CN110592364B - 一种基于图像网格法的冲压板材激光冲击强化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及激光加工领域，特指一种基于图像网格法的冲压板材激光冲击强化方法。首先通过激光打标在平板样上附着上一层网格，通过CCD相机将物体变形前后的图像传送到计算机上，使用三维软件将冲压件的变形区域划分为若干个曲面片，并沿曲面片外表面的法线方向进行投影至二维基准平面，在此平面内根据点坐标计算出网格单元的横向变形量和纵向变形量。然后建立变形量与对应激光冲击参数中搭接率的对应关系，从而优化激光冲击强化的工艺参数，实现冲压件的表面均匀强化。该方法实现了对冲压板材进行有效的激光冲击强化，改善冲压件的应力分布，减小局部的应力集中，并提高冲压件的疲劳强度。

Description

一种基于图像网格法的冲压板材激光冲击强化方法
技术领域
本发明涉及激光加工领域，具体指一种用于形变量较大的冲压板材零件的激光冲击均匀强化方法，特指一种基于图像网格法的冲压板材激光冲击强化方法，特别适合于汽车叶片和关键支撑件的均匀强化处理。
背景技术
随着汽车工业飞速发展，汽车厂不断推出各种新车型，车身覆盖零件作为车身主要组成部分，对冲压工艺的要求也越来越高。但车身零部件在冲压过程中会出现局部应变分布不均，使材料流动不畅，造成应变集中，从而导致开裂。
测量金属的塑性变形，特别是大塑性变形的数值和分布，广泛采用的一种方法为网格法。它是通过印刷或光刻的方法在被测试件表面上附着一层网格，在冲压成形的过程中，网格与试件一同变形，通过测量网格变形前后的尺寸，计算得出各区域的应变量。随着模式识别技术，特别是数字图像处理技术在传统的变形测量方法中的应用，使得测量方式更加便捷高效，且数据更加精确。
激光冲击强化是一种新型的表面强化技术，主要是采用短脉冲(几十纳秒)、高峰值功率密度(>109W/cm2)的激光辐照在金属表面，激光束通过约束层之后被吸收层吸收，吸收层从而获得能量形成爆炸性气化蒸发，产生高温高压的等离子体，由于外层约束层的约束，等离子体形成高压冲击波从而向材料内部传播，利用冲击波的力效应在材料表层发生塑性变形，使得表层材料微观组织发生变化，同时在冲击区域产生残余压应力，提高材料的强度、硬度、耐磨性和耐应力腐蚀性能，能有效改善材料的应力分布，但由于冲压件的局部应变分布不均，无法切实有效对冲压件进行针对性的激光冲击强化。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出了一种基于图像网格法的冲压板材激光冲击强化方法，首先通过激光打标在平板样上附着上一层网格，通过CCD相机将物体变形前后的图像传送到计算机上，使用三维软件将冲压件的变形区域划分为若干个曲面片，并沿曲面片外表面的法线方向进行投影至二维基准平面，在此平面内根据点坐标计算出网格单元的横向变形量εXH和纵向变形量εYH。然后建立变形量与对应激光冲击参数中搭接率的对应关系，从而优化激光冲击强化的工艺参数，实现冲压件的表面均匀强化。该方法实现了对冲压板材进行有效的激光冲击强化，能够实现曲面零件得均匀强化，改善冲压件的应力分布，减小局部的应力集中，并提高冲压件的疲劳强度。该方法适合具有较大变形量的关键冲压零部件的均匀强化。
具体步骤如下：
(1)对平板样进行激光打标，使其附着上一层网格，网格边长为a，网格边长a为2-3mm，并通过CCD相机记录冲压前的图像，并将图像上传到计算机，激光打标的参数如下：加工功率16-20W,频率20-30kHz,扫描速度300-500mm/s。
(2)冲压完成后，通过CCD相机多方位对冲压件进行记录，并将记录的图像上传到计算机，使用三维软件将冲压件的变形区域依照网格划分为若干个曲面片，对每个曲面片外表面的法线方向进行投影，每个投影平面对应着一个二维基准平面，以网格的节点为坐标，取平板样的顶角点为初始点(X0，Y0)，求解该区域中网格单元的横向变形量εXH和纵向变形量εYH，横向变形量
Figure GDA0003004032550000021
Figure GDA0003004032550000022
a为网格边长，Xi+1为点(Xi+1，Yj)的横坐标，Xi为点(Xi，Yj) 的横坐标；纵向变形量
Figure GDA0003004032550000023
