專利名稱：金屬板材激光高精度熱彎曲成形的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種利用激光束實現(xiàn)金屬板材高精度彎曲成形的方法，屬于機械制造技術(shù)領(lǐng)
域，可應(yīng)用于小批量或難成形材料的金屬板材無?？焖俪尚渭庸ぁ?
背景技術(shù)：
激光熱成形技術(shù)作為一種新的板材成形工藝方法，將激光技術(shù)引入到塑性成形技術(shù)中， 利用高能激光束局部加熱材料表面，誘發(fā)不均勻熱應(yīng)力，使材料產(chǎn)生塑性變形，從而獲得所 需目標形狀。與傳統(tǒng)板材沖壓成形等冷成形工藝相比，激光熱成形過程中無需模具和外力， 因而柔性大，生產(chǎn)周期短，特別適合于多品種、小批量的零部件的加工；由于屬于熱態(tài)累積 成形，該技術(shù)尤其適合高硬度、高脆性等難成形材料的成形，像鈦合金、鎳合金、陶瓷和硅 片等；激光能量密度高，熱影響區(qū)小，對成形件材料性能的影響小，且成形過程中不易產(chǎn)生 皺曲。因此，激光熱成形技術(shù)在航空航天、汽車、船舶和微電子等領(lǐng)域具有重大的應(yīng)用前景， 初步的工業(yè)應(yīng)用也顯示出該技術(shù)巨大的開發(fā)潛力。
目前，由于不同位置冷態(tài)材料對加熱區(qū)域的約束力變化、加熱起始端溫度與終止端溫度
不同于準穩(wěn)態(tài)溫度，導(dǎo)致激光熱成形加工中工件除了產(chǎn)生期望的沿加熱線法向橫向彎曲變形
外，還會產(chǎn)生沿加熱線的彎曲變形、翹曲變形等成形過程中不希望得到的變形，導(dǎo)致沿加熱
線板材彎曲角度不同，在板的兩側(cè)彎曲角稍微大一些，而在板的中部彎曲角較小。盡管在常
規(guī)熱成形中可以不予考慮，但對于成形精度要求較高的工件，像航空航天、醫(yī)療和微電子等
領(lǐng)域的零部件，這些成形誤差不僅會影響工件的裝配精度，也嚴重影響工件的使用壽命，并
制約了激光熱成形技術(shù)在上述領(lǐng)域應(yīng)用。在激光熱成形過程中，由于板材的非期望變形伴隨
著期望變形同時產(chǎn)生，因此，必須掌握激光熱成形中兩者并存矛盾現(xiàn)象的有效解決方法，才
能在保證期望變形的前提下，減小沿加熱線板材彎曲角度，提高工件的成形精度。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服金屬板材激光熱成形中沿加熱線板材彎曲角度不同的問題，本發(fā)明提供一種熱 力結(jié)合的金屬板材激光熱成形方法，減小沿加熱線板材彎曲角度的變化，提高金屬板材的成 形精度。本發(fā)明任務(wù)解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是金屬板材置于三維數(shù)控平臺上， 一端 固定。為了防止金屬板材表面油垢影響傳熱，金屬板材用丙酮進行清洗。由于低碳鋼對其的 吸收率很低，為了提高激光的吸收系數(shù)，在金屬表面均勻涂上一層涂層，進行黑化處理。連 續(xù)激光束以一定的掃描速度沿給定的運動軌跡加熱金屬板材表面，通過自然冷卻、強制對流 空冷或強制對流水冷對加熱區(qū)域進行冷卻。產(chǎn)生沿加熱線板材彎曲角度變化的主要原因，一 是在不同位置金屬板材的冷態(tài)材料對加熱區(qū)域的約束力不同，在板的兩側(cè)約束力小一些，而 在板材的中部約束力較大，約束力不同導(dǎo)致高溫區(qū)域的塑性收縮變形不同；二是加熱過程中 在加熱起始端溫度比準穩(wěn)態(tài)溫度低，而在終止端溫度比準穩(wěn)態(tài)溫度高。為了獲得沿加熱線相 同的彎曲角度，在激光束后約1 3個光斑直徑的距離處施加不同的壓力，該處板材巳由反向 彎曲轉(zhuǎn)變?yōu)檎驈澢媳砻娌牧蠝囟冉档投卤砻鏈囟热砸^續(xù)升高一段時間，下表面熱 膨脹量繼續(xù)增加，且溫度仍然很高(約在45(TC左右)，該溫度條件下金屬板材屈服強度大大 下降而易于變形，因此在較小壓力下板材可獲得較大的塑性變形。對于較厚的金屬板材用機 械的方式進行壓力施加，對于較薄的金屬板材，可用高壓氣流進行壓力施加。施加較大的壓 力對應(yīng)于彎曲角較大的增加，施加較小的壓力對應(yīng)于彎曲角較小的增加，具體的壓力值隨工 藝參數(shù)和板材幾何尺寸變化。為了求出每次掃描所需要的加工工藝參數(shù)，建立壓力大小、光 斑直徑、激光功率和掃描速度與板材變形基本關(guān)系數(shù)據(jù)庫。根據(jù)數(shù)據(jù)庫和板材變形量要求， 可以反求出所需要的加工工藝參數(shù)。
