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類型分類：: 科普知識(shí)

數(shù)據(jù)分類：: 高壓斷路器

激光彎曲成形及應(yīng)用前景

發(fā)布日期：2022-04-27 點(diǎn)擊率：129

    一、前言
    借助于模具來完成的傳統(tǒng)金屬塑性加工，不能完全適應(yīng)制造業(yè)多品種小批量的生產(chǎn)方式。板料激光成形是一種新興的塑性加工方法。這是一種無模具、無外力的非接觸式熱態(tài)積累成形技術(shù)，具有生產(chǎn)周期短，柔性大，精度高等特點(diǎn)。并且，借助紅外測(cè)溫儀及形狀測(cè)量?jī)x, 可在數(shù)控激光加工機(jī)上實(shí)現(xiàn)全過程閉環(huán)控制, 從而保證工件質(zhì)量, 改善工作條件。板材激光彎曲作為一種新型無模具成形技術(shù)正日益受到板材成形加工界的密切關(guān)注，其基本原理是：利用高能激光束掃描金屬板材表面時(shí)形成的非均勻溫度場(chǎng)導(dǎo)致的熱應(yīng)力來實(shí)現(xiàn)塑性變形的工藝方法。當(dāng)激光束相對(duì)于板料的運(yùn)動(dòng)軌跡為直線時(shí)，便得到V形彎曲件；當(dāng)運(yùn)動(dòng)軌跡不重復(fù)或?yàn)榉侵本€時(shí)，便得到符合彎曲的異形件。所以，激光成形常常被稱為激光彎曲成形或激光彎曲。激光成形技術(shù)不僅能夠完成平板的彎曲、卷曲、淺拉伸等工藝，還可進(jìn)行曲板的反彎曲、校平或卷板的開卷，以及方管或圓管的彎曲、縮口、脹形等。盡管對(duì)該項(xiàng)技術(shù)的研究尚處于起步階段，關(guān)于其變形機(jī)理的解釋是初步的，對(duì)于其成形過程中的各種影響因素也還缺少理論分析和定量描述，但板材激光彎曲成形的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)已使人們感受到它所潛在的巨大效益，其工業(yè)應(yīng)用可以遍及航空、航天、微電子、船舶制造和汽車工業(yè)等多個(gè)領(lǐng)域。本文綜述了激光彎曲成形的研究現(xiàn)狀，并對(duì)其應(yīng)用范圍和發(fā)展前景做了展望。
二、板材激光彎曲成形的研究現(xiàn)狀
2.1板材激光成形機(jī)理
    根據(jù)激光加熱時(shí)板料厚度方向的溫度分布，激光成形有以下四種機(jī)理：①溫度梯度機(jī)理。當(dāng)金屬板料的一側(cè)受到激光的照射時(shí)，當(dāng)金屬板料的一側(cè)受到激光照射時(shí)，在照射區(qū)域的厚度方向會(huì)產(chǎn)生很大的溫度梯度。由于溫度的不同, 在靠近光源的區(qū)域金屬材料容易受熱產(chǎn)生膨脹變形, 使板料彎向反向區(qū)域, 但彎曲量會(huì)很小, 在背向光源的區(qū)域由于沒有受到激光的照射溫度變化不大, 而受熱膨脹區(qū)域會(huì)受到周圍區(qū)域的約束而產(chǎn)生壓應(yīng)變。在冷卻時(shí), 熱量流向周圍的材料, 變形區(qū)的材料收縮, 它們會(huì)對(duì)壓縮區(qū)的材料產(chǎn)生拉應(yīng)力, 但是變形區(qū)的材料難以恢復(fù)原來的形狀, 從而使板料彎向靠近光源的方向。如圖1-a，此時(shí)所獲得的變形類似于板料的三點(diǎn)折彎成形。②屈曲機(jī)理。如果加熱區(qū)過大, 材料的熱傳導(dǎo)率高且厚度過小時(shí), 在板料厚度方向上的溫度梯度就會(huì)很小, 由于周圍材料的約束會(huì)使加熱區(qū)板料產(chǎn)生壓應(yīng)力, 當(dāng)壓應(yīng)力超過材料的屈服應(yīng)力時(shí), 加熱區(qū)的材料產(chǎn)生局部失穩(wěn), 產(chǎn)生彎曲, 在進(jìn)行冷卻時(shí), 周圍材料對(duì)變形區(qū)的約束力減小, 從而使板料產(chǎn)生更大的彎曲變形。如圖1-b，此時(shí)所獲得的變形類似于薄板在板平面方向施加擠壓力時(shí)的變形。③增厚機(jī)理，加熱區(qū)的材料受熱膨脹后, 由于受到周圍材料的約束, 所以在厚度方向上材料就會(huì)產(chǎn)生較高的內(nèi)部壓應(yīng)力使材料堆積, 這樣就會(huì)使材料厚度方向增加而長(zhǎng)度或?qū)挾葴p少, 在冷卻過程中, 加熱區(qū)的材料不能恢復(fù)從而產(chǎn)生增厚。通過選擇正確的加熱路徑, 可以實(shí)現(xiàn)零件的加工。如圖1-c，此時(shí)所產(chǎn)生的變形類似于厚板在平面方向施加擠壓力時(shí)的變形。④彈性膨脹機(jī)理，當(dāng)激光僅照射一個(gè)局部區(qū)域時(shí), 在板料加熱區(qū)導(dǎo)致的熱膨脹要比溫度梯度機(jī)理大, 同時(shí)熱膨脹表現(xiàn)在局部, 會(huì)使板料產(chǎn)生純的彈性變形，從而使板料產(chǎn)生小的彎曲。但是這種彎曲是有限的, 因此, 我們可以通過對(duì)鄰近區(qū)域進(jìn)行點(diǎn)或塊的照射方式來增大變形，如圖1-d。但是，這種機(jī)理不能通過在同一個(gè)位置反復(fù)加熱來進(jìn)一步加大變形量，因?yàn)檫@樣會(huì)使上次獲得的彈性變形產(chǎn)生松馳，而通常采用對(duì)鄰近區(qū)域進(jìn)行點(diǎn)或塊照射的方式來增大變形。

