专利名称：基于激光推进制作板料冲击成形极限图的方法与装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种金属板料成形极限图的制作方法与装置，具体是一种基于激光推进制作板料冲击成形极限图的方法与装置。
背景技术：
激光冲击板料成形是一种融材料改性强化和成形于一体的复合成形技术，具有超高压、快速和高应变率等特点，在汽车、航空、国防工业等许多领域有广泛的潜在的应用前景。但是，激光冲击成形研究刚刚起步，遇到了如成形破裂等很多问题，技术的发展遇到瓶颈。而成形极限图是评价材料成形性能的重要判据，研究和保证板料在高应变率激光冲击波中有良好的成形性十分必要。激光冲击金属板料成形时，常常因为冲击成形过程中冲击波的压力过大，很容易导致金属板料被冲破或者发生颈缩等失效变形，所以很有必要探索金属板料激光冲击下的成形性能判据一激光冲击成形极限图；激光冲击金属板料的成形极限图不能用传统的压力加工技术冲压金属板料的成形极限图来代替，因为激光冲击板料成形具有超高压、快速和高应变率等特点，传统的压力加工技术不具有这些特点；采用激光直接冲击金属板料上，板料破裂严重，呈四周爆炸裂纹，不能精确的测到破裂处的极限应变值，还有激光束冲击板料时方向性不好，容易冲偏方向，浪费实验板材，所以得到的成形极限图(FLD)就不是很精确，不能精确的预测与控制激光冲击板料高应变率成形性。国内江苏大学姜银方等人申请的发明专利“激光冲击板料成形极限图的制作方法及数据采集装置”，专利授权号 200910264808. X，该专利需要制造不同椭圆度的椭圆凹模，也不容易制出合适的椭圆度，制模费用高，更换时间长，又由于激光冲击金属板料成形具有高应变率，各方向的应变差异较小，椭圆长短轴方向的差异也小。基于上述原因，本发明提出了激光推进子弹冲击板料成形极限图的概念和采用改变板料的长宽比，产生板料激光冲击成形时的不同应变路径， 以获得板料的激光冲击成形极限图。
发明内容
本发明的目的是克服上述缺点，提供一种基于激光推进制作板料冲击成形极限图的方法与装置，从而方便的获得板料的激光冲击成形极限图，用来作为预测与控制激光冲击波高应变率成形性的基本判据，以对激光冲击成形件进行有效的设计、预测板料的成形性、选择合理优化的工艺参数，使激光冲击波成形技术生产化。本发明的技术方案之一一种基于激光推进制作板料冲击成形极限图的方法，包括数据的采集和板料冲击成形极限图的绘制，其特征在于采用重复频率脉冲激光器产生的冲击波推进子弹，子弹产生动量作用在不同宽度板料上，子弹导向结构保证冲击力的作用点和作用方向，使板料变形均勻，数据可测，具体步骤如下
(1)在板料上印制精细网格；
(2)把印制网格的板料切成不同宽度；(3)把以上板料放在凹模上，无网格的一面与子弹相对，用带压延筋的压边圈压死；
(4)制作推进子弹，涂附吸收层，并安装在带有约束层的冲击装置上；
(5)启动激光器，调节工艺参数；
(6)进行冲击试验，检测仪测到板料破裂时，停止激光冲击；
(7)取出板料，在板料上破裂点附近选择最近的和长短轴变化大的完整的椭圆形网格， 用网格仪检测椭圆的长轴和短轴值，并计算转换成主次应变值；
(8)改变板料的长宽比，并重复步骤(5) (7)，获取至少五组实验数据；
(9)将上述实验得到的各组主应变值和次应变值描绘在以主应变和次应变为坐标轴的坐标系中，将所有的点连接成曲线，就得到了从单拉到等双拉应变状态下板料的激光冲击成形极限图。本发明是通过改变板料的长宽比χ (x=b/a，b表示板料的短边长、a表示板料的长边长)来改变极限点的应变状态，板料的长宽比为0 1，不同长宽比的板料在激光推进子弹的作用下均能够以线性的或准线性的应变路径变形，使试件上的某一点达到极限应变状态，获得所需不同应变状态下的极限应变值，制作激光冲击成形极限图。