[发明专利]一种激光数字化柔性成形方法及装置

说明书

技术领域

本发明涉及机械制造领域，特别涉及一种利用激光冲击实现应力分布进行成形的激光数字化柔性成形方法及装置，适用于金属板料的成形，特别适用于大型结构件的大区率精密成形。

背景技术

金属板料零件的加工和使用过程中，普遍存在着因材料性质、毛坯初始应力状态、加工工艺、零件的几何结构和使用条件等因素的相互作用而产生的变形问题。由于变形控制的研究刚刚起步，短期内还很难将所有工件的制造精度均控制在设计精度范围之内。国内外对板料变形成正问题，尤其是大厚度、高精度板料成形的研究技术研究较少。

目前金属板料的成形方法主要有热成形、时效应力成形和压力成形。最常见的是热成形和压力成形，热成形缺点是对零件组织有热影响，压力成形与工件表面接触，精度难以控制。

机械喷丸成形方法可以采用固溶热处理状态的板材进行加工，它对零件几何尺寸变化的适应性好。适合于大中型结构件的双曲率成形。

球面或双曲型面变形趋势通常是金属板件喷丸成形时的一大显著特点。但是，实际喷丸板件外形，如机翼整体壁板蒙皮等往往是以直纹面为主或大部分区域为直纹面，要求在喷丸成形这类板件时，限制其喷丸型面的球面或双曲面变形趋势，只产生单曲或以单曲为主的外型面。

为此，国外学者提出了沿机翼整体壁板蒙皮等百分线，一窄条、一窄条地逐条喷丸成形的方法。该方法弹坑集中分布在以等百分线为中心线的喷丸条带上，相邻两个喷丸条带之间的间隔区(两个喷丸条带之间的非喷丸条带区)内只有很稀疏的弹坑或几乎没有弹坑，甚至借助工艺措施可以使间隔区域上不被弹丸撞击。喷丸变形主要集中在喷丸条带上，间隔区上只有很小甚至没有变形。由于间隔区的存在，在相当程度上限制了壁板沿等百分线方向上的喷丸变形，因而限制了壁板在喷丸成形时的球面或双曲型面变形趋势。该方法具有操作简便、使用灵活、效果可控等优点，在国外已经做为减小或限制喷丸型面球面或双曲型面变形趋势的一种有效工艺手段，被用于大型机翼整体壁板蒙皮等板件的成形。

但是由于机械喷丸的金属弹丸的金属残留问题，即喷丸区精确控制比较困难，所以需要研究出相应的方法来解决。

发明内容

为了解决针对大型结构件进行小曲率精密成形的难题，本发明根据应力成形的理论，以激光诱导应力为应力产生装置，提供一种激光数字化柔性成形方法及装置，特别对于大型结构件的精密成形的方法及装置，能够实现凸面和凹面两种情况精密的成形，能解决传统机械喷丸成形金属弹丸在工件表面的残留问题。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种激光数字化柔性成形方法，其特征在于，具体步骤为：

A)把激光条状冲击区域看作为初应力作用的区域，作用效果由加载区域的宽度、应力大小和应力深度三个参数决定，其中应力区域的宽度可以用光斑直径来表示，在模型加载过程中可以假设应力的深度不变，通过应力值大小变化来表示实际激光冲击变形量的大小，采用等效初应力载荷的静态分析方法，把激光冲击工艺参数等效成初应力载荷的大小，建立分析激光冲击作用变形量的有限元模型，可以对板料的激光变形问题进行分析，并且通过试验对模型进行验证，为成形工艺参数的计算奠定基础；

B)通过仿真方法建立等效应力与变形之间的关系，使得等效应力与变形量一一对应；

C)通过试验建立试验参数与变形之间的关系库，即激光参数与变形量之间的一一对应关系；

D)进而得到试验参数与等效应力的联系；

E)在有限院模型中，以等效应力为变量，校形量为计算目标，优化计算成形需要的等效应力和最佳冲击区域分布；

F)根据等效应力与工艺参数的对应关系可得到成形工艺参数，根据成形工艺参数和光斑分布路径，设置激光器参数和二维移动工作台参数，进行校形。

G)根据成形工艺参数和光斑分布路径，设置激光器参数和控制臂的移动参数，进行成形。

作为本发明的优选技术方案，所述脉冲激光形成能量密度在1GW/cm²以上

一种激光数字化柔性成形装置，所述装置包括工件、控制臂、水管、光导纤维、激光器、计算机、激光束、水约束层以及夹具；所述工件通过夹具夹持，所述激光器发出激光束通过光导纤维到达工件表面，水流喷嘴的指向平行于激光头，所述水管连接水流喷嘴，水垂直流到工件表面，并在工件表面激光冲击区域形成厚度6-8mm的水约束层，所述计算机通讯端口控制控制制臂的移动，控制臂带动水流喷嘴和激光束的移动。

优选的，所述激光器为短脉冲激光器，脉宽1-50ns。