钛合金板材激光弯曲成形过程仿真及精度控制

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1、钛合金板材激光弯曲成形过程仿真及精度控制1绪论1.1引言激光制造技术作为一种先进的零件制造技术，与传统的机械制造和其他特种加工的制造方法相比具有功率密度高、能量及速度可控、自动化程度高、污染小等诸多特点[1]。作为激光制造技术的一种，激光弯曲成形技术基于物质的热胀冷缩，依靠具有高能量的激光束照射工件表面使之产生垂直方向的温度梯度与热应力差值，最终达到工件发生形变的成形目的。此项技术的应用可解决许多常规加工方式所不能解决的问题，为特殊材料的制造加工提供了新的途径。........1.2课题研究背景激光弯曲成形的加工过程不需要使用模具，与被加工工件不产生直接接触也不施加外力，因此这种加工方

2、式不仅能够降低生产成本，缩短生产周期，同时具有较大的柔性。其在航空航天、造船、汽车制造等诸多领域前景十分广阔[2]。随着航空航天、海洋开发等事业的快速发展与技术进步，这些领域对于相关材料的性能要求愈发苛刻，需求量也与日俱增。特别是我国近年来大力发展的航空航天工业，需要大量高强度、高弹性模量且单位体积质量较轻并能够承受较高温度的材料[3]。作为20世纪50年代发展起来的一种重要金属，钛具有比强度高、中温强度好（使用温度是铝合金的几百倍，在450～500°C下仍能够长期保值所要求强度）、弹性模量低、热导率小、良好的低温性能、优异的耐腐蚀性以及无铁磁性特点，解决了很多的工程难题[4]

3、。为了提高钛的强度和耐高温能力，人们向其中加入了锰、铝等金属元素制成合金，分为α钛合金、β钛合金、α+β钛合金和较新的钛铝合金[5]。同时，钛的储量十分丰富，占地壳总重量的0.6%,并且分布广泛[6]。这些客观条件使钛合金成为许多领域里不可或缺的材料。但钛合金热导率低，塑性差、弹性模量小、化学性质活泼的特点，传统制造加工方式难以达到理想效果，这对与其相关的制造加工领域提出了挑战[7-9]。激光弯曲成形技术诞生于以氧气与乙炔火焰作为的火焰弯曲。德国学者M.Geiger和F.Vollertsen首先研究了这种成形方式的原理，发现激光弯曲成形过程中

4、，样件的温度、内部应力以及材料组织结构会产生变化，材料的种类与激光弯曲成形的工艺参量都是成形效果的影响因素[10]。之后，国内外学者在其基础上进行了更为深入的研究，发现激光弯曲成形机理可概括为温度梯度机理、屈曲机理、增厚机理、弹性膨胀机理四种。激光弯曲成形是这些机理交互影响的结果，而不是由其中某一种的单独作用[10-14]。.........2钛合金薄板激光弯曲成形的有限元模拟研究薄板的激光弯曲成形包括了激光束照射样件表面的加载与结束照射卸载后薄板冷却两个过程，以热应力使样件发生塑性变形，因此是一个复杂的非线性热弹塑性耦合问题。影响其成形角度的因素不仅包括激光功率、扫描速度等加工工艺参

5、数，而且还包括了样件的几何参数、材料的热力学性能。以往通过实验对激光弯曲成形进行研究的传统方法存在着效率低下，人力、物力耗费量大的缺点。随着计算机处理能力的快速提高与有限元类软件在算法方面的进步与完善，采用数值模拟的方法对激光弯曲成形的加工过程进行模拟得到了越来越广泛的应用。与传统实验法相比，有限元模拟不仅能够大大减少人力、物力资源的投入，效率更高，并且能够对工艺参数、材料性能进行方便的更改，为系统研究各个因素对成形角度的影响提供了便捷途径。同时，利用有限元模拟的方法能够清晰全面的展示在激光弯曲成形中，不同时间点上样件各个位置的温度、应力与应变，这对于揭示成形机理、改进加工工艺有着重要

6、的意义[38-41]。在有限元分析软件ANSYS中，对于耦合场问题通常有直接偶合法与间接偶合法两种方式进行求解：（1）直接偶合法：使用包含全部所需自由度的耦合单元类型，通过一次求解得到各物理场的分析结果。（2）间接耦合法：按照先后的因果关系对问题所涉及的各物理场按顺序分别进行求解。以首次场分析的结果作为之后场分析的载荷来实现两个场的耦合。上述两种方法都能解决热力耦合问题，但对于本文所要研究的激光弯曲成形，由于热分析与应力分析之间近似于单向的耦合，即温度场使得薄板产生应力场变化，而薄板的应力场对温度场的影响微乎其微，可忽略不计，因此本文采用了间接法，使得模拟过程的计算量更小，时间更短。.

7、..........2.1激光弯曲成形的温度场有限元模拟利用ANSYS软件对激光弯曲成形过程进行模拟，首先需要建立几何模型并对其进行网格划分，定义材料的物理参数以及初始边界条件，之后加载移动热源进行求解，从而获得温度场的分布结果。结合钛合金薄板激光弯曲成形的实验加工，在有限元模拟的几何模型建立中，采用了与实际样件相同的尺寸进行建模。如图1.1所示，为100401mm3的薄板模型，定义宽度方向为X向，长度方向为Y向，厚度方向为Z向。激光束的扫描速