专利名称：用于激光弯曲成形精度控制的阶梯型变速度扫描方法
技术领域：
本发明涉及的是一种塑性成形技术领域的方法，具体是一种用于激光弯曲成形精度控制的阶梯型变速度扫描方法。
背景技术：
激光弯曲成形技术源于造船行业的水火弯板技术，它是一种非接触、无模成形技 术，通过激光束局部高温加热材料表面，诱发热应力使得材料产生塑性变形，实现对金属材 料的成形。该技术可利用激光束直线与曲线的组合扫描方式实现板材复杂三维曲面的成 形。因此，激光弯曲成形技术在航空航天、船舶以及微电子等领域具有重大的应用前景。目前，激光弯曲成形研究主要以激光直线扫描为主。激光束沿着直线在板材表面 进行扫描，由于周围冷态材料对加热区域的挤压作用，使得加热区域产生塑性变形。板料经 过激光直线扫描后理想的弯曲变形状态是沿着扫描线方向的弯曲角度是相同的，而实际的 弯曲角度沿着扫描线是不同的。这种弯曲角度沿着扫描线不一致的现象称为“边界效应”。 在激光弯曲成形中，边界效应现象已成为板料高精度成形急需解决的关键问题之一。但国 内外对边界效应现象的研究起步较晚。激光弯曲成形中产生边界效应现象的原因包括激光扫描产生的温度场和周围冷 态材料对扫描区域的几何约束，提出通过温度调节来平衡几何约束的方法来降低边界效应 现象。而温度场的改变可以通过改变激光扫描时输入到板材的线能量来实现。而目前改变 激光线能量的输入有两种途径一是改变激光功率；二是改变激光束与材料作用的时间。 由于当工件或者激光束移动时，改变激光功率有局限性，如激光功率的改变需要一定的响 应时间以及激光功率的改变会引起激光光斑模式以及光斑直径大小的变化等，这些都不利 于激光器的稳定工作。因此，合理又有效的方式是通过改变激光束与材料作用的时间也就 是改变扫描过程中的速度来实现激光输入能量的改变。经过对现有技术的检索发现，J.Magee, K. G. Watkins, W. M. Steen，N. Calder, J. Sidhuand J. Kirby. Edge effects in laser forming (激光成形的边界效应现象)，in Laser AssistedNet shape Engineering 2. Proceedings of the LANE' 97, edited by M. Geiger and F. Vollertsen, (Meisenbach Bamberg, Germany, 1997), Vol. 2 :399_408.,该 文献在对铝合金材料进行激光弯曲成形实验研究时发现了边界效应现象。随后 J. Bao and Y. L. Yao. Analysis and prediction of edge effects in laser bending(激光弯曲成形中边界效应的分析与预测).Journal of Manufacturing Science andEngineering,2001, vol. 123 :53_61，该技术利用数值模拟和实验手段，研究了激光弯曲 成形中屈曲机理下的边界效应现象。目前，现有的研究主要针对激光成形中边界效应的产 生原因以及影响因素进行了分析，而对于降低边界效应现象措施还未见有报道。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种用于激光弯曲成形精度控制的阶梯型变速度扫描方法，可以有效地降低边界效应现象，提高板料的成形精度。该工艺方法主 要在激光扫描过程中采用阶梯型变化的扫描速度，实现不同加热区域不同能量的输入，来 平衡板材的几何约束，从而改善边界效应现象。本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括以下步骤第一步、首先将待测板材的待扫描表面上的异物去除，再在待扫描表面的扫描区域上涂敷激光涂料(黑色手喷漆)并将待测板材进行单边夹持，所述的单边夹持是指沿着 平行于扫描线的方向夹持待测板材。第二步、通过图表方法确定各扫描区域的扫描速度，生成各扫描区域对应的阶梯 形变速度扫描方案；所述的图表方法是指以横坐标为扫描线长度，纵坐标为扫描速度，将各扫描区域 的扫描线分割为若干个区间，根据该区间扫描线开始端的最低速度、扫描线中心位置的最 高速度以及扫描线形成一个等腰三角形，将扫描线分成若干区间与三角形的两腰形成的交 点，作为该部分扫描区域的扫描速度，以此形成了各扫描区域对应的阶梯形变速度扫描方案。第三步、利用激光数控方式，参照阶梯形变速度扫描方案对待测板材进行扫描加 工，加工完毕后待板材自然冷却并实施测量校验。本发明利用阶梯型变速度扫描方式，实现了温度场平衡几何约束的思想，通过主 动调节温度来抵消几何约束的变化，不需要外加装置，简单有效地降低了边界效应，实现高 精度的激光弯曲成形。