本发明采用重复频率脉冲激光器产生激光束的激光脉宽(Ifs 200ns)、能量 (IOuJ 100J)、光束直径(0. 1 20mm)等激光参数来调整冲击波压力的大小和冲击方向。本发明的技术方案之二 一种基于激光推进制作板料冲击成形极限图装置，它包括中央控制处理器、激光控制器、重复频率脉冲激光器、光斑调节装置、玻璃、黑漆涂层、支架、子弹、压边圈、板料、凹模、多轴坐标台、超声热成像检测仪、坐标轴转动控制器。其特征在于中央控制处理器和激光控制器、超声热成像检测仪及坐标轴转动控制器电气相连，激光控制器的输出和重复频率脉冲激光器的输入相连，玻璃固定在支架上，覆有黑漆涂层的子弹面对激光束的一面放入支架里紧靠着玻璃构成受冲击体系，重复频率脉冲激光器通过光斑调节装置发出的激光束作用于受冲击体系，带有吸收层的子弹在激光冲击下产生动量作用于板料上使板料均勻变形，板料通过压边圈压装在凹模上构成夹具系统，凹模安装在多轴坐标台上，多轴坐标台受坐标轴转动控制器控制，超声热成像检测仪放在凹模的内腔里检测板料破裂。本发明采用子弹的形状根据板料的尺寸而定，当板料的长宽比大于0.2时，采用实体子弹，当板料的长宽比小于0. 2时，为保证子弹冲击时板料变形均勻对称，采用具有导向作用的导向子弹，无论采用实体子弹还是采用导向子弹，均保持其质量一定，质量为广5g，且这两种子弹头的曲率半径相同。本发明具有如下技术优势
(1)板料准备时间短，试验过程简单，冲击柔性化，试验模具成本低；
(2)本发明使用重复频率脉冲激光器可以通过改变激光脉宽(Ifs 200ns)、能量 (IOuJ 100J)、光束直径(0. Imm 20mm)等激光参数来调整冲击波压力(冲击波峰压达数Gpa)的大小，产生很大的冲击波压力推进带有吸收层的子弹，子弹获得很大动量冲击板料，使板料更容易破裂，便于获得极限应变点；
(3)本发明采用带有导向结构的子弹，保证冲击力的作用点和作用方向，垂直于板料打在板料中心，使板料均勻变形，容易获得破裂点，便于测量极限应变点；
(4)本发明使用超声热成像检测仪作为检验板料冲破的仪器，可以及时检查板料破裂的临界点，避免因视觉误差导致的过度冲击现象，能够准确的获得板料破裂的极限应变点。
图1激光冲击板料成形极限图的装置示意图。图2实体子弹示意图。图3导向子弹示意图。图4导向子弹与窄板的相对位置示意图。图5模具模型示意图。图6板料形状示意图。图7板料破裂示意图。图8激光冲击铝合金板料成形极限图示意图。图中1中央控制处理器，2激光控制器，3重复频率脉冲激光器，4光斑调节装置，5玻璃，6黑漆涂层，7、8支架，9子弹，10压边圈，11板料，12凹模，13多轴坐标台，14超声热成像检测仪，15坐标轴转动控制器，16压延槽，17压延筋，18板料长轴，19板料短轴，20 圆形网格，21裂缝，22椭圆形网格，23单拉应变路径，24拉-压变形区的极限曲线，25单拉成形极限点，26平面应变曲线，27平面应变成形极限点，观拉-拉变形区的极限曲线，四等双拉成形极限点，30等双拉应变路径。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明提出的方法和装置作详细说明。实施例一。如图7、8所示。一种基于激光推进制作板料冲击成形极限图的方法，包括数据的采集和板料冲击成形极限图的绘制，其特征是采用重复频率脉冲激光器产生的冲击波推进子弹，子弹产生动量作用在不同宽度板料上，子弹导向结构保证冲击力的作用点和作用方向，使板料变形均勻，数据可测，具体步骤如下
(1)在板料上印制精细圆形网格；
(2)把印制网格的板料切成不同宽度；
(3)把以上板料放在凹模上，无网格的一面与子弹相对，用带压延筋的压边圈压死；
(4)制作推进子弹，涂覆吸收层，并安装在带有约束层的冲击装置上；
(5)启动激光器，调节工艺参数；
(6)进行冲击试验，利用超声热成像检测仪测到板料破裂时，停止激光冲击；