2.2板材激光成形的影響因素
    板料的激光成形是一種非常復(fù)雜的熱力耦合過程，影響其成形的因素主要有：
    一是板料的幾何尺寸，尤其是板料的厚度影響非常顯著。一般認(rèn)為，當(dāng)板材很薄時(shí)，隨板厚的增加，板料對(duì)彎曲的阻力矩、板料上下表面的溫度梯度及與此相應(yīng)的彎曲力矩均有所增加。在一定范圍內(nèi)，彎曲力矩的增大占主導(dǎo)，隨板厚的增加彎曲角度增大。但是隨厚度的繼續(xù)增加，阻力矩的增大成為主要因素，彎曲角隨厚度的增加而減小。
    二是材料物理性質(zhì)。熱膨脹系數(shù)的增加有利于彎曲成形，而比熱的增加則會(huì)減少?gòu)澢嵌取＞筒牧狭W(xué)參數(shù)而言，屈服強(qiáng)度、彈性模量、硬化指數(shù)的增加都會(huì)增加彎曲成形的難度。
    三是激光參數(shù)，主要是激光束功率，光斑直徑，掃描速度和掃描次數(shù)。試驗(yàn)研究表明，在材料承受的最高溫度范圍內(nèi)，增加激光束能量，板材彎曲角度增大，減小光斑直徑可以增大板料表面單位面積上的吸收能量，降低掃描速度則可以增加板料與激光束間的能量交換時(shí)間，從而達(dá)到增大板材彎曲變形的目的。另外，由于一次掃描形成的彎曲角度很小，往往將激光束沿同一軌跡反復(fù)掃描，板材彎曲角度隨掃描次數(shù)增加呈線性增加。
2.3板材激光成形的研究方法
    近年來，國(guó)內(nèi)外學(xué)者著重在數(shù)值模擬和試驗(yàn)研究方面對(duì)板材激光彎曲技術(shù)展開研究，對(duì)激光彎曲技術(shù)的要點(diǎn)和存在的問題進(jìn)行了分析。
2.3.1數(shù)值模擬
    激光彎曲是一個(gè)溫度場(chǎng)與形變場(chǎng)相互影響相互作用的過程，屬于復(fù)雜的熱力耦合問題。建立數(shù)學(xué)模型時(shí)，為了與實(shí)際情況相吻合，采用三維非線性熱力耦合模型。由于材料的熱物理性能（熱導(dǎo)率、熱膨脹系數(shù)、比熱、密度），力學(xué)性能參數(shù)（彈性模量、屈服極限）都與溫度有關(guān)，分析中考慮了材料性能與溫度的函數(shù)關(guān)系。在大多數(shù)模型中，都同時(shí)考慮了板材表面與周圍環(huán)境存在的對(duì)流和輻射換熱。另外，熱載荷以熱流密度的形式，通過用戶子程序施加到相應(yīng)單元表面，來描述動(dòng)態(tài)熱源。目前對(duì)激光彎曲成形的數(shù)值模擬比較成熟的有以下三種：一是有限元法。利用有限元法實(shí)現(xiàn)激光彎曲成形過程的數(shù)值模擬，既能夠具體形象的表示出成形過程中溫度、應(yīng)力、位移等變化情況，從而揭示其成形機(jī)理及規(guī)律，又能通過數(shù)值模擬并結(jié)合一定的工藝實(shí)驗(yàn)優(yōu)化成形工藝參數(shù)，為生產(chǎn)提供最佳的工藝參數(shù)組合。并且，在確定工藝參數(shù)后，可以通過數(shù)值模擬預(yù)測(cè)工件形狀，校驗(yàn)工藝參數(shù)的選擇是否合理，節(jié)省研究中大量的人力和物力。二是人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法。對(duì)于精度要求不特別高、或者是粗加工的激光彎曲成形，劉韌、王忠雷和季忠等提出了人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，其解算效率較有限元法大大提高，而且運(yùn)算效率不像有限元程序那樣與板料的幾何尺寸有關(guān) , 更適合于解算大板料的優(yōu)化問題。三是遺傳算法。將板料激光彎曲成形分為粗加工及精加工階段，針對(duì)不同加工階段提出了不同的優(yōu)化目標(biāo)，利用遺傳優(yōu)化算法，以動(dòng)態(tài)顯式有限元為成形角度解算器，對(duì)激光成形的工藝參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，為激光多次掃描彎曲成形制定了快速、精確的成形工藝。
2.3.2試驗(yàn)研究
    板材激光彎曲成形試驗(yàn)過程在常規(guī)激光加工機(jī)上即可完成。如圖所示。對(duì)于復(fù)雜形狀的工件，還需要冷卻裝置、監(jiān)測(cè)裝置、轉(zhuǎn)臺(tái)等附屬裝置。實(shí)驗(yàn)中板材一端被夾持在工作臺(tái)上，通過移動(dòng)工作臺(tái)或激光頭使激光束與板材產(chǎn)生相對(duì)位移，令激光束在板材表面進(jìn)行掃描。一般在板材被照射表面涂石墨以提高材料對(duì)激光的吸收率，用熱電耦測(cè)量板材表面溫度，利用位移傳感器測(cè)量彎曲角度。采用不同的激光加工工藝參數(shù)（包括激光束功率、激光束移動(dòng)速度、光斑直徑），分別對(duì)不同材料、不同幾何形狀的板材進(jìn)行激光彎曲試驗(yàn)，得到該工藝成形過程中的變化規(guī)律。