與常規(guī)的金屬板材熱成形相比，試驗結(jié)果表明該方法沿加熱線方向可以獲得均勻的板材
彎曲角，大大提高金屬板材的成形精度。由于在高溫下進行板材成形，該方法不僅適于常規(guī)
金屬材料，而且也可應(yīng)用于高硬脆難變形材料的成形，在航空航天、醫(yī)療機械和微電子等領(lǐng)
域有著較大的應(yīng)用前景。


圖1高精度激光熱彎曲成形裝置示意圖 圖2高精度激光熱彎曲成形過程示意圖
l控制系統(tǒng)，2激光器，3反射鏡，4聚焦鏡，5激光束，6成形工件，7三維數(shù)控臺，8夾具，
49壓力輸出系統(tǒng)
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式
加以說明。高精度激光熱彎曲成形裝置由控制系 統(tǒng)(1)、 C02激光器(2)、反射鏡(3)、聚焦鏡(4)、壓力輸出系統(tǒng)(9)、夾具(8)、三維 數(shù)控臺(7)和成形工件(6)組成，如圖1所示。
金屬板材具體成形步驟如下
1、 用丙酮對金屬板材表面進行清洗；
2、 在金屬板材表面均勻涂上一層激光吸附涂層，進行黑化處理；
3、 成形工件(6)置于三維數(shù)控臺(7)上，用夾具(8)固定成形工件(6)的一端，激 光束(5)和壓力施加裝置(9)位置固定不變；
4、 激光束由激光器(2)發(fā)出，通過反射鏡(3)和聚焦鏡(4)形成一定光斑直徑的光 束輻射在成形工件(6)表面；
5、 保持光斑直徑不變，建立沿加熱線板材最大彎曲角與工藝參數(shù)基本關(guān)系數(shù)據(jù)庫，根據(jù) 基本關(guān)系數(shù)據(jù)庫和板材彎曲變形要求，可以反求出所需要的掃描速度和激光功率；
6、 建立壓力大小、板材幾何尺寸、工藝參數(shù)與板材彎曲變形基本關(guān)系數(shù)據(jù)庫，在彎曲角 較大的位置施加較小的壓力，在彎曲角較小的位置施加較大的壓力，根據(jù)基本關(guān)系數(shù)據(jù)庫和 板材彎曲角的變化，可以確定出在不同加熱位置所需要的壓力值；
7、 三維數(shù)控臺(7)帶動成形工件(6)移動，使連續(xù)激光束(5)以一定的掃描速度v 沿給定的運動軌跡6加熱成形工件(6)表面，在激光束(5)后距離激光束中心d處施加壓 力尸，壓力由壓力輸出系統(tǒng)(9)根據(jù)不同加熱位置施加，如圖2所示，對于較厚的板材用機 械的方式進行壓力施加，d約為1 3個光斑直徑的距離，對于較薄的板材可用高壓氣流進行 壓力施加；
8、 加熱完成后，金屬板材通過自然冷卻、強制對流空冷或強制對流水冷對加熱區(qū)域進行 冷卻。
權(quán)利要求
1、一種提高金屬板材激光熱彎曲成形精度的方法，其特征是沿加熱線在激光束后約1～3個光斑直徑的距離處施加不同的壓力，在彎曲角較大的位置施加較小的壓力，在彎曲角較大的位置施加較大的壓力，以提高成形工件的成形精度。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于保持光斑直徑不變，建立沿加熱線板材最大彎曲 角與工藝參數(shù)基本關(guān)系數(shù)據(jù)庫，根據(jù)基本關(guān)系數(shù)據(jù)庫和板材彎曲變形要求，可以皮求出所 需要的掃描速度和激光功率。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于建立壓力大小、板材幾何尺寸、工藝參數(shù)與板材 彎曲變形基本關(guān)系數(shù)據(jù)庫，根據(jù)基本關(guān)系數(shù)據(jù)庫和板材彎曲角的變化，可以確定出在不同 加熱位置所需要的壓力值。
全文摘要
本發(fā)明為一種提高金屬板材激光熱彎曲成形精度的方法。成形工件固定于三維數(shù)控平臺上，連續(xù)激光束以一定的掃描速度沿給定的運動軌跡加熱金屬板材表面，在激光束后約1～3個光斑直徑的距離處施加不同的壓力，在彎曲角較大的位置施加較小的壓力，在彎曲角較大的位置施加較大的壓力，以減小沿加熱線成形板材彎曲角度的變化，提高成形工件的成形精度。該方法適于高硬脆難變形板材較高精度的成形，在航空航天、醫(yī)療和微電子領(lǐng)域有著較大的應(yīng)用前景。
文檔編號B21D5/00GK101559539SQ20091001565
公開日2009年10月21日 申請日期2009年5月19日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月19日
發(fā)明者鵬 伊, 劉衍聰, 石永軍 申請人:中國石油大學(xué)(華東)