激光弯曲成形及应用前景.docx
激光弯曲成形及应用前景hanjuan导语：板料激光成形是一种新兴的塑性加工方法。一、前言借助于模具来完成的传统金属塑性加工，不能完全适应制造业多品种小批量的消费方式。板料激光成形是一种新兴的塑性加工方法。这是一种无模具、无外力的非接触式热态积累成形技术，具有消费周期短，柔性大，精度高等特点。并且，借助红外测温仪及外形测量仪,可在数控激光加工机上实现全经过闭环控制,进而保证工件质量,改善工作条件。板材激光弯曲作为一种新型无模具成形技术正日益受到板材成形加工界的亲密关注，其根本原理是：利用高能激光束扫描金属板材外表时形成的非均匀温度场导致的热应力来实现塑性变形的工艺方法。当激光束相对于板料的运动轨迹为直线时，便得到V形弯曲件；当运动轨迹不重复或者为非直线时，便得到符合弯曲的异形件。所以，激光成形经常被称为激光弯曲成形或者激光弯曲。激光成形技术不仅可以完成平板的弯曲、卷曲、浅拉伸等工艺，还可进展曲板的反弯曲、校平或者卷板的开卷，以及方管或者圆管的弯曲、缩口、胀形等。尽管对该项技术的研究尚处于起步阶段，关于其变形机理的解释是初步的，对于其成形经过中的各种影响因素也还缺少理论分析和定量描绘，但板材激光弯曲成形的独特优点已使人们感受到它所潜伏的宏大效益，其工业应用可以普及航空、航天、微电子、船舶制造和汽车工业等多个领域。本文综述了激光弯曲成形的研究现状，并对其应用范围和开展前景做了展望。二、板材激光弯曲成形的研究现状2.1板材激光成形机理根据激光加热时板料厚度方向的温度分布，激光成形有以下四种机理：温度梯度机理。当金属板料的一侧受到激光的照射时，当金属板料的一侧受到激光照射时，在照射区域的厚度方向会产生很大的温度梯度。由于温度的不同,在靠近光源的区域金属材料轻易受热产生膨胀变形,使板料弯向反向区域,但弯曲量会很小,在背向光源的区域由于没有受到激光的照射温度变化不大,而受热膨胀区域会受到四周区域的约束而产生压应变。在冷却时,热量流向四周的材料,变形区的材料收缩,它们会对压缩区的材料产生拉应力,但是变形区的材料难以恢复原来的外形,进而使板料弯向靠近光源的方向。屈曲机理。假如加热区过大,材料的热传导率高且厚度过小时,在板料厚度方向上的温度梯度就会很小,由于四周材料的约束会使加热区板料产生压应力,当压应力超过材料的屈从应力时,加热区的材料产生部分失稳,产生弯曲,在进展冷却时,四周材料对变形区的约束力减小,进而使板料产生更大的弯曲变形。增厚机理，加热区的材料受热膨胀后,由于受到四周材料的约束,所以在厚度方向上材料就会产生较高的内部压应力使材料堆积,这样就会使材料厚度方向增加而长度或者宽度减少,在冷却经过中,加热区的材料不能恢复进而产生增厚。通过选择正确的加热途径,可以实现零件的加工。弹性膨胀机理，当激光仅照射一个部分区域时,在板料加热区导致的热膨胀要比温度梯度机理大,同时热膨胀表如今部分,会使板料产生纯的弹性变形，进而使板料产生小的弯曲。但是这种弯曲是有限的,因此,我们可以通过对邻近区域进展点或者块的照射方式来增大变形。但是，这种机理不能通过在同一个位置反复加热来进一步加大变形量，由于这样会使上次获得的弹性变形产生松驰，而通常采用对邻近区域进展点或者块照射的方式来增大变形。2.2板材激光成形的影响因素板料的激光成形是一种非常复杂的热力耦合经过，影响其成形的因素主要有：一是板料的几何尺寸，尤其是板料的厚度影响非常显著。一般以为，当板材很薄时，随板厚的增加，板料对弯曲的阻力矩、板料上下外表的温度梯度及与此相应的弯曲力矩均有所增加。在一定范围内，弯曲力矩的增大占主导，随板厚的增加弯曲角度增大。但是随厚度的继续增加，阻力矩的增大成为主要因素，弯曲角随厚度的增加而减小。二是材料物理性质。热膨胀系数的增加有利于弯曲成形，而比热的增加那么会减少弯曲角度。就材料力学参数而言，屈从强度、弹性模量、硬化指数的增加都会增加弯曲成形的难度。三是激光参数，主要是激光束功率，光斑直径，扫描速度和扫描次数。