专利名称：肋条薄壁一体化金属工件激光辅助增量成形方法
技术领域：
本发明涉及一系列肋条薄壁一体化金属工件的激光辅助预应力成形的方法。
背景技术：
肋条薄壁一体化金属工件，以下简称一体化工件，譬如铝合金整体壁板，因其重量轻、承载能力强、疲劳寿命高、密封性能好，被广泛用作高速运载工具的壳体结构部件。由于气动外形要求，这类工件需要经历弯曲成形工艺。由于结构完整性和使用安全性要求，这类工件只允许承受弹性变形载荷。弯曲成形因此成为制造这类工件的关键技术难题之一。中国ZL2007101180957提出了激光辅助预应力成形方法，是解决一体化工件弯曲成形难题的有效方法。该方法的基本工作原理是将工件弹性弯曲到指定挠度，然后用具有一定功率密度的激光(或其它热源)、按照指定路径和方式辐照其弹性内能集中区域，通过软化该区域内的材料，促使弹性内能释放并做塑性功，实现工件整体的弯曲成形。激光辅助预应力成形后，一体化工件表层激光作用区域材料的热软化，可以通过后续喷丸处理重新强化(专利号L 2008101156030 )，整个工件的疲劳寿命也可以由此得到提高。因此，用该方法弯曲成形的一体化工件无须采用时效强化材料。但因是局部、短时受热变形，用该方法弯曲成形工件，其成形能力虽然可以高于常规喷丸成形方法，但低于常规热时效成形方法。为进一步提高一体化工件激光辅助成形的能力，特发明激光辅助增量成形方法。
发明内容
本发明提供一系列肋条薄壁一体化金属工件激光辅助增量成形方法。一种肋条薄壁一体化金属工件激光辅助增量成形方法，所述方法为激光增量方法即在不改变预加挠度的情况下，通过用激光束对工件弹性内能集中区域多次扫描增加其成形量的一种激光辅助增量成形方法。进一步，所述激光增量方法具体包括下列步骤
1)、根据工件参数，对工件建模，用数值模拟方法确定一体化工件相关参数极限弯曲挠度、工件弯曲至极限弯曲挠度后的弹性内能集中区域；以及激光辅助成形所使用的激光的各项工艺参数；
2)、根据步骤1中模拟得到一体化工件的极限弯曲挠度，对工件施加弯曲载荷；
3)、使用具有步骤1中模拟得出的激光参数的激光束对工件的弹性内能集中区域进行一次扫描；
4)、采用步骤1中的数值模拟方法确定经过步骤2、3处理后的工件进行检测，确定其成形效果，并通过模拟结果判断工件是否达到预设成形量，如达到则结束加工；如未达到预设成形量则继续重复上述步骤1和3直至工件达到预设成形量。—种肋条薄壁一体化金属工件激光辅助增量成形方法，所述方法为应力增量方法即在前一次激光辅助成形工艺完成之后，对工件再次施加弯曲载荷，使其达到弹性极限挠度并重复激光辅助成形过程，以此增加工件的成形量。进一步，所述应力增量方法具体包括下列步骤
1)、根据工件参数，对工件建模，用数值模拟方法确定工件弹性极限挠度，和工件弯曲至弹性极限挠度后的弹性内能集中区域等相关参数、以及激光辅助成形所使用的激光的各项工艺参数；
2)、根据步骤1中模拟得出弹性极限挠度，对工件施加弯曲载荷，使工件弯曲至其弹性极限挠度；
3)、使用具有步骤1中模拟得出的激光参数的激光束对工件的弹性内能集中区域进行一次扫描；
4)、采用步骤1中的数值模拟方法确定经过步骤2、3处理后的工件进行检测，确定其成形效果，并通过模拟结果判断工件是否达到预设成形量，如达到则结束加工；如未达到预设成形量则继续步骤5;
5)、重复上述步骤1-4直至工件达到预设成形量。一种肋条薄壁一体化金属工件激光辅助增量成形方法，所述方法为激光应力复合增量方法即在每一个极限弹性挠度条件下，都用激光对一体化工件的弹性内能集中区域进行不超过三次的激光扫描。进一步，所述激光应力复合增量方法具体包括下列步骤
1)、对工件进行一次权利要求1中所述的激光辅助增量成形方法；
2)、对步骤1中的通过激光增量成形的工件进行检测，确定其成形效果，如达到预设成形量则完成加工，如未达到预设成形量则进行步骤3 ；
3)、根据前次激光成形工艺处理后的工件的相关参数，重复步骤1)和2)。进一步，所述工件参数包括，工件的材质，形状、大小和前序加工方法。进一步，所述激光的各项工艺参数包括功率密度、光斑的形状与尺寸、扫描速度和扫描路径。进一步，所述工件成形效果包括回弹量、尺寸和形状误差。
