一种基于塑性区深度的圆弧槽激光弯曲成形方法与流程

本发明属于金属板材激光弯曲三维成形领域，特别涉及一种基于塑性区深度的圆弧槽激光弯曲成形方法，可用于各类圆弧槽形舱壁件的无模三维成形。

背景技术：

各类圆弧槽形舱壁件的无模具柔性加工一直是加工成形的难点。相较于传统模具加工方法，激光弯曲成形作为一种无模、无外力、非接触的快速成形技术，对于单件小批量生产的槽型件加工具有独特优势，其易于实现自动化，可实现复杂形状三维成形。基于再结晶温度划定塑性截面宽度、深度，利用塑性深度与弯曲角度的对应经验公式，确定的激光加工过程各个激光参数激光来加工圆弧槽，实现各类圆弧槽的快速、准确的弯曲成形，能够节约制造成本，缩短零件研发周期。

文献“层合板激光弯曲试验与弯折区过渡层材料特性研究[d]，张攀，大连理工大学硕士学位论文，2016：28”研究了两周期典型件-槽型舱壁件试制的过程，经过两次装夹，成功成形出两周期的小型直槽舱壁件样件。样件整体结构对称，整体弯曲角度误差小，无明显翘曲现象，激光作用表面的质量良好。

专利“一种金属板材激光柔性弯曲成形圆弧槽的方法”利用激光弯曲成形技术对激光弯曲扫描路径进行规划，可以实现单一圆弧、不同圆弧组合等各类槽的无模、快速弯曲成形。

以上文献对于三维成形的精度需要尝试不同的加工参数来调整，容易造成物料浪费和增加研发制造时间、成本等问题。通过塑性区深度与弯曲角度经验公式，可以更加精准确定激光弯曲成形圆弧槽的各个激光参数，进而通过获得的激光参数组合按照圆弧形槽型件要求的角度和扫描路径加工成形，可以更加节省加工成形时间和降低制造成本。

技术实现要素：

针对传统圆弧槽模具弯曲成形成本高、难度大，不易于快速制造的特点，本发明采用一种基于塑性区深度的圆弧槽激光三维成形方法。其原理特征为：基于温度梯度机理，根据预期加工圆弧槽的形状、金属板激光扫描区厚度方向的再结晶温度分布，并依据材料再结晶温度计算塑性区深度s，建立塑性区深度s与圆弧槽弯曲角度α(即金属板弯曲角度)的关系，当塑性区深度s增大时，圆弧槽弯曲角度α随之增大，当塑性区深度减小s时，圆弧槽弯曲角度α随之减小；根据圆弧槽形角度需求，通过控制塑性区深度使金属板弯曲至期望角度，从而实现金属板圆弧槽激光弯曲三维成形。

本发明的技术方案：

一种基于塑性区深度的圆弧槽激光弯曲成形方法，步骤如下：

步骤一、用夹具夹持金属板一端，将金属板置于激光加工工作台上；通过金属板弯折区的金相组织，得到金属板激光扫描区厚度方向的再结晶温度分布，由再结晶温度范围0.4t材料熔点≤t＜t材料熔点确定塑型区深度s；

步骤二、根据塑性区深度s与圆弧槽弯曲角度α的经验公式，以及塑性区截面宽度d、深度s和板厚h满足取值范围：d＞h＞s且1/3h≤s≤2/3h，确定激光扫描工艺参数范围：激光功率p为90-140w、激光离焦量6-10mm、激光扫描速v为400-800mm/min、激光频率40hz和脉冲宽度2ms；对于每条激光的扫描路径，圆弧槽各扫描路径的弯曲角度均小于90°；

其中，塑性区深度s与圆弧槽弯曲角度α的经验公式：

α＝a×s+b，s＝c×e+d

对于一种材料，a、b、c和d为常数，s与激光输入材料能量e相关，对于材料的离焦量为定值，e与线能量密度np/v相关，n为扫描次数，通过预实验得到激光加工某种材料a、b、c和d的拟合数据；

