金属板材纳秒激光喷丸成形的工艺与理论研究

发布时间：2020-03-20 01:10

【摘要】：激光喷丸成形技术具有非接触、无模、高效灵活等优点,还能在金属材料的深度方向引入残余压应力以提高金属材料的抗疲劳、耐腐蚀等性能。因而受到国内外研究者的广泛关注。本文在研究了激光喷丸成形单曲率弯曲件工艺规律的基础上,进一步研究了激光喷丸成形S形双曲率弯曲件的工艺规律,还通过实验制造了三维扭曲件,并对激光喷丸成形后金属板材弯曲曲率的估算解析公式进行了理论研究。主要研究内容和相关结论如下:(1)激光喷丸成形单曲率件工艺规律的数值仿真研究。在ABAQUS中建立三维仿真模型,研究了激光能量、板材厚度、冲击区面积、光斑搭接率等对2024铝合金板材单曲率弯曲成形的影响规律。结果表明:激光能量相同时,板材在厚度较小时发生Concave弯曲,在厚度较大时发生Convex弯曲;增大冲击区面积或提高光斑搭接率会加大变形量,但是不会改变弯曲方向。(2)激光喷丸成形工艺规律的实验研究。实验研究了激光能量、板材厚度、冲击区面积、光斑搭接率等对2024铝合金板材单曲率弯曲成形的影响规律;在单曲率弯曲成形的工艺规律基础上,探讨了S形双曲率弯曲件的制造方法并研究了上述激光加工参数对S形双曲率弯曲成形的影响规律;优化选择激光加工参数和冲击路径,实验制造了三维扭曲件。研究发现:激光喷丸成形的单曲率弯曲成形的实验工艺规律与仿真的工艺规律基本一致;相同激光加工参数下,S形双曲率弯曲成形的两个冲击区的变形量基本一致;实验中相同激光加工参数对S形弯曲板材单个冲击区变形量的影响规律与对单曲率弯曲板材变形量的影响规律基本一致。(3)激光喷丸成形解析曲率的研究。建立了曲率解析公式以估算激光喷丸成形后板材的弯曲曲率。基于内力和内力矩平衡方程建立了在应力梯度机制占主导作用的情形下Convex弯曲的解析模型;基于能量转化的原理建立了在冲击弯曲机制占主导作用的情形下的Concave弯曲的解析模型。综合考虑了应力梯度机制和冲击弯曲机制的耦合作用,给出了最终的曲率估算解析公式。并通过实验验证曲率解析公式的计算精度,得到如下结论:对于Convex弯曲,解析模型中当应力梯度机制在板材弯曲成形过程中完全占主导作用时,曲率解析公式可以预测随着激光能量增大,Convex曲率也增大的变化趋势。对于Concave弯曲,解析模型中当冲击弯曲机制在板材弯曲成形过程中完全占主导作用时曲率解析公式可以预测随着激光能量增大,Concave曲率也增大的变化趋势。模型建立过程中对相关条件的过度简化是造成解析曲率和实验曲率存在偏差的一个重要原因。
【图文】：

原理图,激光冲击强化,原理图

图 1.1 激光冲击强化的原理图[5]Fig.1.1 Schematic diagram of LSP[5]优点如下[6-8]：激光的大部分能量被吸收层吸收用于形成递到金属表面的能量很少，金属材料表面没有热损伤，因对材料的热影响可以忽略；激光冲击持续时间短但冲击波金属材料引入深度甚至超过 1mm 的残余压应力，强化效可重复性和可控性强，激光既可以采用光斑搭接的形式进高强化效果，，同时还可以在同一位置进行多次冲击以强化作为激光强化的能量源与其他设备集成可以提高加工灵活件进行强化，如发动机叶片，齿轮等。

原理图,激光冲击强化

图 1.1 激光冲击强化的原理图[5]Fig.1.1 Schematic diagram of LSP[5]激光冲击强化的优点如下[6-8]：激光的大部分能量被吸收层吸收用于形成冲击波，透过吸收层传递到金属表面的能量很少，金属材料表面没有热损伤，因此激光冲击强化过程中对材料的热影响可以忽略；激光冲击持续时间短但冲击波的峰值压强大，可以给金属材料引入深度甚至超过 1mm 的残余压应力，强化效果显著；激光冲击强化可重复性和可控性强，激光既可以采用光斑搭接的形式进行多点大面积冲击以提高强化效果，同时还可以在同一位置进行多次冲击以强化首次冲击的效果；激光作为激光强化的能量源与其他设备集成可以提高加工灵活性对各种复杂形状的零件进行强化，如发动机叶片，齿轮等。
【学位授予单位】：江苏大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG668;TG146.21

【参考文献】