（机械电子工程专业论文）激光冲击成形中冲击方法的研究.pdf

江苏大学硕士学位论丈 摘要 激光加工是激光技术的重要应用领域。激光切割、焊接和热处理等已广泛应用于汽 车、造船、航空和通用机械制造等工业中，而将激光技术与数控技术相结合，利用激光 进行冲击成形在国内还属首次。为适应现代制造业产品快速更新的市场竞争需要，实现 板料的快速、高效、低成本的生产要求，国内外许多学者对板料塑性成形新技术进行了 大量的研究，从无模多点成形，数字化渐进成形，到喷丸成形、激光热应力弯曲成形等， 并取得了一定的成果。从研究目标看，实现板料的高效快速、柔性冲压成形是现代板料 成形技术的重要发展趋势。我校老师在分析国内外有关金属板料无模成形技术研究的基 础上，首次提出了基于激光冲击波技术的板料柔性冲压无模成形新概念，并进行了较为 系统的理论研究，旨在探索板料塑性成形的新方法和激光加工技术在板料成形领域中的 应用。 实现激光冲击成形，除了要对激光冲击成形原理、激光冲击下板料的变形特性等进 行深入的研究外，更重要的是依据理论研究制订合理的冲击成形工艺，最后按照工艺要 求规划冲击路径。本文的主要工作就是以激光与物质相互作用机理为理论基础，对冲击 方法进行研究，确定成形工艺，从而开发出大面积冲击成形过程的计算机模拟及控制软 件。并根据研究成果及现有的实验条件，以黑漆作能量吸收层，水作约束层，对3 0 4 钢 和纯铝试样分别进行单点及多点冲击。实验在我校的钕玻璃激光器上进行。由于实验条 件的限制，只进行了二维平面内单层多点冲击实验，结果表明了按照计算机控制软件得 到的轨迹文件进行冲击，得到的成形件尺寸基本符合要求。而且，实验还发现，通过合 理控制轨迹线的间距以及轨迹线上冲击点的疏密，可以降低冲击表面的粗糙度，减少捂 接面，这为大面积冲击成形控制软件的进一步完善提供了一定的依据。 关键词：激光冲击成形，金属板料，s t l 模型，分层处理，粗冲轨迹，精冲轨迹 能量转换体，五轴加工 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t l a s e rm a c h i n i n gi st h ei m p o r t a n ta p p l i e df i e l do fl a s e rt e c h n o l o g y a l t h o u g hi n c i s i o n ， j o i n l i n ga n dh e a tt r e a t m e n tb yl a s e rh a v eb e e nw i d e l ya p p l i e di nm a n ym a n u f a c t u r es u c ha s a u t o m o b i l e ，s i f t p b u i l d i n g ，a v i a t i o na n dg e n e r a lm e c h a n i c a lm a n u f a c t u r e ，i t st h ef i r s tt h a ts h e e t m e t a la r es h a p e db yl a s e rs h o c ki nt h eh o m e i no r d e rt oa d a p tt om a r k e tc o m p e t i t i o nn e e d so f r a p i dp r o d u c tu p d a t eo ft h em o d e mm a n u f a c t u r ea n dt oa c h i e v es h e e tm e t a lp r o d u c t i o nn e e d s ， r a p i d ，e f f e c t i v ea n dl o w - c o s t ，m a n yr e s e a r c h e r sh o m e a n da b r o a dh a v ed o n el o t so fs t u d i e sf r o m m u h i p o i n t ，p r o g r e s s i v ef o r m i n gt os h o tb l a s t i n gf o r m i n g ，l a s e rb e n d i n gf o r m i n gb yt h e r m a l s t r e s se t c a n dt h e yh a v ea c h i e v e ds o m ep r o d u c t i o n s i ts e e m st h a ti ti st h es i g n i f i c a n tt r e n dt o g e tt os h o c kf o r m i n go fr a p i d ，e f f i c i e n t ，a n df l e x i b l ef o r mt h ed e v e l o p m e n t a la i m o nt h eb a s i c o fa n a l y z i n gr e s e a r c h e sa b o u ts h e e tm e t a lf o r m i n gw i t h o u tm o u l d ，o u rs c h o o lt e a c h e r sp u t f o r w a r dan e wc o n c e p tf i r s t l ya b o u ts h a p ec h a n g eo f s h e e tm e n t a lb yl a s e rs h o c kf o r m i n g ( l s f ) a n dh a v i n gs y s t e m i cs t u d i e si no r d e rt od i s c o v e rn e wm e t h o da p p l i e di nt h ef i e l do fs h e e tm e t a l i no r d e rt oi m p l e m e n tl a s e rs h o c kf o r m i n g , i t sv e r yi m p o r t a n tt op l a nt h ef o r m i n g t e c h n i c sa n dt h e na c h i e v et h es h o c kr o u t e si na d d i t i o nt ou n d e r s t a n dt h et h e o r yo fl a s e rs h o c k f o r m i n ga n dt h es h e e tm e t a l sc h a r a c t e ra f t e rb e i n gs h o c k e d t h i st h e s i sm a i n l yb a s e do nt h e i n t e r p l a yb e t w e e nl a s e ra n ds u b s t a n c e ，t h e ns e td o w nf o r m i n gt e c h n i c ss oa st oe x p l o i tc o m p u t e r s i m u l a t i v ea n dc o n t r o ls o f t w a r ef o rl a s e rs h o c kf o r m i n go fl a r g ea r e a a l s ou n d e rt h ee x i s t i n g e x p e r i m e n tc o n d i t i o n ，t h ee x p e r i m e n t a t i o no f t h ed e f o r m a t i o no f s h e e tm e t a lb yl a s e rs h o c kw a s d o n ea to u ru n i v e r s i t y 。