向夹持固定端移动一定距离，使激光焦点处于图1点4，按照图1路径4编制激光弯曲扫描程序进行激光扫描弯曲加工，并调整激光往复扫描次数使板材弯曲至期望角度。
步骤五、弯曲成形过程侧吹0.2MPa氮气保护气体，对激光加工降温定形，并形成气体保护层防止金属板材高温氧化。
本发明的有益效果是利用激光弯曲成形技术结合圆弧槽形状特征进行路径规划，通过调整激光弯曲参数：激光功率、激光离焦量以及激光扫描速度，使得各圆弧段单次激光弯曲角度一致，并通过控制各路径处激光往复扫描次数使金属板材弯曲至期望角度，实现圆弧槽激光柔性弯曲成形。这种金属板材激光柔性弯曲成形圆弧槽的方法，能够节约传统圆弧槽模具成形的模具制造成本，易于实现柔性化制造，可根据圆弧槽形状变化对激光弯曲扫描路径迅速进行调整，能够实现快速制造，加快零件研制速度。
附图说明
图1为一种金属板材激光柔性弯曲成形圆弧槽的方法的加工路径图。
图2为实施例1单一曲率圆弧槽弯曲加工路径图。
图3为实施例2曲率方向相反两段圆弧槽弯曲加工路径图。
图4为金属板材激光柔性弯曲成形圆弧槽的示意图。
具体实施方式
以下结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。
实施例1：金属板材激光弯曲成形单一曲率圆弧槽样件。
(1)利用剪板机将厚度为1mm的金属复合板板材裁剪为50mm宽、100mm长的矩形样件；
(2)利用夹具将样件一端夹持后放置到激光加工工作台上，调整激光功率为140w，频率为40Hz，脉冲宽度为2ms，激光扫描速度调至400mm/min，然后在图2路径1处，从板材边缘外点1开始沿圆弧路径进行往复扫描弯曲，为使得板材加工时激光光源稳定，预留一段空走距离，边缘外点1距板材3mm。激光扫描圆弧半径R为50mm，激光往复扫描共20次，侧吹辅助气体N2，吹气压力0.2MPa，每次扫描后冷却10s；
(3)将夹具翻转，利用CCD显示器将激光焦点定位至激光图2板材边缘外点1处，将激光焦点沿板材边缘向固定端夹具夹持方向移动15mm，激光焦点位于图2点2处，激光沿图2路径2按照所编制程序进行往复扫描，激光加工参数与图2路径1处加工参数相同；
(4)图2路径2处激光扫描弯曲加工完成后，不对夹具进行翻转。继续沿板材边缘移动激光焦点15mm至图2点3处，编制激光扫描程序，使激光沿图2路径3进行弯曲加工，激光加工参数与图2路径1处加工参数相同；
(5)再次翻转夹具，利用CCD显示器将激光焦点定位至图2点3弯曲变形的板材边缘，将激光焦点沿板材边缘向固定端夹具夹持处移动15mm，激光焦点位于图2点4处，编制激光扫描程序，使激光沿图2路径4进行弯曲加工，激光加工参数与图2路径1处加工参数相同；。
实施例2：金属板材激光弯曲成形曲率方向相反两段圆弧状槽样件。
与实施例1不同一：步骤(1)利用剪板机将厚度为1mm的金属复合板板材裁剪为80mm宽、100mm长的矩形样件；
与实施例1不同二：激光弯曲扫描路径不同，实例例2中激光扫描路径为两段曲率方向相反的圆弧如图3所示，圆弧半径均为50mm，其它步骤与例1相同。
依据实施例1、2结果，可对成形样件槽的形状进行推广，用于成形B样条曲线等复杂曲线槽。

Claims (2)

1.一种金属板材激光柔性弯曲成形圆弧槽的方法，其特征在于，步骤如下：
步骤一、首先，将金属板材裁剪为所需尺寸，其一端利用夹具夹持并放置在激光加工工作台上；根据预期加工圆弧槽的形状，用数控机床设置激光弯曲扫描路径在金属板材上进行预期圆弧槽加工；每条激光扫描路径下的各部分圆弧直径之和大于金属板材宽度；
步骤二、单次激光弯曲由于激光扫描路径曲率影响弯曲角度，根据激光扫描路径曲率变化改变各圆弧段激光参数(包括激光功率、激光离焦量、激光扫描速度)使得各圆弧段单次激光弯曲角度一致；根据最终需求弯曲角度，确定扫描次数，通过控制激光往复扫描次数使金属板材弯曲至期望角度；对于每条激光弯曲扫描路径，圆弧槽各部分弯曲角度均小于90°；
步骤三、弯曲成形过程侧吹0.2MPa氮气保护气体，对激光加工降温定形，并形成气体保护层防止金属板材高温氧化。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，激光功率为60～160W，激光离焦量为8～12mm，激光扫描速度范围为400～1200mm/min。
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