铝—锂合金薄板激光弯曲成形技术的研究

论文摘要

激光弯曲成形是一种新的金属板材成形工艺方法,一直以来都是国际上研究的热点,在航空航天、汽车、造船、仪器仪表、微电子等领域具有广阔的应用前景。国内外学者对激光弯曲成形的研究,主要还是集中在不锈钢与碳钢等材料上,本文针对航空航天领域对产品自重不断减轻的要求,对航空航天用铝-锂合金AA2090薄板（具有密度低、弹性模量高等显著优点）激光弯曲成形进行了研究。通过试验研究,分别得出了在自然冷却和水冷却条件下激光功率、扫描速度、光斑直径、扫描次数、扫描线距自由端距离、板材宽度、板材厚度等影响激光弯曲成形的主要因素对板材激光弯曲成形的影响规律。利用正交试验法理论,分别对在自然冷却和水冷却条件下的激光弯曲成形的工艺参数进行试验设计和优化,得出在自然冷却条件下四个主要的与激光能量有关的工艺参数对铝-锂合金薄板激光弯曲成形影响的主次顺序为:激光功率＞扫描速度＞扫描次数＞光斑直径;在水冷却条件下对铝-锂合金薄板激光弯曲成形影响的主次顺序为:激光功率＞扫描次数＞扫描速度＞光斑直径;分别得出了在自然冷却和水冷却条件下的最优工艺参数组合,并分别对其进行了试验验证,验证结果良好。而且分别用沿圆板内正方形、圆板内四条相连圆弧、B样条曲线三种不同的曲线扫描路径,通过试验验证了正交试验最优工艺参数组合的正确性。通过控制激光的扫描路径,针对不同的扫描路径及三维形状进行试验研究。而且,研究发现当相邻两条平行扫描线间的间距S与光斑直径D的比值（S/D）不同时,这时在该部分区域板材内部产生的热应力分布状态的均匀性对该相邻两条扫描线的扫描方向敏感性便不同,并找出比值S/D的大小与扫描方向敏感性之间的关系,解决了板材扫描后产生扭曲现象的问题。最后,本文提出几种新的曲线扫描方式（矩形波、锯齿形、S形相切圆弧、螺旋线、平行线法）代替原直线路径进行扫描,以对新的扫描方式进行探索研究。研究发现:用此几种曲线扫描方式扫描后,板材变形均较均匀;特别是用平行线法扫描方式弯曲成形后,在弯曲的圆角处,板材表面的光滑程度良好,即板材能获得很光滑的圆角。同激光沿直线扫描弯曲成形相比,用该方法能使板材在弯曲处获得良好的圆角过渡区,使板材的弯曲变形更光滑。本文的研究为铝-锂合金板材激光弯曲成形的实际应用奠定了坚实的理论基础,对推动和实现板材激光弯曲成形技术的工业化应用具有重要的实用价值和现实意义。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 热应力成形及激光弯曲成形
• 1.2 激光弯曲成形的机理
• 1.2.1 温度梯度机理
• 1.2.2 屈曲机理
• 1.2.3 增厚机理
• 1.3 激光弯曲成形的国内外研究现状
• 1.4 本文的主要研究内容
• 第二章 自然冷却条件下激光弯曲成形的基本规律研究
• 2.1 板材激光弯曲成形的影响因素
• 2.2 试验方法与材料
• 2.2.1 试验设备与材料
• 2.2.2 Nd:YAG激光器脉冲频率与脉冲宽度的确定
• 2.3 工艺参数对板材激光弯曲成形的影响
• 2.3.1 激光功率的影响
• 2.3.2 扫描速度的影响
• 2.3.3 光斑直径的影响
• 2.3.4 扫描次数的影响
• 2.3.5 扫描线距自由端距离的影响
• 2.3.6 板材宽度的影响
• 2.3.7 板材厚度的影响
• 2.4 本章小结
• 第三章 自然冷却条件下激光弯曲成形工艺参数的优化
• 3.1 试验方法与材料
• 3.2 正交试验法概述
• 3.2.1 基本概念
• 3.2.2 正交试验的特点
• 3.2.3 正交试验的数据处理
• 3.3 正交试验方案设计
• 3.4 正交试验的结果与计算分析
• 3.5 本章小结
• 第四章 基于水冷却条件下激光弯曲成形的基本规律研究
• 4.1 试验方法与材料
• 4.2 工艺参数对板材激光弯曲成形的影响
• 4.2.1 激光功率的影响
• 4.2.2 扫描速度的影响
• 4.2.3 光斑直径的影响
• 4.2.4 扫描次数的影响
• 4.2.5 扫描线距自由端距离的影响
• 4.2.6 板材宽度的影响
• 4.2.7 板材厚度的影响
• 4.3 本章小结
• 第五章 基于水冷却条件下激光弯曲成形工艺参数的优化
• 5.1 试验方法与材料
• 5.2 正交试验方案设计
• 5.3 正交试验的结果与计算分析
• 5.4 本章小结
• 第六章 激光弯曲三维成形的试验研究
• 6.1 三维成形扫描路径的选择及试验结果
• 6.1.1 单圆弧曲线扫描路径及试验结果
• 6.1.2 双圆弧曲线扫描路径及试验结果
• 6.1.3 圆板的三角形扫描路径及试验结果
• 6.1.4 圆板的三条相连圆弧扫描路径及试验结果
• 6.1.5 矩形板对角线方向的扫描路径及试验结果
• 6.1.6 矩形板对角线及中线的扫描路径及试验结果
• 6.1.7 矩形板折线的扫描路径及试验结果
• 6.1.8 圆柱面的扫描路径及试验结果
• 6.1.9 S型曲面的扫描路径及试验结果
• 6.1.10 马鞍形曲面的扫描路径及试验结果
• 6.2 正交试验最优参数组合下的激光弯曲三维成形
• 6.2.1 圆板的正方形扫描路径及试验结果
• 6.2.2 圆板的四条相连圆弧扫描路径及试验结果
• 6.2.3 B样条曲线扫描路径及试验结果
• 6.3 几种曲线扫描方式弯曲成形与直线弯曲成形的比较
• 6.3.1 矩形波的扫描方式及试验结果
• 6.3.2 锯齿形的扫描方式及试验结果
• 6.3.3 S形相切圆弧的扫描方式及试验结果
• 6.3.4 螺旋线的扫描方式及试验结果
• 6.3.5 平行线法的扫描方式及试验结果
• 6.4 本章小结
• 第七章 总结与展望
• 7.1 总结
• 7.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文