金屬板料激光噴丸成形機制研究與數值分析.pdf

1、強激光誘導的沖擊波在材料加工中已得到應用，本文在介紹強激光在材料加工應用基礎上，著重介紹激光噴丸成形新技術，并就激光噴丸成形機理及其相關技術進行了系統(tǒng)研究，對激光噴丸下板料的變形特性進行了實驗，對激光噴丸成形件的表面質量進行了分析，用有限元分析方法對板料變形進行了數值模擬。主要內容有以下幾個方面：
　　 在簡要分析應力波形成、傳播和衰減的基礎上，著重分析了殘余壓應力形成的機理，首次建立了激光噴丸成形的數學模型，并根據純彎曲理論，

2、推導出激光噴丸條件下，板料變形的曲率半徑，使板料變形的曲率和激光脈沖參數聯(lián)系起來，為激光噴丸成形時選擇參數提供了依據。根據彎矩的合成理論，得出了在噴丸軌跡為直線情況下，板料變形的基本形狀為倒立的V形，復雜形狀是可以看作是基本形狀的復合。在此基礎上，將自由狀態(tài)下激光噴丸成形曲率半徑和預彎狀態(tài)下激光噴丸成形下曲率半徑進行了比較，從理論上說明了預彎狀態(tài)下激光噴丸成形能夠有效改善板料在自由狀態(tài)下成形時出現(xiàn)的球面雙曲現(xiàn)象。
　　 實驗研究

3、了激光噴丸條件下板料的變形特性，探討了板料變形量與激光脈沖參數、光斑覆蓋率、板料幾何尺寸以及噴丸路徑關系。實驗結果表明，在噴丸軌跡為直線的情況下，板料變形量隨激光能量的加大而加大，隨覆蓋率的增加而增加，隨噴丸次數的增加而增加，隨厚度的增加而減小。當板料幾何尺寸發(fā)生變化時，板料的曲率將發(fā)生變化。通過選擇噴丸區(qū)域和激光噴丸強度，能夠實現(xiàn)板料復雜三維形狀的成形。
　　 在進行自由狀態(tài)下板料變形實驗基礎上，進一步研究了預彎狀態(tài)下板料的變

4、形特性。實驗研究表明，單向施加彈性預彎減小了預彎方向的曲率半徑，加大了與預彎方向相垂直方向上的曲率半徑，并且隨著預彎量的增加，兩個方向上曲率半徑變化的效應更加顯著。在此基礎上，首次研究了激光噴丸成形精度。結果表明，激光噴丸成形的板料在半徑方向上精度能達到0.4mm，高于使用傳統(tǒng)方法成形得到的成形精度，說明了激光噴丸成形能實現(xiàn)板料的精密成形。
　　 用XRD方法研究測量了在激波加載區(qū)殘余壓應力分布和板料變形后的表面殘余應力。結果表

5、明，在激光噴丸沖擊下，激光誘導的殘余壓應力隨激光能量的增加而增大，隨沖擊次數的增加而增加。在激光噴丸成形件的表面都存在著殘余壓應力，受噴丸面的沖擊區(qū)的殘余應力大于未沖擊區(qū)的殘余壓應力，受噴丸面的殘余應力要高于未噴丸面的殘余壓應力值，成形件的表面存在有益的殘余壓應力，這是使用傳統(tǒng)模具彎曲件無法比擬的。研究還表明激光沖擊波誘導的殘余壓應力層的深度是傳統(tǒng)機械噴丸形成的殘余壓應力層深度的3倍多，使得激光噴丸成形板料的能力比傳統(tǒng)的噴丸成形板料的能

6、力強。
　　 研究了激光噴丸件表面的粗糙度、硬度、微觀組織等表面質量因素及其對工件機械性能的影響。研究表明，激光噴丸后，在板料表面留有微米級的光滑的凹坑，因而導致表面粗糙度下降，表面粗糙度下降程度取決于激光噴丸件成形的曲率和材料機械性能，對于給定的零件，不同的工藝會導致不同的表面粗糙度。激光噴丸后，板料表層的硬度得到了提高，組織得到了細化，位錯密度提高，意味著工件耐磨性和抗應力腐蝕的能力得到了提高，加之表層存在有益的殘余壓應力，

7、使工件的抗疲勞性能得到提高，疲勞壽命得以延長，說明激光噴丸成形是集激光沖擊強化和塑性成形與一體的技術。
　　 建立了激光沖擊下有限元模擬的模型，并對建模過程中的一些關鍵問題進行了處理。采用有限元分析的方法，對激光誘導的應力波傳播、表面動態(tài)應力、殘余壓應力和板料的變形進行了數值模擬，模擬結果和試驗結果、理論分析取得結果較為一致，說明建立的模型是可靠的、合理的，采用模擬的方法是可行的。在此基礎上，對板料成形的部分工藝進行了優(yōu)化，對板