激光辅助冲压高强度及轻量化零部件的方法及装置与流程

本发明涉及一种激光辅助冲压高强度及轻量化零部件的方法及装置。

背景技术：

基于现代人们对轻量化零部件的需求明显增长。轻量化设计已经得到各大工业领域的重视，如汽车、消费电子产品、医疗器材、家庭电器等产业。对于生产工艺，金属成形工艺能够制造具有良好机械性能及表面光洁度的零部件，并且制造过程可实现低物耗及高产率等，而这些优势是其它制造工艺如压铸、传统金属切削加工及粉末注射成形等不能达到的。

应用轻合金材料是实现产品轻量化的方法之一。与一般钢材相比，使用铝材能够减少30%-50%的重量，而镁材能够减少40%-70%。除了使用轻合金材料之外，使用高强度钢也能实现产品轻量化。保证产品拥有相同的刚度情况下，材料的强度越高，所需材料用量便可减少，因此可以减少零件重量。但运用这类材料生产零件时由于其高机械强度，会显着增加成形载荷，因此需要大型冲床进行生产。而且，成形载荷的增加会进一步加速模具磨损，缩短模具疲劳寿命，最终导致生产成本上升。同时，在常温下，这类材料通常成形能力差，大变形区域易发生断裂，这就限制了成形零件的几何形状。

尽管现今可以结合多步工艺如先成形，后退火，再成形来制造形状复杂的零件，但是成形周期长，不利于生产。虽然传统高温成形工艺可提高材料的成形能力及降低成形载荷，但这方法会导致成形零件的表面质量变差，几何形状不精确，以及较长的生产周期。另外，当成形零件尺寸减少时，由于工件体积与其面积比例变小，工件的成形温度不易于控制，温度会在工件运送途中快速下降，因此难以达到预期的效果。

技术实现要素：

有鉴于目前全球生产零件所采用的冲床等设备新旧不一，亟待一种不改变原有设备但可以改进生产的方法出现。本发明提供激光辅助冲压高强度及轻量化零部件的方法及装置，其采用激光给予将需要发生大变形或者流动程度高的材料区域照射加温。在深冲、弯曲、冲孔、压纹等常见冲压成形工艺中，改变大变形区域的材料温度可以直接改变其成形性能，达到易于加工的目的。此外激光本身具有加热速度快、温度和能量控制精确、加热区域集中等优点，因此利用激光辅助冲压技术生产高强度及轻量化零部件可以很好的突破传统加温技术的局限。

本发明公开一种激光辅助冲压高强度及轻量化零部件的方法，首先使用激光对板金进行加热，然后再采用常规冲压方式完成零部件的成形工艺。

所述常规冲压方式包括深冲、弯曲、冲孔和压纹。

所述方法具体包括以下两个步骤：

步骤一：加热板金过程：

板金被运送至成形设备的加热工位，激光发射装置发出激光并照射板金，于板金上形成加热区域；

步骤二：板金成形过程：

加热后的板金运送至成形设备的成形工位，模具与板金发生碰撞，进而使板金的加热区域产生变形，成形零部件。

本发明还提供一种激光辅助冲压高强度及轻量化零部件的装置，包括成形设备，还包括激光发射装置和激光引导装置，所述激光发射装置连接激光引导装置，所述激光引导装置设置于所述成形设备的上方。

还包括激光保护装置，设置于所述激光引导装置的下方。

所述激光保护装置为v形底板，所述v形底板设置于成形设备的加热工位处。

所述成形设备为冲床。

本发明具有的优点在于：

本发明在板金冲压加工线上结合激光加热，在金属材料即将开始冲压工艺之前，采用激光快速照射加温需要进行大变形的区域，提高此区域的流动能力。对比传统室温板金冲压方法，本发明利用激光加热工艺可使成形过程中的变形载荷降低（高达70%），简化零部件成形步骤，提高产能及模具寿命。在冲孔工艺中采用激光辅助，可以增加高亮度剪切面面积，使冲件的光滑程度与精密冲压相似。对比传统的整片钣金加温冲压方法,本发明利用激光可实现局部加温,这可以降低工件尺寸变化和防止工件产生大面积氧化。此外,金属板料直接吸收能量，可以缩短整个工艺周期。

