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大型、复杂结构和高筋条类钣金零件的成形,是当前制造领域亟待解决的重要技术难题之一。为此,作者所在课题组提出了激光辅助成形新方法。其基本原理是:用激光热能干预成形零件的弹性内能集中区域,通过诱导内能转化塑性功,实现零件的成形。
本文以成形能力为主要指标,采用实验和数值模拟相结合的方法,考察了激光辅助成形方法的工程可行性,通过量纲分析构建了一组可以描述成形过程的无量纲量,建立了相似准则,以此为基础,研究了相关工艺参数对零件成形量的影响规律,提出了激光辅助成形的优化设计途径。取得的主要研究结果如下:
(1)激光辅助成形方法适用于铝合金、工业纯钛、低碳钢等常用金属板材。对上述金属薄板试件施加弹性弯矩,在不发生相变的情况下,用激光扫描其最大弹性变形区,这些试件均可通过使弹性内能转化为塑性功获得明显的成形效果。
(2)激光辅助成形方法可以成形网状筋条结构试件。对这类试件施加弹性弯矩,其弹性能主要集中于筋条及其与蒙皮的过渡区域。对承受弹性弯矩、材质为7075铝合金的试件,通过激光按照一定的路径扫描其与筋条对应的蒙皮表面,也可获得明显的成形效果。
(3)在输入能量相同或者作用时间相同的条件下,多光束同时加热或线光束加热的成形效果明显优于点光束扫描方式,且其温度场在板宽方向的分布更为均匀,试件发生宽向弯曲的可能性也更小。因此,为提高激光辅助成形效率和零件的成形能力,应尽量采用线光斑光束或多光束同步加工方式。
(4)可用弹性能塑性转化效率评价试件在激光辅助成形条件下的成形能力。弹性能塑性转化效率与试件的弹性内能水平密切相关,弹性内能水平越高,其弹性内能的塑性转化效率越高,试件的成形能力也越大。因此,为提高成形效率、降低生产成本,在采用激光辅助方法成形零件时,激光扫描一定次数(成形量增量与成形量之比低于10%)后,应及时更换胎模或采取其它措施,以提升其弹性内能水平。