專利名稱：用于激光彎曲成形精度控制的階梯型變速度掃描方法
技術領域：
本發(fā)明涉及的是一種塑性成形技術領域的方法，具體是一種用于激光彎曲成形精度控制的階梯型變速度掃描方法。
背景技術：
激光彎曲成形技術源于造船行業(yè)的水火彎板技術，它是一種非接觸、無模成形技 術，通過激光束局部高溫加熱材料表面，誘發(fā)熱應力使得材料產生塑性變形，實現(xiàn)對金屬材 料的成形。該技術可利用激光束直線與曲線的組合掃描方式實現(xiàn)板材復雜三維曲面的成 形。因此，激光彎曲成形技術在航空航天、船舶以及微電子等領域具有重大的應用前景。目前，激光彎曲成形研究主要以激光直線掃描為主。激光束沿著直線在板材表面 進行掃描，由于周圍冷態(tài)材料對加熱區(qū)域的擠壓作用，使得加熱區(qū)域產生塑性變形。板料經 過激光直線掃描后理想的彎曲變形狀態(tài)是沿著掃描線方向的彎曲角度是相同的，而實際的 彎曲角度沿著掃描線是不同的。這種彎曲角度沿著掃描線不一致的現(xiàn)象稱為“邊界效應”。 在激光彎曲成形中，邊界效應現(xiàn)象已成為板料高精度成形急需解決的關鍵問題之一。但國 內外對邊界效應現(xiàn)象的研究起步較晚。激光彎曲成形中產生邊界效應現(xiàn)象的原因包括激光掃描產生的溫度場和周圍冷 態(tài)材料對掃描區(qū)域的幾何約束，提出通過溫度調節(jié)來平衡幾何約束的方法來降低邊界效應 現(xiàn)象。而溫度場的改變可以通過改變激光掃描時輸入到板材的線能量來實現(xiàn)。而目前改變 激光線能量的輸入有兩種途徑一是改變激光功率；二是改變激光束與材料作用的時間。 由于當工件或者激光束移動時，改變激光功率有局限性，如激光功率的改變需要一定的響 應時間以及激光功率的改變會引起激光光斑模式以及光斑直徑大小的變化等，這些都不利 于激光器的穩(wěn)定工作。因此，合理又有效的方式是通過改變激光束與材料作用的時間也就 是改變掃描過程中的速度來實現(xiàn)激光輸入能量的改變。經過對現(xiàn)有技術的檢索發(fā)現(xiàn)，J.Magee, K. G. Watkins, W. M. Steen，N. Calder, J. Sidhuand J. Kirby. Edge effects in laser forming (激光成形的邊界效應現(xiàn)象)，in Laser AssistedNet shape Engineering 2. Proceedings of the LANE' 97, edited by M. Geiger and F. Vollertsen, (Meisenbach Bamberg, Germany, 1997), Vol. 2 :399_408.,該 文獻在對鋁合金材料進行激光彎曲成形實驗研究時發(fā)現(xiàn)了邊界效應現(xiàn)象。隨后 J. Bao and Y. L. Yao. Analysis and prediction of edge effects in laser bending(激光彎曲成形中邊界效應的分析與預測).Journal of Manufacturing Science andEngineering,2001, vol. 123 :53_61，該技術利用數(shù)值模擬和實驗手段，研究了激光彎曲 成形中屈曲機理下的邊界效應現(xiàn)象。目前，現(xiàn)有的研究主要針對激光成形中邊界效應的產 生原因以及影響因素進行了分析，而對于降低邊界效應現(xiàn)象措施還未見有報道。

發(fā)明內容
本發(fā)明針對現(xiàn)有技術存在的上述不足，提供一種用于激光彎曲成形精度控制的階梯型變速度掃描方法，可以有效地降低邊界效應現(xiàn)象，提高板料的成形精度。該工藝方法主 要在激光掃描過程中采用階梯型變化的掃描速度，實現(xiàn)不同加熱區(qū)域不同能量的輸入，來 平衡板材的幾何約束，從而改善邊界效應現(xiàn)象。本發(fā)明是通過以下技術方案實現(xiàn)的，本發(fā)明包括以下步驟第一步、首先將待測板材的待掃描表面上的異物去除，再在待掃描表面的掃描區(qū)域上涂敷激光涂料(黑色手噴漆)并將待測板材進行單邊夾持，所述的單邊夾持是指沿著 平行于掃描線的方向夾持待測板材。第二步、通過圖表方法確定各掃描區(qū)域的掃描速度，生成各掃描區(qū)域對應的階梯 形變速度掃描方案；所述的圖表方法是指以橫坐標為掃描線長度，縱坐標為掃描速度，將各掃描區(qū)域 的掃描線分割為若干個區(qū)間，根據(jù)該區(qū)間掃描線開始端的最低速度、掃描線中心位置的最 高速度以及掃描線形成一個等腰三角形，將掃描線分成若干區(qū)間與三角形的兩腰形成的交 點，作為該部分掃描區(qū)域的掃描速度，以此形成了各掃描區(qū)域對應的階梯形變速度掃描方案。第三步、利用激光數(shù)控方式，參照階梯形變速度掃描方案對待測板材進行掃描加 工，加工完畢后待板材自然冷卻并實施測量校驗。本發(fā)明利用階梯型變速度掃描方式，實現(xiàn)了溫度場平衡幾何約束的思想，通過主 動調節(jié)溫度來抵消幾何約束的變化，不需要外加裝置，簡單有效地降低了邊界效應，實現(xiàn)高 精度的激光彎曲成形。


