激光微尺度彎曲工藝數(shù)值模擬及其實驗研究.pdf

1、激光彎曲成形作為一種新的無外力，無模具板材柔性成形方法，具有常規(guī)機(jī)械加工方法無法比擬的優(yōu)點。尤其是激光束可以聚焦到很小的尺寸，非常適合微尺度精密加工。深入研究激光微尺度彎曲成形機(jī)理以及工藝控制策略，將對微細(xì)加工理論和實踐有所貢獻(xiàn)，因而具有重要科學(xué)意義和工程應(yīng)用價值。 本文圍繞厚度為0.1mm及以下尺寸的微尺度彎曲件的彎曲方向控制及變形量控制這兩個問題，針對微型不銹鋼工件的激光彎曲過程，采用有限元仿真以及實驗方法進(jìn)行了研究。

2、 在對激光微尺度彎曲成形特點分析基礎(chǔ)上，考慮了隨溫度變化的材料熱物理性能參數(shù)(熱傳導(dǎo)率和比熱)和材料的力學(xué)性能參數(shù)(熱膨脹系數(shù)、屈服強(qiáng)度以及彈性模量等)，以及應(yīng)變強(qiáng)化和應(yīng)變速率對屈服強(qiáng)度的影響等本構(gòu)特點，建立了激光微尺度彎曲成形熱力耦合有限元模擬模型。模擬結(jié)果表明，微尺度工件仍可實現(xiàn)基于溫度梯度機(jī)理的激光彎曲。溫度梯度機(jī)理下工件厚度方向存在強(qiáng)烈的溫度梯度，隨著加熱-冷卻變化，該梯度導(dǎo)致的應(yīng)力變化，使工件上表面壓應(yīng)力和壓縮變形量均大于下

3、表面，因此發(fā)生朝向激光束的正向彎曲變形。加熱過程中溫度場沿掃描路徑分布不均引起掃描路徑上不同位置的位移不同是造成“邊緣效應(yīng)”現(xiàn)象的根源之一。 采用小功率CO2激光器、數(shù)控機(jī)械平臺、專用夾具與檢測裝置，建立了激光微尺度彎曲成形實驗裝置。經(jīng)大量實驗，證明有限元分析結(jié)果與實驗值吻合良好，同時研究表明，工件表面峰值溫度在材料熔點以下時，彎曲角度隨激光功率增大而增大，隨掃描速度的增大而減小，當(dāng)峰值溫度高于材料熔點，彎曲角度隨激光功率增大而

4、減小，隨掃描速度增大而增大；通過對多道次激光掃描彎曲成形進(jìn)行實驗研究，分析了掃描步距及工件長度對微尺度工件彎曲成形的影響，根據(jù)研究結(jié)果，提出了根據(jù)單條掃描路徑獲得的彎曲角度來確定單曲率圓柱面成形的掃描路徑與掃描步距的工藝設(shè)計新方法。 對屈曲機(jī)理的激光微尺度彎曲成形進(jìn)行研究，揭示了屈曲機(jī)理的變形機(jī)制，發(fā)現(xiàn)由于溫度梯度小，工件的初始應(yīng)力易對其彎曲方向產(chǎn)生影響，屈曲將在存在較大壓應(yīng)力的表面優(yōu)先發(fā)生。針對這種情況，通過一定方式給工件施加

5、可控的預(yù)應(yīng)力，并對其進(jìn)行數(shù)值模擬與實驗研究，詳細(xì)分析了預(yù)應(yīng)力對彎曲過程的影響，結(jié)果表明預(yù)約束應(yīng)力可顯著改變激光彎曲成形過程中的應(yīng)力分布，通過控制預(yù)約束應(yīng)力大小與方向可以穩(wěn)定實現(xiàn)工件反向彎曲，也可靈活控制工件的彎曲變形量。 研究了激光偏振特性在激光彎曲成形中的作用。由于激光偏振特性引起激光吸收率的變化，以及累積彎曲角度引起光斑面積的變化，實際作用于板材的激光能量是變化的，這就是造成沿同一路徑多次激光掃描，每次掃描彎曲角度變化的主要

6、原因。改變?nèi)肷浣嵌瓤梢赃m應(yīng)激光的偏振特性，在實驗研究變?nèi)肷浣嵌认挛⑿凸ぜ澢冃我?guī)律的基礎(chǔ)上，提出了通過改變激光入射角度進(jìn)行工件彎曲變形量控制的方法，并通過實驗進(jìn)行了驗證。 實現(xiàn)了有限元軟件MARC與優(yōu)化設(shè)計軟件iSIGHT的有機(jī)集成，探究了激光彎曲成形工藝優(yōu)化的改進(jìn)方案。在理論模擬與實驗分析的基礎(chǔ)上，將優(yōu)化過程中熱力耦合模擬轉(zhuǎn)換為溫度場模擬，大幅提高了優(yōu)化效率。利用改進(jìn)型工藝優(yōu)化策略和變?nèi)肷浣枪ぜ澢冃瘟靠刂品椒?，提出了預(yù)定