CN113305420A - 一种复杂双曲扭转曲面无模成形方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及复杂金属曲面制备加工领域，更具体地，设计一种复杂双曲扭转曲面无模成形方法及装置，利用计算机专家系统计算曲面成形数据和曲面展开形状，确定激光热应力成形和激光冲击成形的协调控制参数，并以成形加工时间为目标函数，对协调控制参数进行优化，使成形加工时间最短，同时对复杂双曲扭转曲面的加工成形进行监控。本发明综合协调控制激光热应力成形和激光冲击成形方法，具成形质量高，回弹幅度小，成形件表面具有高硬度，耐磨损及抗腐蚀等特点，可适用于相关行业大尺寸金属板件高效率的无模成形。
Description
技术领域
本发明涉及复杂金属曲面制备加工领域，更具体地，设计一种复杂双曲扭转曲面无模成形方法及装置。
背景技术
随着高端制造业的不断发展，如高速列车、大型飞机、新型战机、大运载火箭等，整体式、高精度、轻量化结构件的需求不断增加，板材零件进一步向大尺寸、薄壁、深腔、复杂曲面以及难变形材料等方向发展。传统金属大型薄壁件以及高性能轻质大型薄壁构件将大量在航空、航天、高速列车以及其它交通运输领域应用，未来亟需既能轻量化构件又能保证制造构件具有高强度、优异抗腐蚀性的构件。如中国标准动车组的车身前端具有流线型结构，这种流线型结构是由铝合金型材和三维蒙皮件组焊而成，蒙皮件是中国标准动车组车体的重要组成部分，其成形质量对驾驶舱结构的稳定性有重要的影响，前端蒙皮件是壁厚比较厚、截面深度浅、横纵轮廓尺寸相差大的铝合金冲压件，冲压成形时易出现拉深不足或拉裂等缺陷，严重影响零件成形质量；又如高速列车车头复杂曲面的设计与制造是整个高铁制造的关键技术之一，在车头复杂曲面中存在较多复杂双曲扭转曲面，要求必须要满足小空气阻力的曲面形状、长寿命抗疲劳制造和快速高质量低成本的制造工艺，由于尺寸过大，采用分割成许多小方块，对每个小方块用人工敲打的方式弯曲成曲面，然后焊接成整体，这种成形方式导致曲面形状精度难以保证、焊缝疲劳寿命短、工序繁多效率低、自动化程度低等缺点。
中国专利CN101332537A公开了一种板材激光冲击与热应力复合成型方法及装置，将一束脉冲激光经分光镜按比例分为两束激光，其中一束的功率密度小于被照射材料的点火阈值但不致材料熔化，另一束的功率密度则大于被照射材料的点火阈值，然后将两束激光一前一后按一定间距同时照射于板材上，并按预定轨迹进行连续扫描，借助于激光照射所形成的热应力和冲击力进行塑性成形，将板材加工为各种形状。此方案中，简单地借助激光照射所形成的热应力和冲击力进行塑性成形，难以无模成形大尺寸、复杂双曲扭转曲面，且难以形成具有一定的表面硬度，耐磨损及抗腐蚀的双曲扭转面，此外效率低。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种复杂双曲扭转曲面无模成形方法及装置，综合协调控制激光热应力成形和激光冲击成形方法，具成形质量高，回弹幅度小，成形件表面具有高硬度，耐磨损及抗腐蚀等特点，可适用于相关行业大尺寸金属板件高效率的无模成形。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
提供一种复杂双曲扭转曲面无模成形方法，包括以下步骤：
S1：根据复杂双曲扭转曲面无模成形的制备要求，计算曲面成形数据和曲面展开形状；
S2：根据步骤S1中所述曲面成形数据、曲面展开形状，确定激光热应力成形和激光冲击成形的协调控制参数；
