[发明专利]激光辅助预应力喷丸成形－强化复合方法

说明书

技术领域

本发明涉及钣金结构成型领域，尤其是一种激光辅助预应力喷丸成形-强化复合方法。

背景技术

工程上有这样一类钣金零件，譬如飞机的蒙皮和整体(蒙皮与支撑筋条一体化)壁板零件、火箭的整体燃料箱零件、船舶的船舷和甲板零件以及汽车的覆盖件等，需要采取压弯或滚弯(压弯的另一种形式，成形零件可以在被压弯的同时随支撑辊转动)方式成形。

压弯或滚弯是目前壁板成形的主要方法。该方法利用三点弯曲方式成形壁板，壁板由两个支撑点所支撑，加载装置控制压头在壁板上预定的位置加载。壁板在载荷的作用下产生塑性变形，从而实现预期的几何外形。压弯成形可以是一次成形也可以是多次或增量式成形(通过多次、逐步的加载方法使坯件成形)。载荷大小和加载位置，以及加载次序都是成形中需要考虑的问题。

对于飞机蒙皮和壁板类零件，由于尺寸大、结构形状复杂，采用该方法变形量小、成形难度大、不能成形局部变形量大和筋条高的零件。其主要体现是：变形抗力大、回弹量大、易出现变形损伤(如筋条起皱和开裂等)、成形精度较差。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种显著提高压弯成形量、成形效率和成形精度，同时提高结构材料力学性能的激光辅助预应力喷丸成形-强化复合方法。

为实现上述目的，本发明激光辅助预应力喷丸成形-强化复合方法，具体为：

1)建立成形材料的力学性能和热物性能等相关性能参数，成形零件的结构、尺寸和形状数据库，以及材料在机械载荷、热载荷作用下的响应规律，建立仿真平台；

2)基于仿真平台对工件进行虚拟复合成形，描述弹性能分布规律、设计激光加工参数和喷丸工艺参数；

3)对坯件施加机械预负载，使其达到设定的变形参数；

4)根据激光加工参数对坯件进行激光加工，激光加工完成后，顺延激光加工路径对坯件进行喷丸处理；

5)通过坯件状态传感器向控制系统反馈加工过程实时监控数据，控制系统根据这些数据及时修正工艺参数，优化激光处理和喷丸处理过程，形成整个加工过程的闭环控制。

采用本发明方法成形时，由激光-材料相互作用的热效应既可以降低激光作用区材料的变形抗力(弹性模量和屈服强度)，又可以通过其在零件厚度方向上建立的非均匀热应力场辅助零件成形，因此能够显著提高成形件的压弯成形量以及成形效率和成形精度；而紧随其后进行的喷丸能进一步对热作用区域进行应变强化，提高结构力学性能。

具体实施方式

本发明一种激光辅助预应力喷丸成形-强化复合方法，具体为：1)建立成形材料的力学性能和热物性能等相关性能参数，成形零件的结构、尺寸和形状数据库，以及材料在机械载荷、热载荷作用下的响应规律，建立仿真平台；2)基于仿真平台对工件进行虚拟复合成形，描述弹性能分布规律、设计激光加工参数和喷丸工艺参数；3)对坯件施加机械预负载，使其达到设定的变形参数；4)根据激光加工参数对坯件进行激光加工，并顺延激光加工路径对坯件进行喷丸处理；5)通过坯件状态传感器向控制系统反馈加工过程实时监控数据，控制系统根据这些数据及时修正工艺参数，优化激光处理和喷丸处理过程，形成整个加工过程的闭环控制。

该方法首先以机械预加载方法使工件在弹性范围内发生预期的变形，然后向零件弹性能集中区域以激光束扫描，最后沿激光扫描路径对工件进行喷丸。采用该方法成形时，由激光-材料相互作用的热效应既可以降低激光作用区材料的变形抗力(弹性模量和屈服强度)，又可以通过其在零件厚度方向上建立的非均匀热应力场辅助零件成形，因此能够显著提高上述成形件的压弯成形量以及成形效率和成形精度；而紧随其后进行的喷丸能进一步对热作用区域进行应变强化，提高结构力学性能。由于进行喷丸时，激光辐照热作用仍然存在，局部材料仍然处于相对较高的温度、变形抗力相对较低，喷丸将在更大的区域内形成残余压应力，并且残余应力在一定区域内分布相对更均匀，这将更好的改善材料抗疲劳破坏性能。

本发明基于传统机械成形方法，引入激光扫描的热效应和喷丸强化作用，可以对机械方法无法实现预期成形的工件同时进行成形和强化该方法克服了机械成形可能带来成形件损伤甚至破坏的缺点，也解决了热作用可能对材料造成的性能退化问题。主要包括如下三个方面：第一、激光与材料相互作用的热效应使成形件局部区域的材料在成形时弹性模量下降、屈服强度降低；第二、利用喷丸造成的材料冷作硬化效果，对结构施加残余压缩应力、强化材料力学性能。第三、在激光束扫描后立即沿同一路径进行喷丸，可利用局部高温降低材料变形抗力的事实，获得更均匀、范围更大的喷丸强化效果。