(7)取出板料，在板料上破裂点附近选择最近的和长短轴变化大的完整的椭圆形网格 (图7)，用网格仪检测椭圆的长轴和短轴值，并计算转换成主次应变值；
(8)改变板料的长宽比，并重复步骤(5) (7)，获取至少五组实验数据；
(9)将上述实验得到的各组主应变值和次应变值描绘在以主应变和次应变为坐标轴的坐标系中，将所有的点连接成曲线，就得到了从单拉到等双拉应变状态下板料的激光冲击成形极限图(图8)。本实施例采用钕玻璃激光器，激光波长为1. 06 μ m ；激光脉冲宽度23ns ；有效光斑直径为5 12. 5mm ；单脉冲能量3 100J ；激光脉冲功率为2. OX IO9W ；输出激光脉冲能量起伏彡士4% ；系统重复频率为0. 5Hz。实施例二。如图广8所示。—种基于激光推进制作板料冲击成形极限图装置，它包括中央控制处理器1、激光控制器2、重复频率脉冲激光器3、光斑调节装置4、玻璃5、黑漆涂层6、支架7、8、子弹9、压边圈10、板料11、凹模12、多轴坐标台13、超声热成像检测仪14、坐标轴转动控制器15。 其特征在于中央控制处理器1和激光控制器2、超声热成像检测仪14及坐标轴转动控制器 15电气相连，激光控制器2的输出和重复频率脉冲激光器3的输入相连，玻璃5固定在支架 7,8上，覆有黑漆涂层6的子弹9面对激光束的一面放入支架7、8里紧靠着玻璃5构成受冲击体系，重复频率脉冲激光器3通过光斑调节装置4发出的激光束作用于受冲击体系5、6、 7、8、9，带有吸收层的子弹在激光冲击下产生动量作用于板料11上使板料11均勻变形，板料11通过压边圈10压装在凹模12上构成夹具系统，凹模12安装在多轴坐标台13上，多轴坐标台13受坐标轴转动控制器15控制，超声热成像检测仪14放在凹模12的内腔里检测板料破裂。其中中央控制处理器1是由CPU及相应的控制程序及外围电路构成，激光控制器2、重复频率脉冲激光器3、光斑调节装置4由激光器生产厂家配套供应，其余的均可从市场上购置，本发明的装置即可实现。所述的子弹的形状根据板料的尺寸(图6)而定，板料的长宽比χ为(Tl，当板料的长宽比X较大时，采用实体子弹(图2)，当板料的长宽比χ较小时，为保证子弹冲击时板料变形均勻对称，采用具有导向作用的导向子弹(图3)，导向子弹与窄板的相对位置如图4所示，无论采用实体子弹还是采用导向子弹，均保持其质量一定，质量为3g，且这两种子弹头的曲率半径相同。本实施例装置用于测量从单拉23到等双拉应变30状态下的成形极限图的实验装置，可测量应变比在-1/2到1之间变动时材料的成形极限。如图5所示，本实施例的模具模型主要有三部分组成压边圈10、板料11和凹模 12。其中带有压延槽16的凹模12用来放置板料，带有压延筋17的压边圈10用来约束凹模法兰面上板料的流动，其中心开有圆孔，激光束推进子弹透过圆孔冲击板料的中心。通过改变板料的长宽比获得从单拉23到等双拉30范围内不同的应变比，从而获得制作成形极限图所需资料点。试样选择0. 3mm的3003H16铝合金板料为试验物件，圆形凹模的直径为40mm，选择 3003H16铝合金板料的长均为40mm，宽分别取40mm、30mm、20mm、15mm、IOmm进行实验。试验前，在板料表面印上圆形网格20 ；试验后，选择离裂缝21最近处和长短轴变化大的完整的椭圆网格22进行测量。设网格原始内径为Cltl，变形后椭圆长轴内径为Cl1，短轴内径为d2，则:
A
长轴应变g.i = ln4 ；
短轴应变^2Zln 4。在成形极限图上，单拉25、平面应变27和等双拉四三个点是非常重要的。等双拉点可以通过正方形板料的激光推进子弹冲击胀形试验得到，单拉点和平面应变点可以通过其它不同长宽比板料的胀形试验得到，胀形破裂后形状如图7所示。
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，获得了 300;3H16铝合金板料激光冲击成形极限图(图8)；但本发明的保护范围不限于上述的实施例。
