[發明專利]一種微變形板材激光矯平方法

有效

• 申請號: 201710405198.5
• 申請日: 2017-05-31
• 公開（公告）號: CN108971267B
• 公開（公告）日: 2020-01-14
• 發明（設計）人: 石永軍;孫瑞;劉衍聰;戰祥華;李琪;王瑞海
• 申請（專利權）人: 中國石油大學(華東)
• 主分類號: B21D1/00
• 分類號: B21D1/00
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明為一種利用激光熱效應對發生微變形板材進行矯平的方法。根據板材的變形形式，規劃不同的激光掃描路徑，確定每條路徑所需矯平角度，建立單次矯正角度、最高溫度與激光功率、掃描速度、掃描間距之間的映射關系，根據所需彎曲角度選擇合適的工藝參數，并進行快速預測驗證矯平工藝有效性，確定所需有效工藝參數。將待矯平件置于三維數控平臺，激光束以選擇的工藝參數沿規劃的掃描路徑進行連續照射，使板材發生彎曲變形，最終實現微變形板材的矯平。該方法適用于形狀復雜、高硬度及高脆性變形板材的矯平，在航空航天及微電子領域具有較大應用前景。

技術領域

本發明涉及一種利用激光熱效應對發生微變形板材進行矯平的方法，屬于機械加工制造領域，可應用于復雜型面板材或易發生回彈板材的矯平加工。

背景技術

在工業制造領域，由于運輸條件、加工工藝及材料性質的影響，金屬板材在使用時會發生不同情況的非期望微變形，這種變形會影響零件的裝備精度，甚至影響整體機械裝備的使用壽命。目前針對板類零件非期望變形所使用的矯平方法主要有機械矯平和熱矯平兩種方法。其中機械矯平主要是借用機械外力對板材進行沖壓，只能矯平一些塑性較好的材料，對于一些回彈性較高或者高硬度、高脆性材料矯平效果不甚理想。與機械矯平方法相比，熱矯平過程無需模具，對板材尺寸要求低，適用性較強。傳統熱矯平方法是氧-乙炔火焰矯平，矯平過程完全依賴工人操作熟練程度，且對于一些厚度較薄的板材，火焰矯平對板材可形成較大的熱損傷。與氧-乙炔火焰相比，激光具有能量密度高，熱影響區小，可控性好的技術優勢，成形過程對材料性能影響較小。因此，可應用激光對板材的熱效應對發生微變形的金屬板材進行矯平。

然而，由于板材的加工工藝及材料性質的影響，板材發生非期望微變形的形式不同。同時，對于不同材料、不同板厚的金屬板材，不同激光加工工藝所獲得的矯平角度也是不同的，此外，激光加熱區域的溫度也應避免超過材料熔化溫度。因此，如何根據不同變形情況確定合理的加工工藝成為制約激光矯平工藝應用的主要問題。

發明內容

為了克服傳統矯平方法的低效率、低精度及對板材的熱損傷問題，本發明提供一種利用激光熱效應對發生微變形板材進行矯平的方法。

本發明任務解決其技術問題所采用的技術方案是：根據板材的變形情況，確定其主要變形形式并根據變形形式進行掃描路徑規劃，確定每條掃描路徑所需矯平角度為對具有復雜變形曲面的金屬板材進行合理的路徑規劃，經分析后認為復雜變形曲面是由規律變形曲面組合而成，因此將變形情況分為三種：V型變形、單曲率變形、雙曲率變形。因此掃描路徑的規劃方案為：

對于V型變形板材，利用激光沿V型面掃描路徑進行掃描，確定V型面所需矯平角度獲得相應的變形，矯正為平面；

對于單曲率變形板材，將其擬合為多個V型變形板材組合，確定單曲率面掃描路徑間距，確定各條掃描路徑處單曲率面所需矯平角度沿單曲率面掃描路徑進行同向掃描，在不同掃描路徑處獲得一定程度的折彎變形，最后獲得矯平板材；

對于雙曲率變形板材，將其視為兩次單曲率變形的組合，先確定雙曲率面i向掃描路徑間距，沿雙曲率面i向掃描路徑按照單曲率曲面矯平方式將雙曲率面矯正至單曲率曲面，再確定雙曲率面j向掃描路徑間距，沿雙曲率面j向掃描路徑重復一次單曲率矯平方式，將其最終矯正至平面，兩組掃描路徑夾角為i向路徑與j向路徑夾角。

對于具有確定板厚及彎曲曲率的板材，其矯平角度主要取決于激光工藝參數，由于激光光斑d調整時需要較長工作時間，因此，不將其列為激光工藝參數，故影響激光矯平角度的工藝因素包括以下三者：激光功率P、掃描速度v、掃描間距s。基于實驗驗證及有限元方法，建立單次矯正角度θ與激光功率P、掃描速度v、掃描間距s之間的映射關系，建立板材加工過程中最高溫度T與激光功率P、掃描速度v、掃描間距s間的映射關系。