本發(fā)明涉及一種塑性成形技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于激光加熱程序的編制及優(yōu)化方法。

背景技術(shù)：

旋壓技術(shù)作為一種先進(jìn)的近凈成形工藝，在空心回轉(zhuǎn)體零件的加工中得到了廣泛的應(yīng)用。隨著光纖激光技術(shù)的逐漸成熟，應(yīng)用高能量密度的激光替代常規(guī)能源對(duì)旋壓坯料進(jìn)行在線加熱成為可能。激光加熱涉及到多個(gè)參數(shù)，不僅包括激光參數(shù)，還包括旋壓工藝參數(shù)。在諸多的參數(shù)中，以激光的加載軌跡對(duì)成形的影響最大。這是因?yàn)榧す庠谛喤髁仙系募虞d軌跡決定激光加熱區(qū)能否覆蓋坯料上的局部變形區(qū)，即變形區(qū)材料的溫度能否達(dá)到塑性變形的要求。

對(duì)于普通旋壓成形而言，一般采用兩種方式生成旋輪加載軌跡：一種是對(duì)具有經(jīng)驗(yàn)的人工操作過程進(jìn)行錄返，另一種是專利號(hào)為CN102650863A提出的依據(jù)模具外形配合工藝參數(shù)調(diào)整旋輪軌跡，再轉(zhuǎn)換成CNC程序。由于激光光斑的加載不僅與涉及旋輪軌跡，還與旋壓坯料的變形過程有關(guān)，因此上述方法并不適用于激光光斑加載。基于激光加熱旋壓過程中，為了保證加熱效果，需要將激光光斑加載在旋壓坯料上接觸區(qū)進(jìn)給方向前方的旋壓坯料上，該區(qū)域是有效成形區(qū)和自由變形區(qū)之間的過渡曲面，其空間位置與旋輪加載位置、成形工藝參數(shù)以及材料特性有關(guān)，隨著旋輪的加載不斷變化，目前只能憑借經(jīng)驗(yàn)預(yù)測(cè)過渡曲面的空間位置。

如何生成激光加熱軌跡，從而滿足成形的加熱需要，是實(shí)現(xiàn)激光加熱旋壓成形的基礎(chǔ)，如何將激光加載軌跡轉(zhuǎn)換成控制程序?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)，是激光加熱旋壓技術(shù)應(yīng)用過程中必須解決的問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)目前存在的問題，本發(fā)明提供一種激光加熱程序的編制及優(yōu)化方法，其目的在于，能夠在現(xiàn)有的軟硬件條件下為基于激光加熱的旋壓成形提供一種可靠、可行的激光加熱程序編制方法，用于實(shí)現(xiàn)旋壓過程中的激光加熱，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的自動(dòng)化。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種激光加熱程序編制方法，包括以下步驟：

一種激光加熱程序編制方法，包括以下步驟：

1)獲取坯料幾何和材料特性參數(shù)、旋壓工具幾何參數(shù)和成形工藝參數(shù)，包括坯料厚度t₀、直徑D、材料屬性(楊氏模量、屈服強(qiáng)度、熱膨脹系數(shù)和熱傳導(dǎo)系數(shù)等)、主軸轉(zhuǎn)速n、進(jìn)給速率f、旋輪直徑D_r、圓角半徑ρ_r和/或旋輪攻角

2)根據(jù)旋壓成形工藝，生成旋輪加載軌跡；

3)根據(jù)步驟1)和2)獲得的工藝參數(shù)與旋輪加載軌跡，運(yùn)用數(shù)值模擬分析軟件建立整體加熱旋壓數(shù)值模擬模型，并進(jìn)行計(jì)算；

4)根據(jù)數(shù)值模擬分析結(jié)果，確定旋壓成形過程中激光加熱區(qū)的作用位置以及區(qū)域內(nèi)溫度的分布狀況，即加熱策略；

5)根據(jù)步驟4)制訂的加熱策略，確定不同時(shí)間點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的激光加熱參數(shù)，包括光斑與坯料上旋輪接觸區(qū)的相對(duì)位置關(guān)系、激光功率P和/或激光光斑大小d，光斑與坯料上旋輪接觸區(qū)的相對(duì)位置關(guān)系包括光斑與接觸區(qū)的軸向距離Δ和二者的圓周夾角α；