S3：以成形加工时间为目标函数，优化协调控制参数，以寻求最小的成形加工时间；
S4：根据步骤S1中所述曲面展开形状下料制备成型件基材；
S5：对步骤S4中所述的成型件基材按步骤S3中优化后的协调控制参数加工成形复杂双曲扭转曲面。
本发明的复杂双曲扭转曲面无模成形方法，通过计算曲面成形数据和曲面展开形状，确定激光热应力成形和激光冲击成形的协调控制参数，并以成形加工时间为目标函数，对协调控制参数进行优化，使成形加工时间最短，本发明通过综合协调控制激光热应力成形方法和激光冲击成形方法，可以有效提高大尺寸、复杂双曲扭转曲面的无模成形效率，具成形质量高，回弹幅度小，成形件表面具有高硬度，耐磨损及抗腐蚀等特点。
优选地，步骤S1中，曲面成形数据包括曲面板内应变及应力分布，使用有限元法对激光热应力成形和激光冲击成形的残余应力分布状态进行计算并校核残余应力分布状态是否符合要求。
优选地，步骤S1中，复杂双曲扭转面的制备要求包括板材厚度、风阻、表面硬度、抗腐蚀性能和抗疲劳性。
优选地，步骤S1中，计算机专家系统还分析复杂双曲扭转曲面的曲面特性，曲面特性包括扭转线、扭转角大小和扭转角分布。
优选地，步骤S2中，确定的激光热应力成形和激光冲击成形的协调控制参数包括：在曲面展开形状板材上进行激光热应力成形的第一成形区域、加工路径、加工参数和成形加工次数；在曲面展开形状板材上进行激光冲击成形的第二成形区域、加工路径、加工参数和成形加工次数。
优选地，步骤S2中，在曲面展开形状板材上进行激光热应力成形的加工参数包括连续激光功率、连续激光光斑尺寸和连续激光扫描速度；在曲面展开形状板材上进行激光冲击成形的加工参数包括有脉冲激光能量密度、脉冲激光重复频率、脉冲激光光斑形状、脉冲激光光斑尺寸和脉冲激光脉冲宽度。
优选地，步骤S5中，利用型面几何精度测量仪通过透镜组实时采集成形曲面的几何特征数据，在计算机控制系统中将几何特征数据与计算机专家系统预置的曲面成形数据作比较，若误差大于可允许值，则由计算机专家系统对协调控制参数进行修正，反之，则由计算机控制系统继续控制复杂双曲扭转曲面的成形加工。
本发明还提供了一种复杂双曲扭转曲面无模成形装置，应用于上述的复杂双曲扭转曲面无模成形方法，包括：
透镜组，可用于调整焦距以及形成采集成形曲面几何特征数据所需的光路；
成形零件机器人，用于夹持曲面展开形状板材；
型面几何精度测量仪，用于通过所述透镜组实时采集成形曲面的几何特征数据并将所述几何特征数据发送至信息采集系统；
所述信息采集系统，用于接收所述型面几何精度测量仪发送的几何特征数据，并对几何特征数据进行处理传递至计算机上的计算机控制系统；
所述计算机控制系统，用于将接收的几何特征数据与计算机上的计算机专家系统预置的曲面成形数据作比较，控制激光冲击成形设备、热应力成形设备和涂水机器人；
所述计算机专家系统，用于计算曲面成形数据和曲面展开形状，确定激光热应力成形和激光冲击成形的协调控制参数并以成形加工时间为目标函数对协调控制参数进行优化；
所述热应力成形设备，用于对曲面展开形状板材按计算机专家系统预置的协调控制参数进行激光热应力成形加工；
所述激光冲击成形设备，用于对曲面展开形状板材按计算机专家系统预置的协调控制参数进行激光冲击成形加工；
所述涂水机器人，用于激光冲击成形过程约束层的形成。