附图说明

图1为本发明中钣金被激光照射的示意图。

图2为本发明中钣金送入成形模具后的示意图。

图3为本发明中完成冲压工艺后的示意图。

图4为整体设备结构的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

本发明提供一种利用激光辅助冲压技术生产高强度及轻量化零部件的方法及装置，该方法具体为在针对生产高强度及轻量化零部件的过程中，使用激光对板金进行加热，然后再采用常规冲压方式进行深冲、弯曲、冲孔、压纹等各种成形工艺。该方法可控制冲压过程中金属材料流动，提升产能，产生更为光洁的金属切割面，且相对于传统热冲压工艺更节约能源。冲床等加工设备只需相较无激光源加热下更小的冲压力即可以将零部件成形。图1至图3为举例说明激光辅助冲孔过程，具体包括以下两个步骤：

步骤一：加热板金的过程：

如图1所示，所述板金1一般选择为纯金属材料或合金材料。所述板金1首先被运送至成形设备的加热工位。加热工位需要保证激光不外泄，并且保证加热工位与成形工位的距离足够近，这样才能使得加热后的板金运送至成形工位后，依然有足够的温度保持其材料特性。激光发射装置2接受来自控制器的信息，该信息包括采用的激光扫描速度、发射强度、扫描循环次数、扫描路径等，于板金1上形成加热区域3，该加热区域3是板金1将进行大变形的部位，以提高此区域材料的变形能力。在本实施例中使用的板金为高强度钢qste500tm，板金厚度为2.5mm，采用4000w的激光源，照射速度为2000mm/s，扫描循环100次。

步骤二：板金成形过程：

如图2所示，加热后的板金1运送至成形设备的成形工位，使板金1处于上模4及下模5之间。成形过程中上模4或下模5的其中之一固定，而另一部分模具往板金1方向移动，与板金1发生碰撞，进而使板金1的加热区域3产生变形。在本实例中冲孔直径为17mm，冲压速度为1分钟65次。如图3所示为完成零部件冲孔的状态，冲孔后产生与板金1脱离的废料6。以激光辅助冲孔，可以提高零件的剪切表面的光洁度，并减低成形力。

本发明还提供一种利用激光辅助冲压技术生产高强度及轻量化零部件的装置。如图4所示，包括成形设备7、激光发射装置以及激光引导装置8。由于生产高强度零件需要使用较厚的板金1及较高的成形温度，因此需使用高强度激光，输出功率一般大于500w。激光发射装置的安装位置同方式需要保证生产人员的安全性，避免散射激光对人体造成直接伤害，因此板金1与激光发射区需要围成一个密闭的空间。为尽可能缩短加热工位与成形工位之间的距离，保证激光加热后的板金1热量损失最小，本发明提出了采用激光引导装置8，并利用光学镜（属于激光引导装置的一部分）反射激光到制定的加热区域3，并结合激光保护装置10，以此形成一套完整的制备装置。模具(包括上模具4及下模具5)与成形设备7的摆放方式与常规冲压装置结构不变。本发明与现有技术的区别在于引入激光发射装置以及激光引导装置8。激光引导装置固定在成形设备7上，置于模具（模具4及下模具5）旁边，由此材料在激光引导装置中受到激光束9照射之后，即可以直接送入冲床进行成形，最大限度的减小热能量损失。所述激光引导装置8接受激光发射装置产生的激光，然后激光束9投射到板金1上。板金1的厚度控制在5mm之内。板金1下方设置激光保护装置，其可以为v形底板10，材质为低碳金属。v形口的方向朝向板金的运动垂直方向，具体大小根据具体的激光引导设备而定，但是必须保证此结构的投影面积大于或等于激光最大允许的活动区域，保证所有的激光照射都在v形结构范围从而保证保护性能。

以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。