6)對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行后處理，根據(jù)光斑與坯料上接觸區(qū)的相對(duì)位置要求，在變形過程中的旋壓坯料表面搜索不同時(shí)間點(diǎn)符合位置要求的單元，通過記錄該單元的Y和Z坐標(biāo)，建立時(shí)間點(diǎn)與光斑Y和Z坐標(biāo)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，進(jìn)而形成一系列光斑加載位置隨時(shí)間變化的離散點(diǎn)；

7)根據(jù)激光光斑與激光頭在Y方向和Z方向的偏移距離，將光斑軌跡的離散點(diǎn)轉(zhuǎn)換成加熱過程中激光頭的一系列位置坐標(biāo)；

8)運(yùn)用CAM軟件，將一系列激光頭位置的點(diǎn)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成運(yùn)動(dòng)軌跡控制代碼；

9)將激光頭控制軌跡控制代碼和對(duì)應(yīng)的激光功率P結(jié)合，生成激光頭的控制程序。

優(yōu)選的，所述旋輪加載軌跡在單道次普旋旋壓和錐形件剪切旋壓成形情況下，通過旋壓芯模的母線予以確定，所述旋輪加載軌跡，在多道次普旋旋壓情況下，根據(jù)旋壓工序件的母線進(jìn)行設(shè)計(jì)。

優(yōu)選的，所述激光光斑大小d用于表征激光輻照區(qū)域的大小。

優(yōu)選的，所述光斑與坯料上接觸區(qū)的圓周夾角α必須能夠保證激光頭輸出的激光能直接入射到坯料表面上。

優(yōu)選的，激光光斑在坯料上形成的軌跡與旋輪加載軌跡不需要保持一對(duì)一的映射關(guān)系。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的另一個(gè)方面，提供了一種激光加熱程序優(yōu)化方法，包括以下步驟：

1)將激光加熱參數(shù)作為試驗(yàn)因素，包括激光功率P、光斑大小d和光斑與坯料上接觸區(qū)軸向距離Δ和/或周向夾角α，并確定因素的水平；

2)運(yùn)用試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行基于激光加熱旋壓的試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)；

3)按照試驗(yàn)方案，運(yùn)用激光加熱程序編制方法生成激光加熱程序；

4)按照試驗(yàn)方案，開展基于激光加熱旋壓的工藝試驗(yàn)；

5)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，根據(jù)評(píng)價(jià)指標(biāo)確定適合成形的激光參數(shù)；

6)采用優(yōu)化的激光加熱參數(shù)，運(yùn)用激光加熱程序編制方法生成優(yōu)化后激光加熱程序。

優(yōu)選的，所述激光加熱程序優(yōu)化方法用于優(yōu)化激光參數(shù)的評(píng)價(jià)指標(biāo)可以是多個(gè)。

優(yōu)選的，所述工藝試驗(yàn)可以是真實(shí)的加工，也可以是數(shù)值模擬。

本發(fā)明提供了一種基于激光加熱程序的編制及優(yōu)化方法，其有益效果是：所生成的激光加熱軌跡可實(shí)現(xiàn)對(duì)加熱區(qū)域溫度的精確控制，能滿足成形的加熱需要，使高效、節(jié)能、環(huán)保的基于激光加熱旋壓加工成為可能；將激光加載軌跡轉(zhuǎn)換成控制程序，實(shí)現(xiàn)了基于激光加熱旋壓成形的自動(dòng)化生產(chǎn)，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度低。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發(fā)明的實(shí)施例結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明的實(shí)施例的光斑與坯料上接觸區(qū)位置示意圖；

圖3為本發(fā)明的激光光斑、旋輪軌跡曲線。

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明實(shí)施例的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例。基于本發(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