图1为本发明阶梯型变速度扫描工艺方法确定扫描速度示意图。图2为实施例1效果示意图。图3为实施例2效果示意图。
具体实施例方式下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行 实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施 例。实施例1如图1所示，对80X80X 2mm3的低碳钢板材进行变速度扫描，扫描线位置在板材 中心，长度为80mm，激光功率为1000W，光斑直径为6mm，扫描1次，其操作步骤如下(1)利用黑色手喷漆喷涂在扫描区域，并利用夹具进行单边夹持。(2)将扫描速度30mm/s作为基准速度，变速度扫描中的最低和最高扫描速度为 20mm/s和40mm/s ；将80mm长的扫描线分成8段，每一段为10mm，因此，形成的阶梯型变速 度扫描方式每一段的速度分别为:20mm/s, 25mm/s, 30mm/s, 35mm/s, 40mm/s, 35mm/s, 30mm/ s,25mm/s ；通过激光数控加工系统，实现阶梯型变速度扫描。(3)等完全自然冷却后，利用激光位移传感器对变形角度进行测量，扫描后的变形 角度如图2所示。
实施例2对200X 200X 2mm3的低碳钢板材进行变速度扫描，扫描线位置在板材中心，长度 为200mm，激光功率为1000W，光斑直径为6mm，重复扫描10次，其操作步骤如下(1)利用黑色手喷漆喷涂在扫描区域，并利用夹具进行单边夹持。(2)将扫描速度30mm/s作为基准速度，变速度扫描中的最低和最高扫描速度为 20mm/s和40mm/s ；将200mm长的扫描线分成8段，每一段为25mm，因此，形成的阶梯型变速 度扫描方式每一段的速度分别为20mm/s，25mm/s, 30mm/s, 35mm/s, 40mm/s, 35mm/s, 30mm/ s，25mm/s ；通过激光数控加工系统，实现阶梯型变速度扫描，重复扫描6次。(3)等完全自然冷却后，利用激光位移传感器对变形角度进行测量，扫描后的变形 角度如图3所示。
权利要求
一种用于激光弯曲成形精度控制的阶梯型变速度扫描方法，其特征在于，包括以下步骤第一步、首先将待测板材的待扫描表面上的异物去除，再在待扫描表面的扫描区域上涂敷激光涂料并将待测板材进行单边夹持；第二步、通过图表方法确定各扫描区域的扫描速度，生成各扫描区域对应的阶梯形变速度扫描方案；第三步、利用激光数控方式，参照阶梯形变速度扫描方案对待测板材进行扫描加工，加工完毕后待板材自然冷却并实施测量校验。
2.根据权利要求1所述的用于激光弯曲成形精度控制的阶梯型变速度扫描方法，其特 征是，所述的激光涂料为黑色手喷漆。
3.根据权利要求1所述的用于激光弯曲成形精度控制的阶梯型变速度扫描方法，其特 征是，所述的单边夹持是指沿着平行于扫描线的方向夹持待测板材。
4.根据权利要求1所述的用于激光弯曲成形精度控制的阶梯型变速度扫描方法，其 特征是，所述的图表方法是指以横坐标为扫描线长度，纵坐标为扫描速度，将各扫描区域 的扫描线分割为若干个区间，根据该区间扫描线开始端的最低速度、扫描线中心位置的最 高速度以及扫描线形成一个等腰三角形，将扫描线分成若干区间与三角形的两腰形成的交 点，作为该部分扫描区域的扫描速度，以此形成了各扫描区域对应的阶梯形变速度扫描方 案。
5.根据权利要求1所述的用于激光弯曲成形精度控制的阶梯型变速度扫描方法，其特 征是，所述的扫描加工是指变速度扫描，扫描线位置在板材中心，长度为80mm 200mm，激 光功率为1000W，光斑直径为6mm，扫描1 10次。
全文摘要
一种塑性成形技术领域的用于激光弯曲成形精度控制的阶梯型变速度扫描方法，通过在待扫描表面的扫描区域上涂敷激光涂料并将待测板材进行单边夹持，然后采用图表方法确定各扫描区域的扫描速度，生成各扫描区域对应的阶梯形变速度扫描方案，最终利用激光数控方式，参照阶梯形变速度扫描方案对待测板材进行扫描加工，加工完毕后待板材自然冷却并实施测量校验。本发明可以有效地降低边界效应现象，提高板料的成形精度，实现不同加热区域不同能量的输入，来平衡板材的几何约束，从而改善边界效应。
文档编号B21D5/00GK101804508SQ20101014686
公开日2010年8月18日 申请日期2010年4月15日 优先权日2010年4月15日
发明者姚振强, 沈洪, 胡俊 申请人:上海交通大学