，Yj+1为点(Xi，Yj+1)节点的纵坐标， Yj为点(Xi，Yj)的纵坐标，其中同一个点在对应不同的投影坐标系下，其坐标不一定相同；
(3)将网格变形量大小区分为A、B、C三个区间，分别对应[0,30％)， [30％,100％)，[100％，300％]，当变形量超过区间范围时，仍将其归于区间C，根据区间A、B、C三个区间的阈值将横向变形量εXH和纵向变形量εYH划分为三个区间，其中区间A对应搭接率10-20％,区间B对应搭接率30-40％,区间C对应搭接率50-60％,横向变形量εXH对应横向搭接率，纵向变形量εYH对应纵向搭接率，且εXH与εYH相互独立不干涉；
(4)使用软件对整个需要激光冲击的区域进行分析，计算出激光冲击路径和对应的激光冲击参数。
(5)通过工作台将激光定位到初始点(X0，Y0)位置，通过激光控制装置设定激光器的参数：光斑直径为2-4mm，脉宽为8-30ns，脉冲能量3-15J，根据变形量的值确定横向和纵向的搭接率，先对变形量大的区间进行冲击，即先对区间C进行激光冲击，再对区间B进行激光冲击，最后区间A进行激光冲击。
本发明有益效果：通过网格法测算出冲压件应变的分布情况，根据局部应变量的大小来调整对应部分的激光冲击强化的搭接率，从而改善冲压件的应力分布，减小局部的应力集中，并提高冲压件的疲劳强度。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1为对平板样激光打标后的网格图。
图2为平板样冲压后的示意图。
图3为以曲面片外表面的法线方向对曲面片的投影图。
图4为初始点处投影图像。
图5为图2中D、E、F区域的激光冲击强化路径图。
图6为图2 中沿x轴方向的常规激光冲击强化与图像网格法的激光冲击强化的残余压应力值。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方式做详细的说明，但本发明不应仅限于实施例。
本实施例所采用的试样为铝合金，长100mm，宽40mm，厚为5mm。
(1)对平板样进行激光打标，使其附着上一层网格，网格边长为2mm，并通过CCD相机记录冲压前的图像，并将图像上传到计算机，激光打标的参数如下：加工功率18W,频率25kHz,扫描速度400mm/s。
(2)冲压完成后，通过CCD相机多方位对冲压件进行记录，并将记录的图像上传到计算机，使用三维软件将冲压件的变形区域依照网格划分为若干个曲面片，对每个曲面片外表面的法线方向进行投影，每个投影平面对应着一个二维基准平面，以网格的节点为坐标，取平板样的顶角点为初始点(0，0)，求解该区域中网格单元的横向变形量εXH和纵向变形量εYH，横向变形量
Figure GDA0003004032550000031
(i∈[0,100]且i∈Z)，a为网格边长，a＝2mm，即Xi+1为点(Xi+1，Yj)的横坐标，Xi为点(Xi，Yj)的横坐标；纵向变形量
Figure GDA0003004032550000032
(j∈[0,40]且j∈Z)，Yj+1为点(Xi，Yj+1)节点的纵坐标，Yj为点(Xi，Yj)的纵坐标，从初始点开始,计算出网格单元变形量的大小；如图4所示，取(X0,Y0)＝(0，0)， (X1,Y0)＝(2.4，0),(X0,Y1)＝(0，2.8),
Figure GDA0003004032550000041
Figure GDA0003004032550000042
根据计算公式求解出网格中所有相邻节点处的横向变形量以及纵向变形量；
(3)将网格变形量大小区分为A、B、C三个区间，分别对应[0,30％)， [30％,100％)，[100％，300％]，当变形量超过区间范围时，仍将其归于区间C，根据区间A、B、C三个区间的阈值将横向变形量εXH和纵向变形量εYH划分为三个区间，根据不同区间设置对应的搭接率，当变形量在区间A时，搭接率取15％, 当变形量在区间B时，搭接率取30％,当变形量在区间C时，搭接率取50％。根据横向变形量εXH设置对应横向搭接率，根据纵向变形量εYH设置对应纵向搭接率，如图2中，当D区域的横向搭接率在区间A中，纵向搭接率也在区间A，即D区域横向搭接为15％，纵向搭接为30％；E区域的横向搭接率在区间A中，纵向搭接率在区间B中，即E区域横向搭接为15％，纵向搭接为30％；F区域的横向搭接率在区间A中，纵向搭接率在区间C，即F区域横向搭接为15％，纵向搭接为50％，其激光冲击路径如图5所示；
