激光熱變形機理及復(fù)雜曲面板材熱成形工藝規(guī)劃研究.pdf

1、在航空航天、艦船、汽車及微電子的零部件中,成形件所占比重較大,品種多,批量小,成形工藝過程復(fù)雜,尤其是鈦鎳合金等難成形材料零件.采用常規(guī)整體加熱后沖壓的方法需要制作大量的耐高溫模具,成本高且周期長:部分零件由于受到加熱爐尺寸的限制,不能使用該方法進行成形加工.激光熱成形利用高能激光束對工件局部加熱誘發(fā)不均勻熱應(yīng)力,使板材產(chǎn)生塑性變形,以獲得所需要的目標(biāo)形狀.作為一種基于熱態(tài)積累的成形方法,激光熱成形無需模具與外力,是一種柔性成形技術(shù),特

2、別適合高硬脆性材料的成形與小批量零件的生產(chǎn).本課題針對復(fù)雜曲面激光熱成形工藝規(guī)劃研究中存在的問題,采用實驗測試、數(shù)值仿真和理論分析相結(jié)合的方法,通過對不同工藝參數(shù)條件下板材變形行為的研究,深入分析了激光熱變形過程中板材的成形機理、溫度場和變形場規(guī)律、成形精度控制方法、路徑規(guī)劃與工藝參數(shù)的確定方法,為實現(xiàn)金屬板材的快速精確成形提供理論基礎(chǔ).論文的主要研究工作和創(chuàng)新成果如下: (1)機理分析和板材彎曲方向控制.論文分析了溫度梯度機理

3、、屈曲機理與增厚機理等主要的成形機理,從板材彎曲變形和增厚等角度探討了不同工藝參數(shù)條件下板材的變形行為.針對復(fù)雜型面板材成形應(yīng)變場的要求,根據(jù)激光熱成形后板材的應(yīng)變分布規(guī)律,論文重新探討了溫度梯度機理與增厚機理,使其分別對應(yīng)于彎曲應(yīng)變與平面應(yīng)變,并提出了一種包含著溫度梯度機理和增厚機理條件下板材變形特征的熱成形機理--耦合機理.同時發(fā)現(xiàn)了在溫度梯度機理、屈曲機理與耦合機理條件下,板材既產(chǎn)生繞x軸彎曲也產(chǎn)生繞y軸彎曲變形的現(xiàn)象.此外,為了

4、實現(xiàn)板材彎曲方向的精確控制,論文對屈曲機理條件下板材的溫度分布與屈曲條件進行了理論分析,推導(dǎo)出屈曲機理適用范圍判斷準(zhǔn)則,根據(jù)F<,buckling>值可判斷板材的彎曲方向,并探討了加熱起始點以及加熱線位置對彎曲方向的影響規(guī)律,為激光熱成形工藝規(guī)劃中參數(shù)選擇提供理論基礎(chǔ). (2)激光熱成形溫度分布與變形行為的擴展性規(guī)律.為了減少小批量和大尺寸成形件的研究周期和成本,找出不同尺寸、材質(zhì)板材激光熱成形行為之間內(nèi)在聯(lián)系,論文對激光熱成形

5、溫度分布與變形規(guī)律的可擴展性進行研究.首先,通過定義轉(zhuǎn)化溫度,對激光能量、掃描速度和光斑直徑等單一工藝參數(shù)調(diào)整時溫度場變化的規(guī)律進行研究,進而揭示出不同加工工藝參數(shù)之間溫度場的映射關(guān)系.基于工藝參數(shù)與溫度分布之間映射規(guī)律,可以有效地通過已知工藝參數(shù)的溫度場預(yù)測出不同工藝參數(shù)條件下板材的溫度分布.其次,通過定義無量綱溫度和坐標(biāo)轉(zhuǎn)化,研究了板內(nèi)任一平行于上表面的平面上垂直于掃描路徑方向溫度分布的相似性規(guī)律,在此基礎(chǔ)上,推導(dǎo)出溫度分布代數(shù)解析

6、式.最后,將相似理論引入到激光熱成形領(lǐng)域,針對不同尺寸和不同材質(zhì)板材,建立溫度場和變形場相似準(zhǔn)則.基于該準(zhǔn)則可實現(xiàn)利用小尺寸板材熱成形來模擬大尺寸板材熱成形過程,利用常規(guī)材質(zhì)金屬板材來模擬貴重金屬板材的激光熱成形過程. (3)激光熱成形工件精度控制.激光熱成形中板材除了目標(biāo)變形外,同時產(chǎn)生翹曲變形、加熱線彎曲變形和加熱區(qū)域增厚這些冗余變形,導(dǎo)致產(chǎn)生成形誤差.論文分析了板材幾何尺寸、工藝參數(shù)、掃描順序、掃描方向和掃描間距對成形精度

7、的影響規(guī)律,可用于對給定激光熱成形工件的誤差評估,也可通過優(yōu)化工藝參數(shù)以減小成形誤差.另外,為了消除增厚機制條件下由于存在一定溫差而產(chǎn)生的厚度方向平面應(yīng)變差和小的彎曲變形,提出一種金屬板材上下表面同步加熱的掃描策略,該策略不僅可獲得可忽略的彎曲變形和均勻的塑性變形場,而且可選用較小的光斑直徑和較快的掃描速度,拓寬增厚機制條件下工藝參數(shù)的選擇范圍. (4)復(fù)雜曲面激光熱成形工藝規(guī)劃.基于上述有限元數(shù)值仿真、成形機理、溫度場分布和變

8、形規(guī)律研究,探究單曲率型面和雙曲率型面的成形策略.針對高斯曲率為零的單曲率曲面提出兩種加工策略,一種是根據(jù)目標(biāo)曲面的極值點和拐點進行曲面劃分,在不同分段上根據(jù)幾何曲率分布進行路徑規(guī)劃的單曲率型面工藝規(guī)劃的方法；另一種是基于有限元方法首先獲得板材變形所需要的殘余塑性應(yīng)變場,然后結(jié)合加工工藝參數(shù)與殘余塑性應(yīng)變基本關(guān)系數(shù)據(jù)庫確定激光掃描路徑和加工工藝參數(shù).針對高斯曲率非零的雙曲率曲面,分別建立平板和預(yù)彎曲板工藝參數(shù)與殘余塑性應(yīng)變基本關(guān)系數(shù)據(jù)庫

9、以及上下表面應(yīng)變比基本關(guān)系數(shù)據(jù)庫,基于板材成形所需要的應(yīng)變場,采用上下表面分別加熱進行雙曲率面工藝規(guī)劃. 通過對板材彎曲方向、變形規(guī)律擴展性、精度控制與工藝規(guī)劃等問題的研究,論文基于F<,buckling>值可準(zhǔn)確判斷板材的彎曲方向,實現(xiàn)了薄板凹凸面無翻轉(zhuǎn)成形:基于相似理論,可實現(xiàn)工藝規(guī)劃中不同材質(zhì)不同尺寸板材工藝參數(shù)的快速確定；基于冗余變形規(guī)律的研究,可實現(xiàn)工藝參數(shù)的優(yōu)化以提高成形精度；基于板材曲率變化與目標(biāo)型面變形場分析,解