具体实施例方式实施例1
激光增量方法即在不改变预加挠度的情况下，通过用激光束对工件弹性内能集中区域多次扫描增加其成形量的一种激光辅助增量成形方法。其具体操作程序是
1、根据工件的材质，形状、大小等参数，对工件建模，用数值模拟(虚拟制造)方法确定一体化工件的极限弯曲挠度、和工件弯曲至极限弯曲挠度后的弹性内能集中区域等相关参数；以及激光辅助成形所使用的激光的各项工艺参数，例如功率密度、光斑的形状与尺寸、扫描速度和扫描路径等；
2、根据步骤1中模拟得到一体化工件的极限弯曲挠度，对工件施加弯曲载荷；
3、使用具有步骤1中模拟得出的激光参数的激光束对工件的弹性内能集中区域进行一次扫描；
4、采用步骤1中的数值模拟方法确定经过步骤2、3处理后的工件进行检测，确定其成形效果，如回弹量、尺寸和形状误差等。并通过模拟结果判断工件是否达到预设成形量，如达到则结束加工；如未达到预设成形量则继续重复上述步骤1和3直至工件达到预设成形量。激光增量方法的优点为
1、由于每进行一次激光扫描后，工件的弹性内能及其分布会发生变化，所以，本方法在每次激光扫描完成后，均使用数值模拟方法对经过一次激光扫描的工件的弹性内能及其分布再次进行模拟，以确定当前工件弹性内能和分布，并根据模拟结果，对下一次激光扫描的工艺参数做相应调整，以充分发挥每一次激光能量的作用效率。2、工件的弹性内能转化塑性功的效率会随着激光扫描次数的增加而下降，并最终趋于零，故对一般工件而言，激光扫描次数不宜超过五次，限制在三次以内更为经济。实施例2
应力增量方法即在前一次激光辅助成形工艺完成之后，对工件再次施加弯曲载荷， 使其达到弹性极限挠度并重复激光辅助成形过程，以此增加工件的成形量。其具体操作程序是
1、根据工件的材质，形状、大小和前序加工方法等参数，对工件建模，用数值模拟(虚拟制造)方法确定工件弹性极限挠度，和工件弯曲至弹性极限挠度后的弹性内能集中区域等相关参数、以及激光辅助成形所使用的激光的各项工艺参数，例如功率密度、光斑的形状与尺寸、扫描速度和扫描路径等，
2、根据步骤1中模拟得出弹性极限挠度，对工件施加弯曲载荷，使工件弯曲至其弹性极限挠度；
3、使用具有步骤1中模拟得出的激光参数的激光束对工件的弹性内能集中区域进行一次扫描；
4、采用步骤1中的数值模拟方法确定经过步骤2、3处理后的工件进行检测，确定其成形效果，如回弹量、尺寸和形状误差等，并通过模拟结果判断工件是否达到预设成形量，如达到则结束加工；如未达到预设成形量则继续步骤5 ；
5、重复上述步骤1-4直至工件达到预设成形量。应力增量方法的优点为
一体化工件激光辅助弯曲成形时，激光作用区域因热效应产生塑性变形，非激光作用区域因受迫变形而产生硬化效应。因激光作用区域远小于非激光作用区域，即工件的热软化区域远小于变形硬化区域，工件整体会因前一次激光辅助成形得到强化。该强化效果的一个具体体现是再次加载时，工件的屈服强度和弹性极限挠度会明显提高。这表明再次激光辅助成形时，因弹性内能更大，工件的塑性功转化效率也随之增大，即对一体化工件反复进行激光辅助成形，其单次成形量会逐渐增大，工件的总体成形能力也会因此增大，直至工件表面的最大拉应变超过材料的变形极限。实施例3
激光应力复合增量方法即在每一个极限弹性挠度条件下，都用激光对一体化工件的弹性内能集中区域进行不超过三次的激光扫描。其具体操作程序是
1、对工件进行一次实施例1中所述的激光增量成形工艺；2、对前一轮激光增量成形工件进行检测，确定其成形效果，如回弹量、尺寸和形状误差等；如达到预设成形量则完成加工，如未达到预设成形量则进行步骤3 ；
3、根据前次激光成形工艺处理后的工件的相关参数，重复步骤1和2。
激光应力复合增量方法的优点
使用上述措施将激光增量措施和应力增量措施的优势结合起来，用该措施生产出的一体化工件，可使其获得更大的成形能力。在每一个极限弹性挠度条件下，用激光对工件的弹性内能集中区域进行不超过三次的激光扫描，最后对经过盈利增量措施和激光增量措施双重作用后的工件进行成形效果如回弹量、尺寸和形状误差等数据的测量，然后，根据两种措施共同作用所得到的结果，再次建模，并再次对工件进行加工。通过激光增量措施和应力增量措施的协调作用，可以显著提高工件成形能力，提高工件成形效率；还可以有效地控制成本。
