鈦合金激光彎曲成形零件彎曲角的預(yù)測(cè)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種零件彎曲角的預(yù)測(cè)方法，特別是涉及一種鈦合金激光彎曲成形零 件彎曲角的預(yù)測(cè)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 鈦合金是以其優(yōu)異的綜合性能，在航空航天海洋領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用。目前，國(guó)內(nèi) 飛機(jī)、衛(wèi)星、火箭等裝備上采用了較大比重的大尺寸鈦合金直線折彎零件和曲線彎折零件。 由于鈦合金在室溫下的塑性差，冷變形十分困難，采用加熱變形制造技術(shù)需要制造大量的 耐高溫模具和加熱爐，其周期長(zhǎng)、成本高，使用性能難以保證。對(duì)于大尺寸薄板鈦合金彎曲 零件，其制造難度更大。金屬結(jié)構(gòu)材料激光彎曲成形屬于無(wú)模、柔性塑性加工新技術(shù)，可以 在無(wú)需工裝或模具的條件下，迅速成形制造出任意形狀的曲面零件。激光彎曲成形技術(shù)省 去了大量的耐高溫模具和加熱爐制造，在保證零件使用性能的前提下，可以降低制造成本、 縮短制造流程、加快零件研制，是二十一世紀(jì)的先進(jìn)制造技術(shù)之一。
[0003] 同傳統(tǒng)的彎曲成形技術(shù)一樣，激光彎曲成形技術(shù)中彎曲零件的彎曲角是工藝設(shè)計(jì) 與優(yōu)化的基本參量，板料幾何參數(shù)、激光成形參數(shù)對(duì)彎曲零件彎曲角的影響十分顯著。
[0004] 文獻(xiàn)l"Ti-6Al-4V鈦合金的激光彎曲成形特性[J]，李俐群，陳彥賓，張立文，封小 松，中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào)，2005,15(6) :842-847"報(bào)道了 Ti-6A1-4V鈦合金板材經(jīng)過多次激光 直線掃描后彎曲角與掃描次數(shù)呈近似線性關(guān)系。
[0005] 文獻(xiàn)2 "鈦合金件激光彎曲成形精度控制與數(shù)值模擬研究[M]，劉暢，華中科技大 學(xué)碩士學(xué)位論文，2012,1-72"報(bào)道了掃描速度、激光功率、掃描次數(shù)、能量密度對(duì)TC4鈦合 金激光直線彎曲角的影響規(guī)律。鈦合金是一種難變形金屬結(jié)構(gòu)材料，其動(dòng)態(tài)特性對(duì)外加場(chǎng) 變量特別敏感，因此鈦合金激光彎曲成形過程被視作一個(gè)多場(chǎng)耦合、高度非線性的復(fù)雜過 程，其物理模擬實(shí)驗(yàn)獲得的彎曲零件彎曲角數(shù)據(jù)極少，對(duì)工藝設(shè)計(jì)與優(yōu)化的指導(dǎo)作用極為 有限。
[0006] 文獻(xiàn)3 "鈦合金薄板激光彎曲成形數(shù)值模擬及優(yōu)化設(shè)計(jì)研究[M]，喻佳，合肥工業(yè) 大學(xué)碩士學(xué)位論文，2009,1-74"報(bào)道了預(yù)測(cè)TA15鈦合金薄板激光直線彎曲角的人工神經(jīng) 網(wǎng)絡(luò)模型。鈦合金激光彎曲成形時(shí)，能量密度是激光功率、光斑直徑、掃描速度的綜合效應(yīng)， 掃描間隔時(shí)間又與掃描速度相關(guān)；采用能量密度作為外場(chǎng)物理量對(duì)鈦合金激光彎曲動(dòng)態(tài)特 性的影響更準(zhǔn)確，文獻(xiàn)3將激光功率、光斑直徑、掃描速度、掃描間隔時(shí)間作為影響鈦合金 激光彎曲角的主要因素也不妥當(dāng)。同時(shí)，文獻(xiàn)3的預(yù)測(cè)模型沒有考慮板材幾何參數(shù)，特別是 板材厚度對(duì)鈦合金激光彎曲角的影響，因此其數(shù)學(xué)模型對(duì)鈦合金激光彎曲特性的描述不準(zhǔn) 確。
[0007] 事實(shí)上，鈦合金激光彎曲成形過程中，板材幾何參數(shù)、能量密度對(duì)彎曲角的影響十 分顯著，是鈦合金激光彎曲工藝設(shè)計(jì)的重要參量。因此，采用現(xiàn)有模型預(yù)測(cè)的鈦合金彎曲零 件的彎曲角不能滿足彎曲工藝設(shè)計(jì)的要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 為了克服現(xiàn)有彎曲角預(yù)測(cè)方法預(yù)測(cè)彎曲角精度差的不足，本發(fā)明提供一種鈦合金 激光彎曲成形零件彎曲角的預(yù)測(cè)方法。該方法首先確定鈦合金激光彎曲成形時(shí)的能量密 度、板材寬度、板材厚度和掃描路徑曲率的12個(gè)隸屬函數(shù)和81條模糊規(guī)則，再建立鈦合金 激光彎曲成形時(shí)彎曲角的數(shù)學(xué)模型；采用鈦合金激光彎曲成形實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，優(yōu)選出模糊規(guī)則 權(quán)系數(shù)和權(quán)值，然后代入鈦合金激光彎曲成形時(shí)彎曲角的數(shù)學(xué)模型，得到鈦合金激光彎曲 成形時(shí)彎曲角的預(yù)測(cè)模型。本發(fā)明預(yù)測(cè)的TC4合金激光彎曲成形時(shí)彎曲角的測(cè)試樣本結(jié)果 與實(shí)驗(yàn)結(jié)果之間的最大誤差小于4%。