實(shí)施例：采用基于激光加熱旋壓成形AZ31鎂合金板材

1)坯料2的厚度t₀為2mm，直徑D為155mm，的，選用圓角半徑ρ_r為12mm、旋輪直徑D_r為200mm的圓形旋輪5進(jìn)行單道次拉深旋壓成形，芯模1外徑D_m為100mm，成形時(shí)主軸轉(zhuǎn)速n為450r/min，進(jìn)給速率f為0.15mm/s。

2)采用單道次拉深成形，旋輪5的軌跡與芯模1的母線一致，無需另行設(shè)計(jì)。

3)當(dāng)材料溫度達(dá)到200-300℃時(shí)，AZ31鎂合金可順利成形，因此采用步驟1)的參數(shù)和步驟2)中的軌跡，應(yīng)用商業(yè)軟件MSC.Marc建立材料溫度為250℃的AZ31鎂合金旋壓成形數(shù)值模擬模型，并進(jìn)行運(yùn)算。

4)從模擬結(jié)果看，在距離旋壓制件底部8.3mm處測(cè)得壁厚的最大減薄率。旋壓屬于連續(xù)局部塑性成形技術(shù)，成形過程中不僅旋輪5與坯料2的接觸區(qū)會(huì)產(chǎn)生塑性變形，接觸區(qū)D及其周圍亦會(huì)變形；采用激光進(jìn)行局部加熱時(shí)，當(dāng)最大減薄處位于接觸區(qū)D后側(cè)時(shí)，激光加熱區(qū)A不僅要覆蓋接觸區(qū)D，還必須覆蓋接觸區(qū)D后側(cè)出現(xiàn)最大減薄率的部位，以免該處材料因塑性過低而出現(xiàn)裂紋。因此，以防止壁厚過度減薄，導(dǎo)致制件出現(xiàn)破裂為目標(biāo)，制定加熱策略：在旋輪5未接觸坯料2時(shí)，采用激光對(duì)未變形坯料進(jìn)行預(yù)熱，使坯料2具備初始溫度；當(dāng)成形開始時(shí)，適當(dāng)增大激光加熱功率P和激光光斑大小d，同時(shí)減小光斑與坯料2上接觸區(qū)間的軸向距離Δ，使加熱區(qū)A能最大限度地覆蓋接觸區(qū)D的后側(cè)，以保證成形過程中最大減薄處材料具備足夠的塑性。

5)根據(jù)步驟4)制訂的加熱策略，完成激光參數(shù)的設(shè)置：預(yù)熱階段，激光功率P為1200W、激光光斑大小d為4mm，光斑與接觸區(qū)軸向距離Δ為0(旋輪未接觸坯料)；加熱階段，給定激光加熱參數(shù)的范圍，激光功率P為1200-1800W、激光光斑大小d為4-8mm和光斑與坯料上接觸區(qū)間的軸向距離Δ為2-6mm。由于成形過程中，將激光頭3夾持在六自由度機(jī)器人4末端，為防止機(jī)器人4與旋壓設(shè)備干涉，同時(shí)也為了保證激光加熱的效果，在整個(gè)成形過程中，選用統(tǒng)一的光斑與坯料上接觸區(qū)的圓周夾角α，其值為90°(如圖2所示)。

6)編寫后處理程序，通過接口從數(shù)值模擬結(jié)果中按給定位置關(guān)系(即光斑與接觸區(qū)軸向距離Δ和圓周角α)提取單元坐標(biāo)，從而獲取變形過程中光斑在旋壓坯料表面上的加載軌跡。

7)將加熱階段選用的激光參數(shù)作為試驗(yàn)因素，并確定各因素的水平，其中光斑與接觸區(qū)軸向距離Δ分別為2mm、4mm和6mm，激光功率P分別為1200W、1500W和1800W，光斑大小d分別為4mm、6mm和8mm。

