一种金属板料多自由度激光加热渐进成形设备的制作方法

本实用新型公开了一种板料多自由度激光加热渐进成形设备，涉及金属板料热加工装备制造及热塑性成形工艺技术领域。

背景技术：

渐进成形一种计算机辅助无模柔性加工技术，相比较于传统的模具加工成形具有成本低、周期短以及高柔性等优势。但对于一些常温下塑性较差的板料则需要更大的成形力，工具头与板料之间会产生切削效果，加工完之后成形件表面质量较差。为了提高金属板料的塑性，需对板料进行加热。目前渐进成形过程中对板料加热方式主要有两种：工具头自加热和激光加热。工具头自加热的加热效果有限，对于温度要求较高的板料加热会受到限制。激光加热可以调节功率大小以适应不同厚度不同材料的板料加热要求，此外其所能达到的加热温度能够使金属产生相变，有利于提高渐进成形后零件的整体力学性能。

目前渐进成形领域中所采用的激光加热装置大多固定在成形设备主轴上，与成形工具头保持相对静止，激光加热点与工具头顶端保持一定距离，起到提前加热板料的作用。由于激光束与工具头之间存在一个夹角，当此夹角度数超过工具头与板料接触位置切线夹角时，激光束将与板料发生干涉，无法为待成形区域加热。此外，也有将工具头中间加工成空洞，使激光束穿过空洞对板料代加工区域加热，但此方法会降低工具头强度以及刚度，当工具头在成形过程中发生弯曲时会导致激光束无法照射到板料表面，影响板料渐进成形质量。

已公开中国发明专利，申请号CN201110247884.7，专利名称：基于激光辅助加热的超高压水射流板材渐进加工喷头及其应用，申请日： 20110824，本实用新型涉及一种金属板材成型技术领域的基于激光辅助加热的超高压水射流板材渐进加工喷头及其应用，该喷头包括：下套筒、喷嘴、中套筒、激光输出装置和上套筒，其中：下套筒、喷嘴、中套筒与上套筒依次连接，上套筒为双层结构，激光输出装置固定于上套筒内且输出光轴正对喷嘴。本实用新型能够对难成形材料，如钛合金进行渐进成形或切割。

技术实现要素：

本实用新型公开一种金属板料多自由度激光加热渐进成形设备，提高板料的渐进成形性能及改善加工件表面质量。本实用新型提出一种金属板料多自由度激光加热渐进成形设备，包括成形单元、加热单元、固定单元、气体保护单元以及控制单元，所述成形单元和加热单元分别设置在固定单元两侧，所述成形单元上连接有控制系统，成形单元包括渐进成形机床主轴1以及成形工具头2，所述加热单元上连接有控制单元，所述加热单元包括连接装置6、激光输入光纤8、激光准直镜5和激光加热头4，安装在所述渐进成形机床主轴1上的成形工具头2和通过所述连接装置6安装在机械臂7上的激光加热头4 分别垂直设置在金属板料12的两侧。

优选的，固定单元包括一号夹板10和二号夹板11，所述金属板料12的上下两端通过一号夹板10和二号夹板11固定。

优选的，一号夹板10和二号夹板11相对平行设置。

优选的，激光加热头4靠近金属板料12的一侧上安装有保护气体喷嘴3，所述激光加热头4、保护气体喷嘴3以及输入的保护气体 9形成气体保护单元。

优选的，保护气体喷嘴3设置在激光加热头4的四周。

优选的，控制单元分别连接相对运动的所述渐进成形机床主轴1 和机械臂7。

优选的，激光加热头4与机械臂7之间设置有激光准直镜5，所述激光加热头4上安装有气体保护单元，所述激光准直镜5通过激光输入光纤8与激光发生器相连。

优选的，激光输入光纤8输入的激光功率激光光斑13圆心与成形工具头2顶点沿加工轨迹始终领先加工轨迹线长度

本实用新型的有益效果：

(1)提出一种激光加热方法，即始终保持激光束与加热区域切线方向垂直，避免激光束与待加热区域以外的板料发生干涉，最大化利用激光束能量加热板料；

(2)激光束加热板料时喷射保护器，防止板料氧化；

(3)将成形工具头与激光加热头分别布置于板料两侧，方便控制激光器加热角度。

(4)提出一种激光输入功率值的确定方法以及激光加热头与成形工具头间隔距离的控制方法，可精确控制板料加热温度以及工具头成形区域温度。

附图说明

图1为本实用新型的结构图；

图中，

1、渐进成形机床主轴；2、成形工具头；3、保护气体喷嘴；4、激光加热头；5、激光准直镜；6、连接装置；7、机械臂；8、激光输入光纤；9、保护气体；10、一号夹板；11、二号夹板；12、金属板料； 13、激光光斑。