试验研究说明，在材料承受的最高温度范围内，增加激光束能量，板材弯曲角度增大，减小光斑直径可以增大板料外表单位面积上的吸收能量，降低扫描速度那么可以增加板料与激光束间的能量交换时间，进而到达增大板材弯曲变形的目的。另外，由于一次扫描形成的弯曲角度很小，往往将激光束沿同一轨迹反复扫描，板材弯曲角度随扫描次数增加呈线性增加。2.3板材激光成形的研究方法近年来，国内外学者着重在数值模拟和试验研究方面对板材激光弯曲技术展开研究，对激光弯曲技术的要点和存在的问题进展了分析。2.3.1数值模拟激光弯曲是一个温度场与形变场互相影响互相作用的经过，属于复杂的热力耦合问题。建立数学模型时，为了与实际情况相吻合，采用三维非线性热力耦合模型。由于材料的热物理性能热导率、热膨胀系数、比热、密度，力学性能参数弹性模量、屈从极限都与温度有关，分析中考虑了材料性能与温度的函数关系。在大多数模型中，都同时考虑了板材外表与四周环境存在的对流和辐射换热。另外，热载荷以热流密度的形式，通过用户子程序施加到相应单元外表，来描绘动态热源。目前对激光弯曲成形的数值模拟比拟成熟的有以下三种：一是有限元法。利用有限元法实现激光弯曲成形经过的数值模拟，既可以详细形象的表示出成形经过中温度、应力、位移等变化情况，进而提醒其成形机理及规律，又能通过数值模拟并结合一定的工艺实验优化成形工艺参数，为消费提供最正确的工艺参数组合。并且，在确定工艺参数后，可以通过数值模拟预测工件外形，校验工艺参数的选择是否公道，节省研究中大量的人力和物力。二是人工神经网络算法。对于精度要求不十分高、或是粗加工的激光弯曲成形，刘韧、王忠雷和季忠等提出了人工神经网络算法，其解算效率较有限元法大大进步，而且运算效率不像有限元程序那样与板料的几何尺寸有关,更合适于解算大板料的优化问题。三是遗传算法。将板料激光弯曲成形分为粗加工及精加工阶段，针对不同加工阶段提出了不同的优化目的，利用遗传优化算法，以动态显式有限元为成形角度解算器，对激光成形的工艺参数进展了优化设计，为激光屡次扫描弯曲成形制定了快速、准确的成形工艺。2.3.2试验研究板材激光弯曲成形试验经过在常规激光加工机上即可完成。对于复杂外形的工件，还需要冷却装置、监测装置、转台等附属装置。实验中板材一端被夹持在工作台上，通过挪动工作台或者激光头使激光束与板材产生相对位移，令激光束在板材外表进展扫描。一般在板材被照射外表涂石墨以进步材料对激光的吸收率，用热电耦测量板材外表温度，利用位移传感器测量弯曲角度。采用不同的激光加工工艺参数包括激光束功率、激光束挪动速度、光斑直径，分别对不同材料、不同几何外形的板材进展激光弯曲试验，得到该工艺成形经过中的变化规律。另外，假如借助位移传感器和红外测温仪在数控激光加工机上实现全经过的闭环控制，就可以根据闭环系统的反应结果将工艺参数进展及时修正，准确获得所要求的变形量，进步加工精度。三、研究趋势与应用展望尽管在过去的20年中，激光弯曲成形技术的研究已获得了一定进展,但仍然有很多问题亟待解决。首先，怎样加工知足预定外形及尺寸要求的工件是能否将激光弯曲成形技术大规模应用于实际的瓶颈。这是由于工件成形精度和热应力成形的不确定因数过多是一对矛盾，热应力成形工艺的最大难点在于要制作出知足预定外形及尺寸要求的工件。激光弯曲成形工艺参数较多,而且参数之间是互相作用的，因此效率高、耗能少、工艺稳定的最正确工艺参数组合与获取就成为了本领域的难点之一。再次，工件原始的几何外形和加工经过中的几何外形对最后成形的影响还理解不多。通常薄板件成形加工前都有一种微小的弯曲，进展激光弯曲成形时,即使是直线弯曲,这种微小的弯曲也会以一种很复杂的方式影响加载和塑性变形的开展。此外,前道工序如轧制板料产生的剩余应力的松弛也将影响热应力成形。固然该项技术起步较晚，各项研究还不成熟，但是随着理论的不断深化和完善，以及数值模拟技术和柔性光纤传输等相关技术的飞速开展，板材激光成形技术作为当代工业消费中一种重要加工工艺必将在各个领域中得到越来越广泛的应用。