本发明的复杂双曲扭转曲面无模成形装置，利用计算机专家系统计算曲面成形数据和曲面展开形状，确定激光热应力成形和激光冲击成形的协调控制参数，并以成形加工时间为目标函数，对协调控制参数进行优化，使成形加工时间最短，并利用型面几何精度测量仪通过透镜组采集成形曲面的几何特征数据，计算机控制系统将几何特征数据与曲面成形数据作比较，当误差大于可允许值，对协调控制参数进行修正，反之，根据协调控制参数控制热应力成形设备和激光冲击成形设备，综合协调控制激光热应力成形方法和激光冲击成形方法，有效提高大尺寸、复杂双曲扭转曲面的无模成形效率。
进一步地，还包括分别用于产生连续激光光束和脉冲激光光束的连续激光束产生机构和脉冲激光束产生机构。
进一步地，还包括分别装设于所述热应力成形设备和激光冲击成形设备的第一光斑形状转换装置和第二光斑转换装置，所述第一光斑形状转换装置和第二光斑转换装置可分别用于调节连续激光光束和脉冲激光光束的光斑形状及光斑尺寸大小。
本发明的复杂双曲扭转曲面无模成形方法及装置与背景技术相比，产生的有益效果为：
综合协调控制激光热应力成形和激光冲击成形方法，具成形质量高，回弹幅度小，成形件表面具有高硬度，耐磨损及抗腐蚀等特点，可适用于相关行业大尺寸金属板件高效率的无模成形。
附图说明
图1为实施例一中复杂双曲扭转曲面无模成形方法的流程图；
图2为实施例一中对复杂双曲扭转曲面加工成形的监控流程图；
图3为实施例二中复杂双曲扭转曲面无模成形装置的结构示意图；
图4为实施例三中成形件基材的立体图；
图5为实施例三中对成形件基材进行激光热应力成形的示意图；
图6为实施例三中对成形件基材进行激光冲击成形的示意图；
图7为实施例三中对成形件基材正面进行激光热应力成形和激光冲击成形的示意图；
图8为实施例三中对成形件基材背面进行激光冲击成形的示意图；
图9为实施例三中双曲扭转曲面的立体图；
附图中：1-计算机；11-涂水机器人控制系统；12-成形零件机器人控制系统；2计算机采集系统；3-型面几何精度测量仪；4-透镜组；5-激光器电源；6-热应力成形设备；61-第一光斑形状转换装置；62-第一成形区域；7-激光冲击成形设备；71-第二光斑形状转换装置；72-第二成形区域；8-涂水机器人；9-成形零件机器人。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。
实施例一
如图1所示，一种复杂双曲扭转曲面无模成形方法，包括以下步骤：
S1：根据复杂双曲扭转曲面无模成形的制备要求，计算曲面成形数据和曲面展开形状；
S2：根据步骤S1中所述曲面成形数据、曲面展开形状，确定激光热应力成形和激光冲击成形的协调控制参数；
S3：以成形加工时间为目标函数，优化协调控制参数，以寻求最小的成形加工时间；
S4：根据步骤S1中所述曲面展开形状下料制备成型件基材；
S5：对步骤S4中所述的成型件基材按步骤S3中优化后的协调控制参数加工成形复杂双曲扭转曲面。
上述的复杂双曲扭转曲面无模成形方法，通过计算曲面成形数据和曲面展开形状，确定激光热应力成形和激光冲击成形的协调控制参数，并以成形加工时间为目标函数，对协调控制参数进行优化，使成形加工时间最短，本发明通过综合协调控制激光热应力成形方法和激光冲击成形方法，可以有效提高大尺寸、复杂双曲扭转曲面的无模成形效率。
步骤S1中，曲面成形数据包括曲面板内应变及应力分布，使用有限元法对激光热应力成形和激光冲击成形的残余应力分布状态进行计算并校核残余应力分布状态是否符合要求。
复杂双曲扭转面的制备要求包括板材厚度、风阻、表面硬度、抗腐蚀性能和抗疲劳性，根据制备要求计算曲面成形数据进行成形加工，曲面成形质量、且具备抗腐蚀能力，有效提高疲劳寿命。
