钛合金激光弯曲成形零件弯曲角的预测方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种零件弯曲角的预测方法，特别是涉及一种钛合金激光弯曲成形零 件弯曲角的预测方法。
【背景技术】
[0002] 钛合金是以其优异的综合性能，在航空航天海洋领域获得了广泛应用。目前，国内 飞机、卫星、火箭等装备上采用了较大比重的大尺寸钛合金直线折弯零件和曲线弯折零件。 由于钛合金在室温下的塑性差，冷变形十分困难，采用加热变形制造技术需要制造大量的 耐高温模具和加热炉，其周期长、成本高，使用性能难以保证。对于大尺寸薄板钛合金弯曲 零件，其制造难度更大。金属结构材料激光弯曲成形属于无模、柔性塑性加工新技术，可以 在无需工装或模具的条件下，迅速成形制造出任意形状的曲面零件。激光弯曲成形技术省 去了大量的耐高温模具和加热炉制造，在保证零件使用性能的前提下，可以降低制造成本、 缩短制造流程、加快零件研制，是二十一世纪的先进制造技术之一。
[0003] 同传统的弯曲成形技术一样，激光弯曲成形技术中弯曲零件的弯曲角是工艺设计 与优化的基本参量，板料几何参数、激光成形参数对弯曲零件弯曲角的影响十分显著。
[0004] 文献l"Ti-6Al-4V钛合金的激光弯曲成形特性[J]，李俐群，陈彦宾，张立文，封小 松，中国有色金属学报，2005,15(6) :842-847"报道了 Ti-6A1-4V钛合金板材经过多次激光 直线扫描后弯曲角与扫描次数呈近似线性关系。
[0005] 文献2 "钛合金件激光弯曲成形精度控制与数值模拟研究[M]，刘畅，华中科技大 学硕士学位论文，2012,1-72"报道了扫描速度、激光功率、扫描次数、能量密度对TC4钛合 金激光直线弯曲角的影响规律。钛合金是一种难变形金属结构材料，其动态特性对外加场 变量特别敏感，因此钛合金激光弯曲成形过程被视作一个多场耦合、高度非线性的复杂过 程，其物理模拟实验获得的弯曲零件弯曲角数据极少，对工艺设计与优化的指导作用极为 有限。
[0006] 文献3 "钛合金薄板激光弯曲成形数值模拟及优化设计研究[M]，喻佳，合肥工业 大学硕士学位论文，2009,1-74"报道了预测TA15钛合金薄板激光直线弯曲角的人工神经 网络模型。钛合金激光弯曲成形时，能量密度是激光功率、光斑直径、扫描速度的综合效应， 扫描间隔时间又与扫描速度相关；采用能量密度作为外场物理量对钛合金激光弯曲动态特 性的影响更准确，文献3将激光功率、光斑直径、扫描速度、扫描间隔时间作为影响钛合金 激光弯曲角的主要因素也不妥当。同时，文献3的预测模型没有考虑板材几何参数，特别是 板材厚度对钛合金激光弯曲角的影响，因此其数学模型对钛合金激光弯曲特性的描述不准 确。
[0007] 事实上，钛合金激光弯曲成形过程中，板材几何参数、能量密度对弯曲角的影响十 分显著，是钛合金激光弯曲工艺设计的重要参量。因此，采用现有模型预测的钛合金弯曲零 件的弯曲角不能满足弯曲工艺设计的要求。
【发明内容】
[0008] 为了克服现有弯曲角预测方法预测弯曲角精度差的不足，本发明提供一种钛合金 激光弯曲成形零件弯曲角的预测方法。该方法首先确定钛合金激光弯曲成形时的能量密 度、板材宽度、板材厚度和扫描路径曲率的12个隶属函数和81条模糊规则，再建立钛合金 激光弯曲成形时弯曲角的数学模型；采用钛合金激光弯曲成形实验数据，优选出模糊规则 权系数和权值，然后代入钛合金激光弯曲成形时弯曲角的数学模型，得到钛合金激光弯曲 成形时弯曲角的预测模型。本发明预测的TC4合金激光弯曲成形时弯曲角的测试样本结果 与实验结果之间的最大误差小于4%。
[0009] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种钛合金激光弯曲成形零件弯曲 角的预测方法，其特点是包括以下步骤：
[0010] 步骤一、采用激光对钛合金板材表面进行扫描辐照处理，测量钛合金激光弯曲零 件的弯曲角；
[0011] 步骤二、对钛合金激光弯曲成形时的能量密度I，单位J/mm2、板材宽度b，单位_、 板材厚度t，单位mm和扫描路径曲率F单位mm 1进行归一化处理；
[0012] 步骤三、将钛合金激光弯曲成形时的能量密度Xl、板材宽度x2、板材厚度x 3和扫 描路径曲率x4设为输入变量，将上述四个输入变量划分为大、中、小三个子区间，表不为 {UL，UM，US}，弯曲角设为函数输出值Φ，单位° ;
[0013] 步骤四、确定钛合金激光弯曲成形时能量密度、板材宽度、板材厚度和扫描路径曲 率在三个子区间的隶属函数分别为，
[0014] 对于能量密度：
[0020] 对于板材厚度：
[0023] 对于扫描路径曲率：
[0026] 式中，B_j为隶属函数的方差，I p ]^分别为能量密度的最大值和最小值，b p bs分别 为板材宽度的最大值和最小值，1、&分别为板材厚度的最大值和最小值，5、5分别为扫 描路径曲率的最大值和最小值。
[0027] 步骤五、确定钛合金激光弯曲成形时能量密度、板材宽度、板材厚度、扫描路径曲 率的模糊规则为，
[0028] 申旲糊规则i :如果义1是UL，X 2是UL，X 3是UL，X 4是UL，
[0029] 贝IJ，输出函数值 = K + + Xx2 + .1?? + 式％ 伊a)
[0030] 模糊规则权值^ = //(· _ //(_ //丨 （5b)
[0031] 式中，W1为第i条模糊规则的权值，X、ρ?、4、4、K为第i条模糊规则的权 系数；
[0032] 步骤六、建立钛合金激光弯曲成形零件弯曲角的数学模型为，
[0034] 式中，m为模糊规则数，根据模糊区域划分，m = 34;
[0035] 步骤七、从钛合金激光弯曲成形实验中获得的能量密度、板材宽度、板材厚度、扫 描路径曲率和弯曲角组合中选取多组数据组合为教师样本。采用教师样本对数学模型 式（6)进行训练，当弯曲角的累计误差小于2%时，确定模糊规则的权系数乂、/?(、乂、 /1凡和模糊规则的权值w1。将确定的模糊规则权系数和模糊规则权值代入式（6)，即为 钛合金激光弯曲成形零件弯曲角的预测模型。
[0036] 本发明的有益效果是：本发明方法首先确定钛合金激光弯曲成形时的能量密度、 板材宽度、板材厚度和扫描路径曲率的12个隶属函数和81条模糊规则，再建立钛合金激光 弯曲成形时弯曲角的数学模型；采用钛合金激光弯曲成形实验数据，优选出模糊规则权系 数和权值，然后代入钛合金激光弯曲成形时弯曲角的数学模型，得到钛合金激光弯曲成形 时弯曲角的预测模型。本发明预测的TC4合金激光弯曲成形时弯曲角的测试样本结果与实 验结果之间的最大误差小于4%。
[0037] 下面结合【具体实施方式】对本发明作详细说明。