[0009] 本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：一種鈦合金激光彎曲成形零件彎曲 角的預(yù)測(cè)方法，其特點(diǎn)是包括以下步驟：
[0010] 步驟一、采用激光對(duì)鈦合金板材表面進(jìn)行掃描輻照處理，測(cè)量鈦合金激光彎曲零 件的彎曲角；
[0011] 步驟二、對(duì)鈦合金激光彎曲成形時(shí)的能量密度I，單位J/mm2、板材寬度b，單位_、 板材厚度t，單位mm和掃描路徑曲率F單位mm 1進(jìn)行歸一化處理；
[0012] 步驟三、將鈦合金激光彎曲成形時(shí)的能量密度Xl、板材寬度x2、板材厚度x 3和掃 描路徑曲率x4設(shè)為輸入變量，將上述四個(gè)輸入變量劃分為大、中、小三個(gè)子區(qū)間，表不為 {UL，UM，US}，彎曲角設(shè)為函數(shù)輸出值Φ，單位° ;
[0013] 步驟四、確定鈦合金激光彎曲成形時(shí)能量密度、板材寬度、板材厚度和掃描路徑曲 率在三個(gè)子區(qū)間的隸屬函數(shù)分別為，
[0014] 對(duì)于能量密度：

[0020] 對(duì)于板材厚度：
[0023] 對(duì)于掃描路徑曲率：
[0026] 式中，B_j為隸屬函數(shù)的方差，I p ]^分別為能量密度的最大值和最小值，b p bs分別 為板材寬度的最大值和最小值，1、&分別為板材厚度的最大值和最小值，5、5分別為掃 描路徑曲率的最大值和最小值。
[0027] 步驟五、確定鈦合金激光彎曲成形時(shí)能量密度、板材寬度、板材厚度、掃描路徑曲 率的模糊規(guī)則為，
[0028] 申旲糊規(guī)則i :如果義1是UL，X 2是UL，X 3是UL，X 4是UL，
[0029] 貝IJ，輸出函數(shù)值 = K + + Xx2 + .1?? + 式％ 伊a)
[0030] 模糊規(guī)則權(quán)值^ = //(· _ //(_ //丨 （5b)
[0031] 式中，W1為第i條模糊規(guī)則的權(quán)值，X、ρ?、4、4、K為第i條模糊規(guī)則的權(quán) 系數(shù)；
[0032] 步驟六、建立鈦合金激光彎曲成形零件彎曲角的數(shù)學(xué)模型為，
[0034] 式中，m為模糊規(guī)則數(shù)，根據(jù)模糊區(qū)域劃分，m = 34;
[0035] 步驟七、從鈦合金激光彎曲成形實(shí)驗(yàn)中獲得的能量密度、板材寬度、板材厚度、掃 描路徑曲率和彎曲角組合中選取多組數(shù)據(jù)組合為教師樣本。采用教師樣本對(duì)數(shù)學(xué)模型 式（6)進(jìn)行訓(xùn)練，當(dāng)彎曲角的累計(jì)誤差小于2%時(shí)，確定模糊規(guī)則的權(quán)系數(shù)乂、/?(、乂、 /1凡和模糊規(guī)則的權(quán)值w1。將確定的模糊規(guī)則權(quán)系數(shù)和模糊規(guī)則權(quán)值代入式（6)，即為 鈦合金激光彎曲成形零件彎曲角的預(yù)測(cè)模型。
[0036] 本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明方法首先確定鈦合金激光彎曲成形時(shí)的能量密度、 板材寬度、板材厚度和掃描路徑曲率的12個(gè)隸屬函數(shù)和81條模糊規(guī)則，再建立鈦合金激光 彎曲成形時(shí)彎曲角的數(shù)學(xué)模型；采用鈦合金激光彎曲成形實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，優(yōu)選出模糊規(guī)則權(quán)系 數(shù)和權(quán)值，然后代入鈦合金激光彎曲成形時(shí)彎曲角的數(shù)學(xué)模型，得到鈦合金激光彎曲成形 時(shí)彎曲角的預(yù)測(cè)模型。本發(fā)明預(yù)測(cè)的TC4合金激光彎曲成形時(shí)彎曲角的測(cè)試樣本結(jié)果與實(shí) 驗(yàn)結(jié)果之間的最大誤差小于4%。
[0037] 下面結(jié)合【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明作詳細(xì)說(shuō)明。