计算机专家系统还分析复杂双曲扭转曲面的曲面特性，曲面特性包括扭转线、扭转角大小和扭转角分布。
步骤S2中，确定的激光热应力成形和激光冲击成形的协调控制参数包括：在曲面展开形状板材上进行激光热应力成形的第一成形区域62、加工路径、加工参数和成形加工次数；在曲面展开形状板材上进行激光冲击成形的第二成形区域72、加工路径、加工参数和成形加工次数。
在曲面展开形状板材上进行激光热应力成形的加工参数包括连续激光功率和连续激光光斑尺寸；在曲面展开形状板材上进行激光冲击成形的加工参数包括有脉冲激光能量密度、脉冲激光重复频率、脉冲激光光斑形状、脉冲激光光斑尺寸和脉冲激光脉冲宽度。
步骤S5中，可对复杂双曲扭转曲面的加工成形进行监控，利用型面几何精度测量仪3通过透镜组4实时采集成形曲面的几何特征数据，在计算机控制系统中将几何特征数据与计算机专家系统预置的曲面成形数据作比较，若误差大于可允许值，则由计算机专家系统对协调控制参数进行修正，反之，则由计算机控制系统继续控制复杂双曲扭转曲面的成形加工，如图2所示。
实施例二：
如图3所示，本发明还提供了一种复杂双曲扭转曲面无模成形装置，应用于上述的复杂双曲扭转曲面无模成形方法，包括：
透镜组4，可用于调整焦距以及形成采集成形曲面几何特征数据所需的光路；
成形零件机器人9，用于夹持曲面展开形状板材；
型面几何精度测量仪3，用于通过透镜组4实时采集成形曲面的几何特征数据并将几何特征数据发送至信息采集系统2；
信息采集系统2，用于接收型面几何精度测量仪3发送的几何特征数据，并对几何特征数据进行处理传递至计算机1上的计算机控制系统；
计算机控制系统，用于将接收的几何特征数据与计算机1上的计算机专家系统预置的曲面成形数据作比较，控制激光冲击成形设备7、热应力成形设备6、成形零件机器人9和涂水机器人8动作；
计算机专家系统，用于计算曲面成形数据和曲面展开形状，确定激光热应力成形和激光冲击成形的协调控制参数并以成形加工时间为目标函数对协调控制参数进行优化；
热应力成形设备6，用于对曲面展开形状板材按计算机专家系统预置的协调控制参数进行激光热应力成形加工；
激光冲击成形设备7，用于对曲面展开形状板材按计算机专家系统预置的协调控制参数进行激光冲击成形加工；
涂水机器人8，用于激光冲击成形过程水约束层的形成。
本发明的复杂双曲扭转曲面无模成形装置，利用计算机专家系统计算曲面成形数据和曲面展开形状，确定激光热应力成形和激光冲击成形的协调控制参数，并以成形加工时间为目标函数，对协调控制参数进行优化，使成形加工时间最短，并利用型面几何精度测量仪3通过透镜组4采集成形曲面的几何特征数据，计算机控制系统将几何特征数据与曲面成形数据作比较，当误差大于可允许值，对协调控制参数进行修正，反之，根据协调控制参数控制热应力成形设备6和激光冲击成形设备7，综合协调控制激光热应力成形方法和激光冲击成形方法，有效提高大尺寸、复杂双曲扭转曲面的无模成形效率。
还包括分别用于产生连续激光光束和脉冲激光光束的连续激光束产生机构和脉冲激光束产生机构。
还包括激光器电源5，用于为热应力成形设备6和激光冲击成形设备7提供电能。
还包括与计算机控制系统连接的涂水机器人控制系统11和成形零件机器人控制系统12，分别控制涂水机器人8和成形零件机器人9的定位和动作。
