激光热变形机理及复杂曲面板材热成形工艺规划研究

【摘要】： 在航空航天、舰船、汽车及微电子的零部件中,成形件所占比重较大,品种多,批量小,成形工艺过程复杂,尤其是钛镍合金等难成形材料零件。采用常规整体加热后冲压的方法需要制作大量的耐高温模具,成本高且周期长;部分零件由于受到加热炉尺寸的限制,不能使用该方法进行成形加工。激光热成形利用高能激光束对工件局部加热诱发不均匀热应力,使板材产生塑性变形,以获得所需要的目标形状。作为一种基于热态积累的成形方法,激光热成形无需模具与外力,是一种柔性成形技术,特别适合高硬脆性材料的成形与小批量零件的生产。 本课题针对复杂曲面激光热成形工艺规划研究中存在的问题,采用实验测试、数值仿真和理论分析相结合的方法,通过对不同工艺参数条件下板材变形行为的研究,深入分析了激光热变形过程中板材的成形机理、温度场和变形场规律、成形精度控制方法、路径规划与工艺参数的确定方法,为实现金属板材的快速精确成形提供理论基础。论文的主要研究工作和创新成果如下: (1)机理分析和板材弯曲方向控制。论文分析了温度梯度机理、屈曲机理与增厚机理等主要的成形机理,从板材弯曲变形和增厚等角度探讨了不同工艺参数条件下板材的变形行为。针对复杂型面板材成形应变场的要求,根据激光热成形后板材的应变分布规律,论文重新探讨了温度梯度机理与增厚机理,使其分别对应于弯曲应变与平面应变,并提出了一种包含着温度梯度机理和增厚机理条件下板材变形特征的热成形机理——耦合机理。同时发现了在温度梯度机理、屈曲机理与耦合机理条件下,板材既产生绕x轴弯曲也产生绕y轴弯曲变形的现象。此外,为了实现板材弯曲方向的精确控制,论文对屈曲机理条件下板材的温度分布与屈曲条件进行了理论分析,推导出屈曲机理适用范围判断准则,根据Fbuckling值可判断板材的弯曲方向,并探讨了加热起始点以及加热线位置对弯曲方向的影响规律,为激光热成形工艺规划中参数选择提供理论基础。 (2)激光热成形温度分布与变形行为的扩展性规律。为了减少小批量和大尺寸成形件的研究周期和成本,找出不同尺寸、材质板材激光热成形行为之间内在联系,论文对激光热成形温度分布与变形规律的可扩展性进行研究。首先,通过定义转化温度,对激光能量、扫描速度和光斑直径等单一工艺参数调整时温度场变化的规律进行研究,进而揭示出不同加工工艺参数之间温度场的映射关系。基于工艺参数与温度分布之间映射规律,可以有效地通过已知工艺参数的温度场预测出不同工艺参数条件下板材的温度分布。其次,通过定义无量纲温度和坐标转化,研究了板内任一平行于上表面的