一種金屬板材激光柔性彎曲成形圓弧槽的方法與流程

本發明屬于金屬板材激光彎曲成形技術領域，特別涉及一種激光柔性彎曲成形圓弧槽的方法，可用于各類圓弧槽形艙壁件的無模具柔性成形。

背景技術：

各類圓弧槽形艙壁件的無模具柔性加工一直是加工成形的難點。相較于傳統模具加工方法，激光彎曲成形作為一種柔性、無模、無外力、非接觸的快速成形技術，其易于實現自動化，易于對激光彎曲掃描路徑進行柔性化設計，可實現復雜形狀直接彎曲成形，利用激光彎曲成形技術對激光彎曲掃描路徑進行規劃，可以實現單一圓弧、不同圓弧組合等各類槽的無模、快速彎曲成形，適合于單件、小批量生產，能夠有效降低模具制造成本。激光柔性彎曲成形單一曲率、曲率方向相反兩段圓弧槽的方法能夠充分發揮激光制造柔性化特征，易于實現各類圓弧槽的加工成形，能夠充分節約制造成本，加快零件研發速度。

文獻1“板料激光曲線彎曲成形的數值模擬[j]，陳敦軍，龍麗，吳詩，鄭有炓，中國機械工程，2003，14(13)1152-1155”報道了利用有限元對激光曲線彎曲過程的溫度場和形變場進行模擬，分析認為激光曲線彎曲時由于激光作用后在板材厚度方向的溫度梯度導致板材內部不均勻熱應力是板材發生了局部塑性變形，并且在自由端一側產生三維曲面變形。

文獻2“板料激光正弦掃描成形研究[j]，張鵬，高宏亮，初冠南，制造技術與機床，2007,3：35-38”報道了利用有限元模擬對正弦掃描路徑下板料激光成形過程進行分析。認為在工藝參數相同的情況下，正弦掃描時，板料成形中只受熱應力作用，變形區域的形狀、大小與掃描路徑有關。

文獻3“層合板激光彎曲試驗與彎折區過渡層材料特性研究[d]，張攀，大連理工大學碩士學位論文，2016：28”報道了兩周期典型件-槽型艙壁件試制的過程，經過兩次裝夾，成功成形出兩周期的小型直槽艙壁件樣件。樣件整體結構對稱，整體彎曲角度誤差小，無明顯翹曲現象，激光作用表面的質量良好。

技術實現要素：

針對傳統圓弧槽模具彎曲成形成本高、難度大，不易于快速制造的特點，本發明采用一種金屬板材激光柔性彎曲成形圓弧槽的方法。其原理特征為：基于溫度梯度機理，根據預期加工圓弧槽的形狀，設置激光彎曲掃描路徑；通過調整各圓弧段激光功率、激光離焦量、激光掃描速度使得各圓弧段單次激光彎曲角度一致；根據圓弧槽形角度需求，通過控制激光往復掃描次數使金屬板材彎曲至期望角度，從而實現金屬板材圓弧槽激光柔性彎曲成形。

本發明的技術方案：

一種金屬板材激光柔性彎曲成形圓弧槽的方法，步驟如下：

步驟一、首先，將金屬板材裁剪為所需尺寸，其一端利用夾具夾持并放置在激光加工工作臺上；根據預期加工圓弧槽的形狀，用數控機床設置激光彎曲掃描路徑在金屬板材上進行預期圓弧槽加工；每條激光掃描路徑下的各部分圓弧直徑之和大于金屬板材寬度；

步驟二、單次激光彎曲由于激光掃描路徑曲率影響彎曲角度，根據激光掃描路徑曲率變化改變各圓弧段激光參數(包括激光功率、激光離焦量、激光掃描速度)使得各圓弧段單次激光彎曲角度一致；根據最終需求彎曲角度，確定掃描次數，通過控制激光往復掃描次數使金屬板材彎曲至期望角度；對于每條激光彎曲掃描路徑，圓弧槽各部分彎曲角度均小于90°；

步驟三、圖1路徑1處加工完成后，將夾具進行翻轉，并以圖1點1為基準向夾持固定端移動一定距離，使激光焦點處于圖1點2處，按照圖1路徑2編制激光彎曲掃描程序進行激光掃描彎曲加工，并調整激光往復掃描次數使板材彎曲至期望角度。圖1路徑2處加工完成后，以圖1點2為基準向夾持固定端移動一定距離，使激光焦點處于圖1點3，按照圖1路徑3編制激光彎曲掃描程序進行激光掃描彎曲加工，并調整激光往復掃描次數使板材彎曲至期望角度。

