雷射輔助預應力噴丸成形-強化複合方法
2023-06-14 21:30:51 2
專利名稱：雷射輔助預應力噴丸成形-強化複合方法
技術領域：
本發明涉及鈑金結構成型領域，尤其是一種雷射輔助預應力噴丸成形-強化複合方法。
背景技術：
工程上有這樣一類鈑金零件，譬如飛機的蒙皮和整體(蒙皮與支撐筋條一體化)壁板零件、火箭的整體燃料箱零件、船舶的船舷和甲板零件以及汽車的覆蓋件等，需要採取壓彎或滾彎(壓彎的另一種形式，成形零件可以在被壓彎的同時隨支撐輥轉動)方式成形。
壓彎或滾彎是目前壁板成形的主要方法。該方法利用三點彎曲方式成形壁板，壁板由兩個支撐點所支撐，加載裝置控制壓頭在壁板上預定的位置加載。壁板在載荷的作用下產生塑性變形，從而實現預期的幾何外形。壓彎成形可以是一次成形也可以是多次或增量式成形(通過多次、逐步的加載方法使坯件成形)。載荷大小和加載位置，以及加載次序都是成形中需要考慮的問題。
對於飛機蒙皮和壁板類零件，由於尺寸大、結構形狀複雜，採用該方法變形量小、成形難度大、不能成形局部變形量大和筋條高的零件。其主要體現是變形抗力大、回彈量大、易出現變形損傷(如筋條起皺和開裂等)、成形精度較差。
發明內容
針對現有技術存在的問題，本發明的目的在於提供一種顯著提高壓彎成形量、成形效率和成形精度，同時提高結構材料力學性能的雷射輔助預應力噴丸成形-強化複合方法。
為實現上述目的，本發明雷射輔助預應力噴丸成形-強化複合方法，具體為 1)建立成形材料的力學性能和熱物性能等相關性能參數，成形零件的結構、尺寸和形狀資料庫，以及材料在機械載荷、熱載荷作用下的響應規律，建立仿真平臺； 2)基於仿真平臺對工件進行虛擬複合成形，描述彈性能分布規律、設計雷射加工參數和噴丸工藝參數； 3)對坯件施加機械預負載，使其達到設定的變形參數； 4)根據雷射加工參數對坯件進行雷射加工，雷射加工完成後，順延雷射加工路徑對坯件進行噴丸處理； 5)通過坯件狀態傳感器向控制系統反饋加工過程實時監控數據，控制系統根據這些數據及時修正工藝參數，優化雷射處理和噴丸處理過程，形成整個加工過程的閉環控制。
採用本發明方法成形時，由雷射-材料相互作用的熱效應既可以降低雷射作用區材料的變形抗力(彈性模量和屈服強度)，又可以通過其在零件厚度方向上建立的非均勻熱應力場輔助零件成形，因此能夠顯著提高成形件的壓彎成形量以及成形效率和成形精度；而緊隨其後進行的噴丸能進一步對熱作用區域進行應變強化，提高結構力學性能。
具體實施例方式 本發明一種雷射輔助預應力噴丸成形-強化複合方法，具體為1)建立成形材料的力學性能和熱物性能等相關性能參數，成形零件的結構、尺寸和形狀資料庫，以及材料在機械載荷、熱載荷作用下的響應規律，建立仿真平臺；2)基於仿真平臺對工件進行虛擬複合成形，描述彈性能分布規律、設計雷射加工參數和噴丸工藝參數；3)對坯件施加機械預負載，使其達到設定的變形參數；4)根據雷射加工參數對坯件進行雷射加工，並順延雷射加工路徑對坯件進行噴丸處理；5)通過坯件狀態傳感器向控制系統反饋加工過程實時監控數據，控制系統根據這些數據及時修正工藝參數，優化雷射處理和噴丸處理過程，形成整個加工過程的閉環控制。
該方法首先以機械預加載方法使工件在彈性範圍內發生預期的變形，然後向零件彈性能集中區域以雷射束掃描，最後沿雷射掃描路徑對工件進行噴丸。採用該方法成形時，由雷射-材料相互作用的熱效應既可以降低雷射作用區材料的變形抗力(彈性模量和屈服強度)，又可以通過其在零件厚度方向上建立的非均勻熱應力場輔助零件成形，因此能夠顯著提高上述成形件的壓彎成形量以及成形效率和成形精度；而緊隨其後進行的噴丸能進一步對熱作用區域進行應變強化，提高結構力學性能。由於進行噴丸時，雷射輻照熱作用仍然存在，局部材料仍然處於相對較高的溫度、變形抗力相對較低，噴丸將在更大的區域內形成殘餘壓應力，並且殘餘應力在一定區域內分布相對更均勻，這將更好的改善材料抗疲勞破壞性能。
本發明基於傳統機械成形方法，引入雷射掃描的熱效應和噴丸強化作用，可以對機械方法無法實現預期成形的工件同時進行成形和強化該方法克服了機械成形可能帶來成形件損傷甚至破壞的缺點，也解決了熱作用可能對材料造成的性能退化問題。主要包括如下三個方面第一、雷射與材料相互作用的熱效應使成形件局部區域的材料在成形時彈性模量下降、屈服強度降低；第二、利用噴丸造成的材料冷作硬化效果，對結構施加殘餘壓縮應力、強化材料力學性能。第三、在雷射束掃描後立即沿同一路徑進行噴丸，可利用局部高溫降低材料變形抗力的事實，獲得更均勻、範圍更大的噴丸強化效果。
權利要求
雷射輔助預應力噴丸成形-強化複合方法，具體為
1)建立成形材料的力學性能和熱物性能等相關性能參數，成形零件的結構、尺寸和形狀資料庫，以及材料在機械載荷、熱載荷作用下的響應規律，建立仿真平臺；
2)基於仿真平臺對工件進行虛擬複合成形，描述彈性能分布規律、設計雷射加工參數和噴丸工藝參數；
3)對坯件施加機械預負載，使其達到設定的變形參數；
4)根據雷射加工參數對坯件進行雷射掃描加工，並順延雷射加工路徑對坯件進行噴丸處理；
5)通過坯件狀態傳感器向控制系統反饋加工過程實時監控數據，控制系統根據這些數據及時修正工藝參數，優化雷射處理和噴丸處理過程，形成整個加工過程的閉環控制。
全文摘要
本發明公開了一種雷射輔助預應力噴丸成形-強化複合方法，首先以機械預加載方法使工件在彈性範圍內發生預期的變形，然後向零件彈性能集中區域以雷射束掃描，隨即沿雷射掃描路徑對工件進行噴丸。採用本發明方法成形時，由雷射-材料相互作用的熱效應既可以降低雷射作用區材料的變形抗力(彈性模量和屈服強度)，又可以通過其在零件厚度方向上建立的非均勻熱應力場輔助零件成形，因此能夠顯著提高成形件的壓彎成形量以及成形效率和成形精度；而緊隨其後進行的噴丸能進一步對熱作用區域進行應變強化，提高結構力學性能。
文檔編號C22F1/00GK101289733SQ20081011560
公開日2008年10月22日 申請日期2008年6月25日 優先權日2008年6月25日
發明者陳光南, 吳臣武, 青 彭, 羅耕星, 王秀鳳, 坤 張 申請人:中國科學院力學研究所