圖1為本發(fā)明階梯型變速度掃描工藝方法確定掃描速度示意圖。圖2為實施例1效果示意圖。圖3為實施例2效果示意圖。
具體實施例方式下面對本發(fā)明的實施例作詳細說明，本實施例在以本發(fā)明技術方案為前提下進行 實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護范圍不限于下述的實施 例。實施例1如圖1所示，對80X80X 2mm3的低碳鋼板材進行變速度掃描，掃描線位置在板材 中心，長度為80mm，激光功率為1000W，光斑直徑為6mm，掃描1次，其操作步驟如下(1)利用黑色手噴漆噴涂在掃描區(qū)域，并利用夾具進行單邊夾持。(2)將掃描速度30mm/s作為基準速度，變速度掃描中的最低和最高掃描速度為 20mm/s和40mm/s ；將80mm長的掃描線分成8段，每一段為10mm，因此，形成的階梯型變速 度掃描方式每一段的速度分別為:20mm/s, 25mm/s, 30mm/s, 35mm/s, 40mm/s, 35mm/s, 30mm/ s,25mm/s ；通過激光數(shù)控加工系統(tǒng)，實現(xiàn)階梯型變速度掃描。(3)等完全自然冷卻后，利用激光位移傳感器對變形角度進行測量，掃描后的變形 角度如圖2所示。
實施例2對200X 200X 2mm3的低碳鋼板材進行變速度掃描，掃描線位置在板材中心，長度 為200mm，激光功率為1000W，光斑直徑為6mm，重復掃描10次，其操作步驟如下(1)利用黑色手噴漆噴涂在掃描區(qū)域，并利用夾具進行單邊夾持。(2)將掃描速度30mm/s作為基準速度，變速度掃描中的最低和最高掃描速度為 20mm/s和40mm/s ；將200mm長的掃描線分成8段，每一段為25mm，因此，形成的階梯型變速 度掃描方式每一段的速度分別為20mm/s，25mm/s, 30mm/s, 35mm/s, 40mm/s, 35mm/s, 30mm/ s，25mm/s ；通過激光數(shù)控加工系統(tǒng)，實現(xiàn)階梯型變速度掃描，重復掃描6次。(3)等完全自然冷卻后，利用激光位移傳感器對變形角度進行測量，掃描后的變形 角度如圖3所示。
權利要求
一種用于激光彎曲成形精度控制的階梯型變速度掃描方法，其特征在于，包括以下步驟第一步、首先將待測板材的待掃描表面上的異物去除，再在待掃描表面的掃描區(qū)域上涂敷激光涂料并將待測板材進行單邊夾持；第二步、通過圖表方法確定各掃描區(qū)域的掃描速度，生成各掃描區(qū)域對應的階梯形變速度掃描方案；第三步、利用激光數(shù)控方式，參照階梯形變速度掃描方案對待測板材進行掃描加工，加工完畢后待板材自然冷卻并實施測量校驗。
2.根據(jù)權利要求1所述的用于激光彎曲成形精度控制的階梯型變速度掃描方法，其特 征是，所述的激光涂料為黑色手噴漆。
3.根據(jù)權利要求1所述的用于激光彎曲成形精度控制的階梯型變速度掃描方法，其特 征是，所述的單邊夾持是指沿著平行于掃描線的方向夾持待測板材。
4.根據(jù)權利要求1所述的用于激光彎曲成形精度控制的階梯型變速度掃描方法，其 特征是，所述的圖表方法是指以橫坐標為掃描線長度，縱坐標為掃描速度，將各掃描區(qū)域 的掃描線分割為若干個區(qū)間，根據(jù)該區(qū)間掃描線開始端的最低速度、掃描線中心位置的最 高速度以及掃描線形成一個等腰三角形，將掃描線分成若干區(qū)間與三角形的兩腰形成的交 點，作為該部分掃描區(qū)域的掃描速度，以此形成了各掃描區(qū)域對應的階梯形變速度掃描方 案。
5.根據(jù)權利要求1所述的用于激光彎曲成形精度控制的階梯型變速度掃描方法，其特 征是，所述的掃描加工是指變速度掃描，掃描線位置在板材中心，長度為80mm 200mm，激 光功率為1000W，光斑直徑為6mm，掃描1 10次。
全文摘要
一種塑性成形技術領域的用于激光彎曲成形精度控制的階梯型變速度掃描方法，通過在待掃描表面的掃描區(qū)域上涂敷激光涂料并將待測板材進行單邊夾持，然后采用圖表方法確定各掃描區(qū)域的掃描速度，生成各掃描區(qū)域對應的階梯形變速度掃描方案，最終利用激光數(shù)控方式，參照階梯形變速度掃描方案對待測板材進行掃描加工，加工完畢后待板材自然冷卻并實施測量校驗。本發(fā)明可以有效地降低邊界效應現(xiàn)象，提高板料的成形精度，實現(xiàn)不同加熱區(qū)域不同能量的輸入，來平衡板材的幾何約束，從而改善邊界效應。
文檔編號B21D5/00GK101804508SQ20101014686
公開日2010年8月18日 申請日期2010年4月15日 優(yōu)先權日2010年4月15日
發(fā)明者姚振強, 沈洪, 胡俊 申請人:上海交通大學