具体实施方式

如图1所示可知，本实用新型包括有：成形单元、加热单元、固定单元、气体保护单元以及控制单元，所述成形单元连接有控制单元，包括渐进成形机床主轴1和成形工具头2，加热单元上连接有控制单元，所述加热单元包括连接装置6、激光加热头4、激光输入光纤和激光准直镜，安装在所述渐进成形机床主轴1上的成形工具头2和通过所述连接装置6安装在机械臂7上的激光加热头4分别设置在金属板料12的两侧。

在使用中，采用将激光加热头固定在机械臂上面与成形工具头，通过编程保证激光束与待加热板料表面切面方向垂直，避免激光束与待加热区域以外的板料发生干涉；在激光加热头顶端外部四周安装一个环形保护气体喷射装置，避免板料在加热过程中与空气发生氧化；将成形工具头与激光加热装置分别置于板料两侧，方便控制激光加热角度。此外，无需将成形工具头内部设置激光发射孔，保证了成形工具头其原有的强度与刚度，避免成形工具头在渐进成形过程中发生弯曲、影响板料成形质量。

在本实施中优选的，所述固定单元包括一号夹板10和二号夹板 11，所述金属板料12的上下两端通过一号夹板10和二号夹板11固定。

设置上述结构，对金属板料12的上下都进行固定，防止在逐层碾压成形的过程中，金属板料12产生移动，提高工作效率和生产品质。

在本实施中优选的，一号夹板10和二号夹板11相对平行设置。

设置上述结构，相对平行设置的一号夹板10和二号夹板11，提高对金属板料12的固定度。

在本实施中优选的，激光加热头4靠近金属板料12的一侧上安装有保护气体喷嘴3，所述激光加热头4、保护气体喷嘴3以及输入的保护气体9形成气体保护单元。

设置上述结构，用于对板料加热区域进行保护防止其被空气氧化，通过保护气体喷嘴3，保护气体从喷嘴入口进入由喷嘴四周的小孔喷出，既带走了激光加热头4的热量也对板料加热区域起到保护作用。

在本实施中优选的，保护气体喷嘴3设置在激光加热头4的四周。

设置上述结构，利用四周设置的保护气体喷嘴3，加强对板料加热区域的保护作用。

在本实施中优选的，控制单元分别连接相对运动的所述渐进成形机床主轴1和机械臂7。

设置上述结构，控制单元主要负责工具头以及搭载激光加热头4、保护气体喷嘴3的机械臂7相对运动轨迹的控制，用于控制搭载激光加热头以及保护气体喷嘴的机械臂与成形工具头之间的相对运动位置，使得板料的成形区域保持一个合适的温度，提高板料的成形极限以及改善成形件的表面质量。

在本实施中优选的，所述激光加热头4与机械臂7之间设置有激光准直镜5，所述激光加热头4上安装有气体保护单元，所述激光准直镜5通过激光输入光纤8与激光发生器相连。

设置上述结构，激光输入光纤8输入激光通过激光准直镜5后变成平行激光束，然后再对金属板料12进行加热操作，提高工作效率。

在使用中，原理如下：

本实用新型的工作原理：将装好激光加热头4、激光准直镜5、激光输入光纤8、保护气体喷嘴3的连接装置6安装到机械臂7上。接通激光后，为了避免板料过热熔化或者温度过低无法有效提高板料塑性，故而本实用新型提出了一种根据板料厚度、加工参数以及激光光斑大小来确定激光功率的公式，公式C-金属板料比热容，r-激光光斑半径，ρ-板料密度，t板-板料厚度，T-板料所需加热温度，T室-室温，F-工具头进给速度，激光由光纤8输入，经过准直镜5后变成平行激光束，由激光加热头射出对金属板料12 进行加热，激光先加热进刀处板料然后保持进给速度F沿工具头加工轨迹线前进，当激光光斑圆心距离工具头圆心r的时候工具头开始加工板料，利用这种方法加热板料既保证工具头加工区域均达到所需加热温度且不会因为光斑距离工具头过远板料导致板料温度降低，影响板料渐进成形质量。在激光对板料12进行加热的时候，保护气体从喷嘴3喷出，既带走了加热头的热量，又对板料加热区域起到了防氧化保护作用。板料被加热至所需温度后，工具头2即对板料进行渐进成形加工。

上述实施例仅例示性说明本专利申请的原理及其功效，而非用于限制本专利申请。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本专利申请的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本专利申请所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本专利请的权利要求所涵盖。