激光微尺度彎曲工藝數值模擬及其實驗研究.pdf

1、激光彎曲成形作為一種新的無外力，無模具板材柔性成形方法，具有常規(guī)機械加工方法無法比擬的優(yōu)點。尤其是激光束可以聚焦到很小的尺寸，非常適合微尺度精密加工。深入研究激光微尺度彎曲成形機理以及工藝控制策略，將對微細加工理論和實踐有所貢獻，因而具有重要科學意義和工程應用價值。 本文圍繞厚度為0.1mm及以下尺寸的微尺度彎曲件的彎曲方向控制及變形量控制這兩個問題，針對微型不銹鋼工件的激光彎曲過程，采用有限元仿真以及實驗方法進行了研究。

2、 在對激光微尺度彎曲成形特點分析基礎上，考慮了隨溫度變化的材料熱物理性能參數(熱傳導率和比熱)和材料的力學性能參數(熱膨脹系數、屈服強度以及彈性模量等)，以及應變強化和應變速率對屈服強度的影響等本構特點，建立了激光微尺度彎曲成形熱力耦合有限元模擬模型。模擬結果表明，微尺度工件仍可實現基于溫度梯度機理的激光彎曲。溫度梯度機理下工件厚度方向存在強烈的溫度梯度，隨著加熱-冷卻變化，該梯度導致的應力變化，使工件上表面壓應力和壓縮變形量均大于下

3、表面，因此發(fā)生朝向激光束的正向彎曲變形。加熱過程中溫度場沿掃描路徑分布不均引起掃描路徑上不同位置的位移不同是造成“邊緣效應”現象的根源之一。 采用小功率CO2激光器、數控機械平臺、專用夾具與檢測裝置，建立了激光微尺度彎曲成形實驗裝置。經大量實驗，證明有限元分析結果與實驗值吻合良好，同時研究表明，工件表面峰值溫度在材料熔點以下時，彎曲角度隨激光功率增大而增大，隨掃描速度的增大而減小，當峰值溫度高于材料熔點，彎曲角度隨激光功率增大而

4、減小，隨掃描速度增大而增大；通過對多道次激光掃描彎曲成形進行實驗研究，分析了掃描步距及工件長度對微尺度工件彎曲成形的影響，根據研究結果，提出了根據單條掃描路徑獲得的彎曲角度來確定單曲率圓柱面成形的掃描路徑與掃描步距的工藝設計新方法。 對屈曲機理的激光微尺度彎曲成形進行研究，揭示了屈曲機理的變形機制，發(fā)現由于溫度梯度小，工件的初始應力易對其彎曲方向產生影響，屈曲將在存在較大壓應力的表面優(yōu)先發(fā)生。針對這種情況，通過一定方式給工件施加

5、可控的預應力，并對其進行數值模擬與實驗研究，詳細分析了預應力對彎曲過程的影響，結果表明預約束應力可顯著改變激光彎曲成形過程中的應力分布，通過控制預約束應力大小與方向可以穩(wěn)定實現工件反向彎曲，也可靈活控制工件的彎曲變形量。 研究了激光偏振特性在激光彎曲成形中的作用。由于激光偏振特性引起激光吸收率的變化，以及累積彎曲角度引起光斑面積的變化，實際作用于板材的激光能量是變化的，這就是造成沿同一路徑多次激光掃描，每次掃描彎曲角度變化的主要

6、原因。改變入射角度可以適應激光的偏振特性，在實驗研究變入射角度下微型工件彎曲變形規(guī)律的基礎上，提出了通過改變激光入射角度進行工件彎曲變形量控制的方法，并通過實驗進行了驗證。 實現了有限元軟件MARC與優(yōu)化設計軟件iSIGHT的有機集成，探究了激光彎曲成形工藝優(yōu)化的改進方案。在理論模擬與實驗分析的基礎上，將優(yōu)化過程中熱力耦合模擬轉換為溫度場模擬，大幅提高了優(yōu)化效率。利用改進型工藝優(yōu)化策略和變入射角工件彎曲變形量控制方法，提出了預定