[發(fā)明專利]金屬板材激光高精度熱彎曲成形

無效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 200910015653.6
• 申請(qǐng)日: 2009-05-19
• 公開（公告）號(hào): CN101559539A
• 公開（公告）日: 2009-10-21
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 石永軍;劉衍聰;伊鵬
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國(guó)石油大學(xué)（華東）
• 主分類號(hào): B23K26/00
• 分類號(hào): B23K26/00;B21D5/00
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• 代理人: 暫無信息

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種利用激光束實(shí)現(xiàn)金屬板材高精度彎曲成形的方法，屬于機(jī)械制造技術(shù)領(lǐng) 域，可應(yīng)用于小批量或難成形材料的金屬板材無模快速成形加工。

技術(shù)背景

激光熱成形技術(shù)作為一種新的板材成形工藝方法，將激光技術(shù)引入到塑性成形技術(shù)中， 利用高能激光束局部加熱材料表面，誘發(fā)不均勻熱應(yīng)力，使材料產(chǎn)生塑性變形，從而獲得所 需目標(biāo)形狀。與傳統(tǒng)板材沖壓成形等冷成形工藝相比，激光熱成形過程中無需模具和外力， 因而柔性大，生產(chǎn)周期短，特別適合于多品種、小批量的零部件的加工；由于屬于熱態(tài)累積 成形，該技術(shù)尤其適合高硬度、高脆性等難成形材料的成形，像鈦合金、鎳合金、陶瓷和硅 片等；激光能量密度高，熱影響區(qū)小，對(duì)成形件材料性能的影響小，且成形過程中不易產(chǎn)生 皺曲。因此，激光熱成形技術(shù)在航空航天、汽車、船舶和微電子等領(lǐng)域具有重大的應(yīng)用前景， 初步的工業(yè)應(yīng)用也顯示出該技術(shù)巨大的開發(fā)潛力。

目前，由于不同位置冷態(tài)材料對(duì)加熱區(qū)域的約束力變化、加熱起始端溫度與終止端溫度 不同于準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)溫度，導(dǎo)致激光熱成形加工中工件除了產(chǎn)生期望的沿加熱線法向橫向彎曲變形 外，還會(huì)產(chǎn)生沿加熱線的彎曲變形、翹曲變形等成形過程中不希望得到的變形，導(dǎo)致沿加熱 線板材彎曲角度不同，在板的兩側(cè)彎曲角稍微大一些，而在板的中部彎曲角較小。盡管在常 規(guī)熱成形中可以不予考慮，但對(duì)于成形精度要求較高的工件，像航空航天、醫(yī)療和微電子等 領(lǐng)域的零部件，這些成形誤差不僅會(huì)影響工件的裝配精度，也嚴(yán)重影響工件的使用壽命，并 制約了激光熱成形技術(shù)在上述領(lǐng)域應(yīng)用。在激光熱成形過程中，由于板材的非期望變形伴隨 著期望變形同時(shí)產(chǎn)生，因此，必須掌握激光熱成形中兩者并存矛盾現(xiàn)象的有效解決方法，才 能在保證期望變形的前提下，減小沿加熱線板材彎曲角度，提高工件的成形精度。

發(fā)明內(nèi)容

為了克服金屬板材激光熱成形中沿加熱線板材彎曲角度不同的問題，本發(fā)明提供一種熱 力結(jié)合的金屬板材激光熱成形方法，減小沿加熱線板材彎曲角度的變化，提高金屬板材的成 形精度。

本發(fā)明任務(wù)解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：金屬板材置于三維數(shù)控平臺(tái)上，一端 固定。為了防止金屬板材表面油垢影響傳熱，金屬板材用丙酮進(jìn)行清洗。由于低碳鋼對(duì)其的 吸收率很低，為了提高激光的吸收系數(shù)，在金屬表面均勻涂上一層涂層，進(jìn)行黑化處理。連 續(xù)激光束以一定的掃描速度沿給定的運(yùn)動(dòng)軌跡加熱金屬板材表面，通過自然冷卻、強(qiáng)制對(duì)流 空冷或強(qiáng)制對(duì)流水冷對(duì)加熱區(qū)域進(jìn)行冷卻。產(chǎn)生沿加熱線板材彎曲角度變化的主要原因，一 是在不同位置金屬板材的冷態(tài)材料對(duì)加熱區(qū)域的約束力不同，在板的兩側(cè)約束力小一些，而 在板材的中部約束力較大，約束力不同導(dǎo)致高溫區(qū)域的塑性收縮變形不同；二是加熱過程中 在加熱起始端溫度比準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)溫度低，而在終止端溫度比準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)溫度高。為了獲得沿加熱線相 同的彎曲角度，在激光束后約1～3個(gè)光斑直徑的距離處施加不同的壓力，該處板材已由反向 彎曲轉(zhuǎn)變?yōu)檎驈澢媳砻娌牧蠝囟冉档投卤砻鏈囟热砸^續(xù)升高一段時(shí)間，下表面熱 膨脹量繼續(xù)增加，且溫度仍然很高(約在450℃左右)，該溫度條件下金屬板材屈服強(qiáng)度大大 下降而易于變形，因此在較小壓力下板材可獲得較大的塑性變形。對(duì)于較厚的金屬板材用機(jī) 械的方式進(jìn)行壓力施加，對(duì)于較薄的金屬板材，可用高壓氣流進(jìn)行壓力施加。施加較大的壓 力對(duì)應(yīng)于彎曲角較大的增加，施加較小的壓力對(duì)應(yīng)于彎曲角較小的增加，具體的壓力值隨工 藝參數(shù)和板材幾何尺寸變化。為了求出每次掃描所需要的加工工藝參數(shù)，建立壓力大小、光 斑直徑、激光功率和掃描速度與板材變形基本關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)。根據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)和板材變形量要求， 可以反求出所需要的加工工藝參數(shù)。

與常規(guī)的金屬板材熱成形相比，試驗(yàn)結(jié)果表明該方法沿加熱線方向可以獲得均勻的板材 彎曲角，大大提高金屬板材的成形精度。由于在高溫下進(jìn)行板材成形，該方法不僅適于常規(guī) 金屬材料，而且也可應(yīng)用于高硬脆難變形材料的成形，在航空航天、醫(yī)療機(jī)械和微電子等領(lǐng) 域有著較大的應(yīng)用前景。

附圖說明

圖1高精度激光熱彎曲成形裝置示意圖

圖2高精度激光熱彎曲成形過程示意圖

1控制系統(tǒng)，2激光器，3反射鏡，4聚焦鏡，5激光束，6成形工件，7三維數(shù)控臺(tái)，8夾具， 9壓力輸出系統(tǒng)

具體實(shí)施方式