还包括分别装设于所述热应力成形设备6和激光冲击成形设备7的第一光斑形状转换装置61和第二光斑转换装置71，所述第一光斑形状转换装置61和第二光斑转换装置71可分别用于调节连续激光光束和脉冲激光光束的光斑形状和及光斑尺寸大小。本实施例通过计算机控制系统协调控制脉冲激光光束的光斑形状和尺寸及涂水机器人8的联动定位，可以实现在不同光斑形状和尺寸情况下，调节水流、水压力与水流法向角以确保激光冲击成形的第二成形区域72水约束层厚度的一致性，防止水流的溅泼效应，保证激光冲击成形的有效进行。
计算机控制系统可根据计算机专家系统发送的激光热应力成形和激光冲击成形的协调控制参数改变联动成形零件机器人9的运动，实现复杂双曲扭转曲面表面型面精度和粗糙度等的控制。
计算机控制系统设有存储器单元和数据库，存储器单元可存储有曲面展开形状板件成形所需的残余应力分布、表面型面及粗糙度，数据库包含连续激光束光斑形状及尺寸、脉冲激光束光斑形状及尺寸与残余应力分布、表面型面及粗糙度之间的对应关系，通过人工智能大数据挖掘的方式确定激光热应力成形的连续激光束光斑形状及尺寸和激光冲击成形的脉冲激光束光斑形状及尺寸，以实现复杂双曲扭转曲面的精确预测和控制。
实施例三
如图4所示，成型件基材为Q355，厚度为3mm，连续激光功率为300W，光斑直径为2mm，扫描速度为20mm/s。脉冲激光功率为6J，光斑直径为2mm，脉冲宽度为18ns，重复频率为10Hz。
对成型件基材进行激光热应力成形时，第一成形区域62如图5所示。
对成型件基材进行激光冲击成形时，第二成形区域72如图6所示。
对成型件基材同时进行激光热应力成形和激光冲击成型时，如图7所示，先沿成型件基材正面的对角线进行激光热应力成形与激光冲击成形，随后根据策略，沿图中所示箭头方向延伸进行激光冲击成形，成形参数根据行进位置进行调整，如激光能量可以调整为5.5J、5J或4.5J，光斑直径可以先后调整为2mm，3mm和4mm；之后，如图8所示，以激光能量4.5J，光斑直径2mm，沿成型件基材背面的对角线进行激光冲击成形，沿图中虚线箭头方向进行激光冲击成形，激光能量先后调整为5J和4.5J，光斑直径先后调整为3mm和2mm。期间对复杂双曲扭转曲面的加工成形进行监控，利用型面几何精度测量仪3通过透镜组4实时采集成形曲面的几何特征数据，在计算机控制系统中将几何特征数据与计算机专家系统预置的曲面成形数据作比较，若误差大于可允许值，则由计算机专家系统对协调控制参数进行修正，反之，则由计算机控制系统继续控制复杂双曲扭转曲面的成形加工，反复迭代进行，直至成形至如图9所示的双曲扭转曲面。
在上述具体实施方式的具体内容中，各技术特征可以进行任意不矛盾的组合，为使描述简洁，未对上述各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种复杂双曲扭转曲面无模成形方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：根据复杂双曲扭转曲面无模成形的制备要求，计算曲面成形数据和曲面展开形状；
S2：根据步骤S1中所述曲面成形数据、曲面展开形状，确定激光热应力成形和激光冲击成形的协调控制参数；
S3：以成形加工时间为目标函数，优化协调控制参数，以寻求最小的成形加工时间；
S4：根据步骤S1中所述曲面展开形状下料制备成型件基材；
S5：对步骤S4中所述的成型件基材按步骤S3中优化后的协调控制参数加工成形复杂双曲扭转曲面。
2.根据权利要求1所述的复杂双曲扭转曲面无模成形方法，其特征在于，步骤S1中，曲面成形数据包括曲面板内应变及应力分布，使用有限元法对激光热应力成形和激光冲击成形的残余应力分布状态进行计算并校核残余应力分布状态是否符合要求。