其中，圆弧槽的扫描路径、扫描路径圆弧半径、扫描次数和扫描路径之间距离关系由材料特性、圆弧槽形状和加工技术要求确定；具体加工过程以加工1周期圆弧槽为例：距离金属板自由端最近的扫描路径为第一次扫描路径，先加工第一次扫描路径，各个激光参数根据塑性区深度s和圆弧槽弯曲角度α确定；当第一次扫描路径的激光往复扫描结束后，翻转夹具，加工与第一次扫描路径最近的未加工扫描路径，作为第二次扫描路径；第二次扫描路径加工完成后，不需要翻转夹具，扫描与第二次扫描路径距离最近的未扫描路径，作为第三次扫描路径；第三次扫描路径加工完成后，翻转夹具，加工与第三次扫描路径距离最近的未扫描路径，作为第四次扫描路径；各扫描路径的加工激光参数相同，以此类推，激光往复扫描直至1周期圆弧槽加工成形结束；2周期、3周期或更多周期的圆弧槽加工过程与加工1周期圆弧槽一致；

步骤三、弯曲成形过程侧吹惰性保护气体，压力为0.1-0.5mpa，对激光扫描区域冷却保护，形成气体保护层防止金属板材表面高温氧化。

本发明的有益效果是：利用激光弯曲成形技术结合圆弧槽形状特征进行路径规划，根据塑性区深度与弯曲角度经验公式确定激光功率、激光离焦量以及激光扫描速度，通过激光往复扫描次数使金属板材弯曲至圆弧槽所要求角度，实现圆弧槽激光三维成形。这种基于塑性区深度的金属板材激光三维成形圆弧槽的方法，能够节约传统圆弧槽模具成形的模具制造成本，可根据圆弧槽形状变化对激光弯曲扫描路径迅速进行调整，能够实现快速制造，缩短研发周期50％，提高成形精度10％。

附图说明

图1为金属板激光圆弧扫描一条路径成形的加工方法原理图。

图2为塑性区示意图。

图3为基于塑性区的1周期圆弧槽弯曲加工路径示意图。

具体实施方式

以下结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。

实施例：碳钢金属板材激光弯曲成形单一曲率圆弧槽样件，如图1-3所示。

碳钢金属板材激光弯曲离焦量为10mm，对于通过预实验确定激光功率为140w、扫描速度为400mm/min。

(1)利用剪板机将厚度为1mm的碳钢金属板材裁剪为50mm宽、100mm长的矩形样件；

(2)利用夹具将样件一端夹持后放置到激光加工工作台上，根据塑性区与弯曲角度对应关系，调整激光功率为140w，激光频率为40hz，脉冲宽度为2ms，激光扫描速度调至400mm/min，然后在图3的路径1处，从板材边缘外点1开始沿圆弧路径进行往复扫描弯曲，为使得板材加工时激光光源稳定，预留一段空走距离，边缘外点1距板材3mm。激光扫描圆弧半径r为50mm，确定激光往复扫描次数为20次，侧吹辅助气体n2，吹气压力0.2mpa，每次扫描后冷却10s。

(3)将夹具翻转，利用ccd显示器将激光焦点定位至激光图3板材边缘外点1处，将激光焦点沿板材边缘向固定端夹具夹持方向移动15mm，激光焦点位于图3中点2处，激光沿图3中路径2进行往复扫描，激光加工参数与图3路径1处加工参数相同。

(4)图3中路径2处激光扫描弯曲加工完成后，不对夹具进行翻转。继续沿板材边缘移动激光焦点15mm至图3中点3处，确定激光扫描程序，使激光沿图3中路径3进行弯曲加工，激光加工参数与图3中路径1处加工参数相同。

(5)再次翻转夹具，利用ccd显示器将激光焦点定位至图3中点3弯曲变形的板材边缘，将激光焦点沿板材边缘向固定端夹具夹持处移动15mm，激光焦点位于图3中点4处，使激光沿图3中路径4进行弯曲加工，激光加工参数与图3中路径1处加工参数相同。

圆弧槽成形结果说明：通过基于率塑性区深度加工的1周期圆弧槽，能够快速精确实现所需弯曲角度，满足圆弧槽成形技术要求。