                 圖 2 板材激光彎曲示意圖
    另外，如果借助位移傳感器和紅外測(cè)溫儀在數(shù)控激光加工機(jī)上實(shí)現(xiàn)全過程的閉環(huán)控制，就可以根據(jù)閉環(huán)系統(tǒng)的反饋結(jié)果將工藝參數(shù)進(jìn)行及時(shí)修正，準(zhǔn)確獲得所要求的變形量，提高加工精度。
三、研究趨勢(shì)與應(yīng)用展望
    盡管在過去的20年中，激光彎曲成形技術(shù)的研究已取得了一定進(jìn)展,但仍然有許多問題亟待解決。
    首先，如何加工滿足預(yù)定形狀及尺寸要求的工件是能否將激光彎曲成形技術(shù)大規(guī)模應(yīng)用于實(shí)際的瓶頸。這是因?yàn)楣ぜ尚尉群蜔釕?yīng)力成形的不確定因數(shù)太多是一對(duì)矛盾，熱應(yīng)力成形工藝的最大難點(diǎn)在于要制作出滿足預(yù)定形狀及尺寸要求的工件。激光彎曲成形工藝參數(shù)較多,而且參數(shù)之間是相互作用的，因而效率高、耗能少、工藝穩(wěn)定的最佳工藝參數(shù)組合與獲取就成為了本領(lǐng)域的難點(diǎn)之一。
    再次，工件原始的幾何形狀和加工過程中的幾何形狀對(duì)最后成形的影響還了解不多。通常薄板件成形加工前都有一種微小的彎曲，進(jìn)行激光彎曲成形時(shí),即使是直線彎曲,這種微小的彎曲也會(huì)以一種很復(fù)雜的方式影響加載和塑性變形的發(fā)展。此外,前道工序(如軋制板料)產(chǎn)生的殘余應(yīng)力的松弛也將影響熱應(yīng)力成形。
    雖然該項(xiàng)技術(shù)起步較晚，各項(xiàng)研究還不成熟，但是隨著理論的不斷深入和完善，以及數(shù)值模擬技術(shù)和柔性光纖傳輸?shù)认嚓P(guān)技術(shù)的飛速發(fā)展，板材激光成形技術(shù)作為現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中一種重要加工工藝必將在各個(gè)領(lǐng)域中得到越來越廣泛的應(yīng)用。

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