权利要求
1.一种肋条薄壁一体化金属工件激光辅助增量成形方法，其特征为，所述方法为激光增量方法即在不改变预加挠度的情况下，通过用激光束对工件弹性内能集中区域多次扫描增加其成形量的一种激光辅助增量成形方法。
2.根据权利要求1中所述肋条薄壁一体化金属工件激光辅助增量成形方法，其特征为，所述激光增量方法具体包括下列步骤1)、根据工件参数，对工件建模，用数值模拟方法确定一体化工件相关参数极限弯曲挠度、工件弯曲至极限弯曲挠度后的弹性内能集中区域；以及激光辅助成形所使用的激光的各项工艺参数；2)、根据步骤1中模拟得到一体化工件的极限弯曲挠度，对工件施加弯曲载荷；3)、使用具有步骤1中模拟得出的激光参数的激光束对工件的弹性内能集中区域进行一次扫描；4)、采用步骤1中的数值模拟方法确定经过步骤2、3处理后的工件进行检测，确定其成形效果，并通过模拟结果判断工件是否达到预设成形量，如达到则结束加工；如未达到预设成形量则继续重复上述步骤1和3直至工件达到预设成形量。
3.一种肋条薄壁一体化金属工件激光辅助增量成形方法，其特征为，所述方法为应力增量方法即在前一次激光辅助成形工艺完成之后，对工件再次施加弯曲载荷，使其达到弹性极限挠度并重复激光辅助成形过程，以此增加工件的成形量。
4.根据权利要求3中所述肋条薄壁一体化金属工件激光辅助增量成形方法，其特征为，所述应力增量方法具体包括下列步骤1)、根据工件参数，对工件建模，用数值模拟方法确定工件弹性极限挠度，和工件弯曲至弹性极限挠度后的弹性内能集中区域等相关参数、以及激光辅助成形所使用的激光的各项工艺参数；2)、根据步骤1中模拟得出弹性极限挠度，对工件施加弯曲载荷，使工件弯曲至其弹性极限挠度；3)、使用具有步骤1中模拟得出的激光参数的激光束对工件的弹性内能集中区域进行一次扫描；4)、采用步骤1中的数值模拟方法确定经过步骤2、3处理后的工件进行检测，确定其成形效果，并通过模拟结果判断工件是否达到预设成形量，如达到则结束加工；如未达到预设成形量则继续步骤5;5)、重复上述步骤1-4直至工件达到预设成形量。
5.一种肋条薄壁一体化金属工件激光辅助增量成形方法，其特征为，所述方法为激光应力复合增量方法即在每一个极限弹性挠度条件下，都用激光对一体化工件的弹性内能集中区域进行不超过三次的激光扫描。
6.一种肋条薄壁一体化金属工件激光辅助增量成形方法，其特征为，所述激光应力复合增量方法具体包括下列步骤1)、对工件进行一次权利要求1中所述的激光辅助增量成形方法；2)、对步骤1中的通过激光增量成形的工件进行检测，确定其成形效果，如达到预设成形量则完成加工，如未达到预设成形量则进行步骤3 ；3)、根据前次激光成形工艺处理后的工件的相关参数，重复步骤1)和2)。
7.根据权利要求2、4和6中所述肋条薄壁一体化金属工件激光辅助增量成形方法，其特征为，所述工件参数包括，工件的材质，形状、大小和前序加工方法。
8.根据权利要求2、4和6中所述肋条薄壁一体化金属工件激光辅助增量成形方法，其特征为，所述激光的各项工艺参数包括功率密度、光斑的形状与尺寸、扫描速度和扫描路径。
9.根据权利要求2、4和6中所述肋条薄壁一体化金属工件激光辅助增量成形方法，其特征为，所述工件成形效果包括回弹量、尺寸和形状误差。
全文摘要
本发明涉及一系列肋条薄壁一体化金属工件激光辅助增量成形方法，1、激光增量措施即在不改变预加挠度的情况下，通过用激光束对工件弹性内能集中区域多次扫描增加其成形量的一种激光辅助增量成形方法。2、应力增量措施即在前一次激光辅助成形工艺完成之后,对工件再次施加弯曲载荷，使其达到弹性极限挠度并重复激光辅助成形过程，以此增加工件的成形量。3、激光应力复合增量措施即在每一个极限弹性挠度条件下，都用激光对一体化工件的弹性内能集中区域进行不超过三次的激光扫描。
文档编号B21D11/00GK102248048SQ20111006054
公开日2011年11月23日 申请日期2011年3月14日 优先权日2011年3月14日
发明者吴臣武, 张坤, 彭青, 王明星, 罗耕星, 肖京华, 陈光南 申请人:中国科学院力学研究所