3.根据权利要求1所述的复杂双曲扭转曲面无模成形方法，其特征在于，步骤S1中，复杂双曲扭转面的制备要求包括板材厚度、风阻、表面硬度、抗腐蚀性能和抗疲劳性。
4.根据权利要求1所述的复杂双曲扭转曲面无模成形方法，其特征在于，步骤S1中，计算机专家系统还分析复杂双曲扭转曲面的曲面特性，曲面特性包括扭转线、扭转角大小和扭转角分布。
5.根据权利要求1所述的复杂双曲扭转曲面无模成形方法，其特征在于，步骤S2中，确定的激光热应力成形和激光冲击成形的协调控制参数包括：在曲面展开形状板材上进行激光热应力成形的第一成形区域(62)、加工路径、加工参数和成形加工次数；在曲面展开形状板材上进行激光冲击成形的第二成形区域(72)、加工路径、加工参数和成形加工次数。
6.根据权利要求5所述的复杂双曲扭转曲面无模成形方法，其特征在于，步骤S2中，在曲面展开形状板材上进行激光热应力成形的加工参数包括连续激光功率、连续激光光斑尺寸和连续激光扫描速度；在曲面展开形状板材上进行激光冲击成形的加工参数包括有脉冲激光能量密度、脉冲激光重复频率、脉冲激光光斑形状、脉冲激光光斑尺寸和脉冲激光脉冲宽度。
7.根据权利要求1所述的复杂双曲扭转曲面无模成形方法，其特征在于，步骤S5中，利用型面几何精度测量仪(3)通过透镜组(4)实时采集成形曲面的几何特征数据，在计算机控制系统中将几何特征数据与计算机专家系统预置的曲面成形数据作比较，若误差大于可允许值，则由计算机专家系统对协调控制参数进行修正，反之，则由计算机控制系统继续控制复杂双曲扭转曲面的成形加工。
8.一种复杂双曲扭转曲面无模成形装置，应用于权利要求1～7任一项所述的复杂双曲扭转曲面无模成形方法，其特征在于，包括：
透镜组(4)，可用于调整焦距以及形成采集成形曲面几何特征数据所需的光路；
成形零件机器人(9)，用于夹持曲面展开形状板材；
型面几何精度测量仪(3)，用于通过所述透镜组(4)实时采集成形曲面的几何特征数据并将所述几何特征数据发送至信息采集系统；
所述信息采集系统，用于接收所述型面几何精度测量仪(3)发送的几何特征数据，并对几何特征数据进行处理传递至计算机(1)上的计算机控制系统；
所述计算机控制系统，用于将接收的几何特征数据与计算机(1)上的计算机专家系统预置的曲面成形数据作比较，控制激光冲击成形设备(7)、热应力成形设备(6)和涂水机器人(8)；
所述计算机专家系统，用于计算曲面成形数据和曲面展开形状，确定激光热应力成形和激光冲击成形的协调控制参数并以成形加工时间为目标函数对协调控制参数进行优化；
所述热应力成形设备(6)，用于对曲面展开形状板材按计算机专家系统预置的协调控制参数进行激光热应力成形加工；
所述激光冲击成形设备(7)，用于对曲面展开形状板材按计算机专家系统预置的协调控制参数进行激光冲击成形加工；
所述涂水机器人(8)，用于激光冲击成形过程约束层的形成。
9.根据权利要求8所述的复杂双曲扭转曲面无模成形装置，其特征在于，还包括分别用于产生连续激光光束和脉冲激光光束的连续激光束产生机构和脉冲激光束产生机构。
10.根据权利要求9所述的复杂双曲扭转曲面无模成形装置，其特征在于，还包括分别装设于所述热应力成形设备(6)和激光冲击成形设备(7)的第一光斑形状转换装置(61)和第二光斑转换装置(71)，所述第一光斑形状转换装置(61)和第二光斑转换装置(71)可分别用于调节连续激光光束和脉冲激光光束的光斑形状及光斑尺寸大小。
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