步驟四、圖1路徑3處加工完成后，將夾具再次進行翻轉，并以圖1點3處為基準向夾持固定端移動一定距離，使激光焦點處于圖1點4，按照圖1路徑4編制激光彎曲掃描程序進行激光掃描彎曲加工，并調整激光往復掃描次數使板材彎曲至期望角度。

步驟五、彎曲成形過程側吹0.2mpa氮氣保護氣體，對激光加工降溫定形，并形成氣體保護層防止金屬板材高溫氧化。

本發明的有益效果是利用激光彎曲成形技術結合圓弧槽形狀特征進行路徑規劃，通過調整激光彎曲參數：激光功率、激光離焦量以及激光掃描速度，使得各圓弧段單次激光彎曲角度一致，并通過控制各路徑處激光往復掃描次數使金屬板材彎曲至期望角度，實現圓弧槽激光柔性彎曲成形。這種金屬板材激光柔性彎曲成形圓弧槽的方法，能夠節約傳統圓弧槽模具成形的模具制造成本，易于實現柔性化制造，可根據圓弧槽形狀變化對激光彎曲掃描路徑迅速進行調整，能夠實現快速制造，加快零件研制速度。

附圖說明

圖1為一種金屬板材激光柔性彎曲成形圓弧槽的方法的加工路徑圖。

圖2為實施例1單一曲率圓弧槽彎曲加工路徑圖。

圖3為實施例2曲率方向相反兩段圓弧槽彎曲加工路徑圖。

圖4為金屬板材激光柔性彎曲成形圓弧槽的示意圖。

具體實施方式

以下結合附圖和技術方案，進一步說明本發明的具體實施方式。

實施例1：金屬板材激光彎曲成形單一曲率圓弧槽樣件。

(1)利用剪板機將厚度為1mm的金屬復合板板材裁剪為50mm寬、100mm長的矩形樣件；

(2)利用夾具將樣件一端夾持后放置到激光加工工作臺上，調整激光功率為140w，頻率為40hz，脈沖寬度為2ms，激光掃描速度調至400mm/min，然后在圖2路徑1處，從板材邊緣外點1開始沿圓弧路徑進行往復掃描彎曲，為使得板材加工時激光光源穩定，預留一段空走距離，邊緣外點1距板材3mm。激光掃描圓弧半徑r為50mm，激光往復掃描共20次，側吹輔助氣體n2，吹氣壓力0.2mpa，每次掃描后冷卻10s；

(3)將夾具翻轉，利用ccd顯示器將激光焦點定位至激光圖2板材邊緣外點1處，將激光焦點沿板材邊緣向固定端夾具夾持方向移動15mm，激光焦點位于圖2點2處，激光沿圖2路徑2按照所編制程序進行往復掃描，激光加工參數與圖2路徑1處加工參數相同；

(4)圖2路徑2處激光掃描彎曲加工完成后，不對夾具進行翻轉。繼續沿板材邊緣移動激光焦點15mm至圖2點3處，編制激光掃描程序，使激光沿圖2路徑3進行彎曲加工，激光加工參數與圖2路徑1處加工參數相同；

(5)再次翻轉夾具，利用ccd顯示器將激光焦點定位至圖2點3彎曲變形的板材邊緣，將激光焦點沿板材邊緣向固定端夾具夾持處移動15mm，激光焦點位于圖2點4處，編制激光掃描程序，使激光沿圖2路徑4進行彎曲加工，激光加工參數與圖2路徑1處加工參數相同；。

實施例2：金屬板材激光彎曲成形曲率方向相反兩段圓弧狀槽樣件。

與實施例1不同一：步驟(1)利用剪板機將厚度為1mm的金屬復合板板材裁剪為80mm寬、100mm長的矩形樣件；

與實施例1不同二：激光彎曲掃描路徑不同，實例例2中激光掃描路徑為兩段曲率方向相反的圓弧如圖3所示，圓弧半徑均為50mm，其它步驟與例1相同。

依據實施例1、2結果，可對成形樣件槽的形狀進行推廣，用于成形b樣條曲線等復雜曲線槽。