(4)使用软件对整个需要激光冲击的区域进行分析，计算出激光冲击路径和对应的激光冲击参数。
(5)通过工作台将激光定位到初始点(0，0)位置，通过激光控制装置设定激光器的参数：光斑直径为2mm，脉宽为20ns，脉冲能量12J，根据变形量的值确定横向和纵向的搭接率，先对变形量大的区间进行冲击，即先对区间C 进行激光冲击，再对区间B进行激光冲击，最后区间A进行激光冲击。
图6为图2中沿x轴方向上的常规激光冲击强化与图像网格法的激光冲击强化的残余压应力值，由图可以看出，常规的激光冲击强化产生的残余压应力值波动较大，基于图像网格法的激光冲击强化使得残余压应力值波动较小，能够改善冲压件的应力分布，减小局部的应力集中，使激光冲击强化效果更加均匀。

Claims (5)

1.一种基于图像网格法的冲压板材激光冲击强化方法，其特征在于，首先通过激光打标在平板样上附着上一层网格，通过CCD相机将物体变形前后的图像传送到计算机上，使用三维软件将冲压件的变形区域划分为若干个曲面片，并沿曲面片外表面的法线方向进行投影至二维基准平面，在此平面内根据点坐标计算出网格单元的横向变形量εXH和纵向变形量εYH；然后建立变形量与对应激光冲击参数中搭接率的对应关系，从而优化激光冲击强化的工艺参数，实现冲压件的表面均匀强化；具体步骤如下：
(1)对平板样进行激光打标，使其附着上一层网格，网格边长为a，并通过CCD相机记录冲压前的图像，并将图像上传到计算机；
(2)冲压完成后，通过CCD相机多方位对冲压件进行记录，并将记录的图像上传到计算机，使用三维软件将冲压件的变形区域依照网格划分为若干个曲面片，对每个曲面片外表面的法线方向进行投影，每个投影平面对应着一个二维基准平面，以网格的节点为坐标，取平板样的顶角点为初始点(X0，Y0)，求解该区域中网格单元的横向变形量εXH和纵向变形量εYH；
(3)将网格变形量大小区分为A、B、C三个区间，分别对应[0,30％)，[30％,100％)，[100％，300％]，当变形量超过区间范围时，仍将其归于区间C，根据横向变形量εXH和纵向变形量εYH的值，建立变形量与对应激光冲击参数中搭接率的对应关系；
(4)使用软件对整个需要激光冲击的区域进行分析，计算出激光冲击路径和对应的激光冲击参数；
(5)通过工作台将激光定位到初始点(X0，Y0)位置，通过激光控制装置设定激光器的输出功率、光斑大小以及搭接率，进行加工；
步骤(2)中，横向变形量
Figure FDA0003004032540000011
a为网格边长，Xi+1为点(Xi+1，Yj)的横坐标，Xi为点(Xi，Yj)的横坐标；纵向变形量
Figure FDA0003004032540000012
Yj+1为点(Xi，Yj+1)节点的纵坐标，Yj为点(Xi，Yj)的纵坐标，其中同一个点在对应不同的投影坐标系下，其坐标不一定相同；
步骤(3)中，根据区间A、B、C三个区间的阈值将横向变形量εXH和纵向变形量εYH划分为三个区间，其中区间A对应搭接率10-20％,区间B对应搭接率30-40％,区间C对应搭接率50-60％,横向变形量εXH对应横向搭接率，纵向变形量εYH对应纵向搭接率，且εXH与εYH相互独立不干涉。
2.如权利要求1中所述的一种基于图像网格法的冲压板材激光冲击强化方法，其特征在于：步骤(1)中，激光打标的参数如下：加工功率16-20W,频率20-30kHz,扫描速度300-500mm/s。
3.如权利要求1中所述的一种基于图像网格法的冲压板材激光冲击强化方法，其特征在于：步骤(1)中，网格边长a为2-3mm。
4.如权利要求1中所述的一种基于图像网格法的冲压板材激光冲击强化方法，其特征在于：所述步骤(5)中，激光冲击的参数为：光斑直径为2-4mm，脉宽为8-30ns，脉冲能量3-15J，根据变形量的值确定横向和纵向的搭接率。
5.如权利要求1中所述的一种基于图像网格法的冲压板材激光冲击强化方法，其特征在于：所述步骤(5)中，先对变形量大的区间进行冲击，即先对区间C进行激光冲击，再对区间B进行激光冲击，最后区间A进行激光冲击。
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