8)設(shè)計(jì)一個(gè)三因素三水平正交試驗(yàn)，用于完成激光加熱參數(shù)的優(yōu)化。

9)運(yùn)用步驟6)編寫的后處理程序，分別生成激光光斑加載軌跡離散點(diǎn)的坐標(biāo)值。

10)對(duì)步驟9)生成的光斑軌跡點(diǎn)的坐標(biāo)值進(jìn)行偏置，偏置坐標(biāo)與激光光斑大小有關(guān)，如6mm的光斑大小d對(duì)應(yīng)的偏置坐標(biāo)為(+43.3，-25)，將其轉(zhuǎn)換成六自由度機(jī)器人4控制所需的坐標(biāo)值，生成加工軌跡，在WorkVisual中生成控制程序。

11)按照試驗(yàn)方案，開展基于激光加熱旋壓的工藝試驗(yàn)。

12)試驗(yàn)結(jié)果顯示，部分旋壓件破裂，未能順利成形，由此可知，試驗(yàn)所采用的加熱策略是合適，同時(shí)有必要將旋壓件的最大減薄率作為優(yōu)化的評(píng)價(jià)指標(biāo)。檢測(cè)結(jié)果表明：兩組激光參數(shù)，均能保證將旋壓件的最大減薄率控制在10％以內(nèi)。這兩組參數(shù)分別為：激光功率P為1500W、激光光斑大小d為4mm、光斑與接觸區(qū)軸向距離Δ為4mm；激光功率P為1800W、激光光斑大小d為4mm，光斑與接觸區(qū)軸向距離Δ為6mm。成形過程中對(duì)接觸區(qū)附近進(jìn)行的溫度測(cè)量顯示，激光功率P為1500W時(shí)，與數(shù)值模擬所用溫度的誤差為12.3％，更為接近模擬溫度，因此選取第一組數(shù)據(jù)作為優(yōu)化值。

13)運(yùn)用優(yōu)化的激光加熱參數(shù)：激光功率P為1500W、激光光斑大小d為4mm，光斑與接觸區(qū)軸向距離Δ為4mm，重復(fù)步驟6)、9)、10)，生成優(yōu)化的激光加熱程序。

綜上，本發(fā)明通過數(shù)值模擬的方式掌握熱旋成形中坯料的變形狀況、易出現(xiàn)缺陷及其分布部位；據(jù)此制訂加熱策略，選擇與之相應(yīng)的激光參數(shù)，包括光斑與坯料上接觸區(qū)的位置關(guān)系，激光功率和激光光斑大小等；接著，根據(jù)光斑與坯料上接觸區(qū)的位置關(guān)系，借助數(shù)值模擬結(jié)果，將旋輪軌跡映射為激光光斑的離散軌跡；最后，根據(jù)激光光斑與激光頭的位置關(guān)系，將其轉(zhuǎn)化為激光頭的控制軌跡，借助CAM軟件將其轉(zhuǎn)換為激光頭的控制程序。同時(shí)本發(fā)明還提供了一種采用試驗(yàn)設(shè)計(jì)的方法優(yōu)化激光加熱參數(shù)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)激光加熱程序優(yōu)化的方法。本發(fā)明提出的一種激光加熱程序的編制及優(yōu)化方法，為基于激光加熱旋壓成形的實(shí)現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)，同時(shí)也為精確控制激光加熱過程提供了良好的方法，降低了激光加熱程序編制對(duì)經(jīng)驗(yàn)的依賴。

需要說明的是，在本文中，諸如第一和第二等之類的關(guān)系術(shù)語僅僅用來將一個(gè)實(shí)體或者操作與另一個(gè)實(shí)體或操作區(qū)分開來，而不一定要求或者暗示這些實(shí)體或操作之間存在任何這種實(shí)際的關(guān)系或者順序。而且，術(shù)語“包括”、“包含”或者其任何其他變體意在涵蓋非排他性的包含，從而使得包括一系列要素的過程、方法、物品或者設(shè)備不僅包括那些要素，而且還包括沒有明確列出的其他要素，或者是還包括為這種過程、方法、物品或者設(shè)備所固有的要素。在沒有更多限制的情況下，由語句“包括一個(gè)……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的過程、方法、物品或者設(shè)備中還存在另外的相同要素。

以上，僅為本發(fā)明較佳的具體實(shí)施方式，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)方案及其發(fā)明構(gòu)思加以等同替換或改變，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。