权利要求
1.一种基于激光推进制作板料冲击成形极限图的方法，包括数据的采集和板料冲击成形极限图的绘制，其特征在于，采用重复频率脉冲激光器产生的冲击波推进子弹，子弹产生动量作用在不同宽度板料上，子弹导向结构保证冲击力的作用点和作用方向，使板料变形均勻，数据可测，具体步骤如下A)在板料上印制精细网格，并切成不同宽度的板料；B)把以上板料放在凹模上，用带压延筋的压边圈压死，板料无网格的一面与推进子弹相对；C)推进子弹涂覆吸收层，并安装在带有约束层的冲击装置上；D)启动激光器，调节工艺参数；E)进行冲击试验，检测仪测到板料破裂时，停止激光冲击；F)取出板料，检测板料上破裂点附近椭圆的长轴和短轴值，并计算转换成主次应变值；G)改变板料的长宽比，并重复步骤B) F)，获取至少五组实验数据；H)将上述实验得到的各组主应变值和次应变值描绘在以主应变和次应变为坐标轴的坐标系中，连接成曲线，就得到板料的激光冲击成形极限图。
2.根据权利要求1所述的基于激光推进制作板料冲击成形极限图的方法，其特征在于，用于激光推进板料冲击成形的重复频率脉冲激光器发出激光脉宽为Ins 200ns、能量为IOuJ 100J、光斑调节装置调节的光束直径为0. 1 mm 20mm。
3.一种基于激光推进制作板料冲击成形极限图装置，其特征在于，包括中央控制处理器(1)、激光控制器O)、重复频率脉冲激光器(3)、光斑调节装置、玻璃(5)、黑漆涂层 (6)、支架(7、8)、子弹(9)、压边圈(10)、板料(11)、凹模(12)、多轴坐标台(13)、超声热成像检测仪(14)、坐标轴转动控制器(1 ；中央控制处理器(1)和激光控制器O)、超声热成像检测仪(14)及坐标轴转动控制器(15)电气相连，激光控制器(2)的输出和重复频率脉冲激光器(3)的输入相连，玻璃(5)固定在支架(7、8)上，覆有黑漆涂层(6)的子弹(9) 面对激光束的一面放入支架(7、8)里紧靠着玻璃(5)构成受冲击体系，重复频率脉冲激光器(3)通过光斑调节装置(4)发出的激光束作用于受冲击体系(5、6、7、8、9)，带有吸收层的子弹在激光冲击下产生动量作用于板料(11)上使板料(11)均勻变形，板料(11)通过压边圈(10)压装在凹模(12)上构成夹具系统，凹模(12)安装在多轴坐标台(13)上，多轴坐标台(1 受坐标轴转动控制器(1 控制，超声热成像检测仪(14)放在凹模(1 的内腔里检测板料破裂。
4.根据权利要求3所述的基于激光推进制作板料冲击成形极限图装置，其特征在于， 子弹(9)的形状根据板料(11)的尺寸而定，当板料(11)的长宽比大于0.2时，采用实体子弹，当板料(11)的长宽比小于0.2时，采用具有导向作用的导向子弹，质量为1 g飞g，且这两种子弹头的曲率半径相同。
全文摘要
本发明涉及一种激光冲击板料成形技术领域成形极限图的制作方法与装置，具体是一种基于激光推进制作板料成形极限图的方法与装置。主要用于判断板料的颈缩或破裂等失效变形，评价其成形性能。其方法是通过激光控制器(2)使重复频率脉冲激光器(3)发出一定激光脉宽的激光束，光斑调节装置调节光斑直径的大小，激光束作用在子弹上，子弹在激光作用下产生动量作用在不同宽度板料上，子弹导向结构随板料的宽度不同而改变，子弹导向结构保证冲击力的作用点和作用方向，使板料变形均匀；通过改变板料(11)的长宽比，来获得不同应变比下的极限应变点，得到板料的成形极限图。
文档编号B23K26/00GK102513699SQ20111044875
公开日2012年6月27日 申请日期2011年12月29日 优先权日2011年12月29日
发明者万里, 周群立, 姜文帆, 姜银方, 崔会杰, 张梦蕾, 张青来, 汪建敏, 程科升, 赵龑 申请人:江苏大学