sl a b o r a t o r y b e c a u s eo f t h el i m i to f t h ec o n d i t i o n ，w eo n l yc o n d u c t e dt h e p l a n a re x p e r i m e n t s t ot h es p e c i m e no fl d 3 1o rs u s 3 0 4 ，t h er e s u l t so fe x p e r i m e n t a t i o n s h o w e dt h a tt h e s em a t e r i a l ss u c ha sh a v i n ga d e q u a t eh a r d n e s s ，c o u l db ed e f o r m e db yl a s e r s h o c k w a v ei fw a t e ra c ta st h eo v e r l a ya n db l a c ko i lp a i n ts e r v ea se n e r g ya b s o r b e dl a y e r t h e e x p e r i m e n ta l s os h o w e dt 1 1 a tm e a s u r eo ff o m i n gw o r k p i e c ea c c o r d e dw i t ho u rd e m a n d si nt h e l i g h to f t h et r a c kf i l ec o m p u t e r e db yc o n t r o l l e ds o f t w a r e r e s u l t sa l s op r o v i d e di n f o r m a t i o nt h a t i tc a nr e d u c et h er o u g h n e s so ft h es u r f a c eo fs a m p l ea n da l s od e c r e a s et h ez o n eo fn o tb e i n g s h o c k e db yc o n t r o l l i n gt h ed i s t a n c eo fe v e r yt r a c ka n de v e r yp o i n t t h a tp r o v i d e de v i d e n c ef o r p r o g r a m m i n gt h ec o n t r o l l e ds o f t w a r ef a t h e rf o rl a s e rs h o c kf o r m i n g k e y w o r d s ：l a s e rs h o c kf o r m i n g ( l s f ) ，s h e e tm e t a l ，s t lm o d e l ，s l i c i n g ， r o u g hs h o c kp a t h ，p r e c i s i o ns h o c kp a t h ，e n e r g yt r a n s f e rm e d i u m ，5 - a x i s c o o r d i n a t e dm a c h i n i n g i i 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学位保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部内容或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密 学位论文作者签名： 0 * 【年只 e t 虢饿荔、 d 劈6 月弘 侥 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完 全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期：砂年占月j 日 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 金属板料成形作为薄板直接投入消费前的主要深加工方法，已在整个国民经济中占 有十分重要的地位，广泛应用于航空航天、船舶工业、汽车覆盖件、家电等生产行业。 传统的金属板料加工方法主要是用模具在压力机上进行冷冲压成形，其生产效率高，适 用于大批量生产。随着市场竞争的日趋激烈，产品的更新换代速度日益迅速，原有的采 用模具加工的技术就表现出生产准备时间长，加工柔性差，模具费用大，制造成本高等 不足，且模具冷冲压成形仅适用于低碳钢、铝台金以及铜等材料。为此国内外许多学者 致力于板料塑性成形新技术的研究，实现金属板料的快速高效、柔性冲压和无模成形， 以适应现代制造业产品快速更新的市场竞争需要。而高功率激光器技术的日趋成熟，为 板料塑性成形新技术的研究提供了全新的手段。 1 1 无模成形技术的研究概况 国内外许多学者对板料塑性成形新技术进行了大量的研究“】，从无模多点成形、数字 化渐进成形，到喷丸成形、爆炸成形、激光热应力成形等，并取得了一定的成果1 2 _ ”。 旋压成形是板料常用的无模成形技术之一，技术比较成熟，所用的设备和工具都比 较简单，可用于拉深、翻边、凸肚、缩口等工艺，但生产率低、只能加工对称零件。主 要用在搪瓷和铝制品工业中，在航天和导弹工业中也有一定的应用。 成形锤渐进成形是在计算机系统控制下，用刚性冲头和弹性下模对板料各部分区域 分别加工，是一种单点压延渐进成形工艺，成形速度快，但只能成形形状简单的零件， 且留有大量的锤击压痕，表面质量较差，还需要后续处理。 无模多点成形是利用高度可调节的数控液压加载单元( 基本体群) 形成离散曲面， 来替代传统模具进行三维曲面成形的方法，是一种多点压延加工技术。此法特别适合于 多品种小批量生产，体现了敏捷制造的理念。与传统模具成形方法相比，其主要区别就 是它具有“柔性”，可以在成形前也可在成形过程中改变基本体的相对位移状态，从而 改变被成形件的变形路径及受力状态，以达到不同的成形效果。根据基本体群之间在成 形过程中有无相对运动，又可分为多点模具成形法和多点压机成形法。 2 0 世纪7 0 年代，日本造船界开始研究多点成形压力机，并成功应用予船体外板的 曲面成形。此后许多学者为开发多点成形技术进行了大量的探讨与研究，制作了不同的 样机，但大多只能进行变形量较小的整体变形。吉林工业大学李明哲等人对无模多点成 形技术进行了较为系统的研究，已自主设计并制造了具有国际领先水平的无模多点成形 设备，目前正向推广应用方面发展。 1 江苏大学硕士学位论文 数字化渐进成形是2 0 世纪9 0 年代日本学者松原茂夫提出的金属板料成形新方法， 将零件复杂的三维形状沿z 轴方向离散化，即分解成系列二维断面层，并用工具头在 这些二维断面层上局部进行等高线塑性加工，达到所要求的形状，实现了板料设计制造 一体化的柔性快速制造，其成形原理如图1 1 所示。 ( 拄) 板料成形前 ( b ) 扳料成形申 圈1 1 渐进成形示意图 数字化渐进成形的技术特点是无须一一对应的模其，零件的结构和形状也相应不受 约束。因而极大地降低了新产品开发的周期和成本。所以对于飞机、卫星等多品种小批 量的产品以及汽车新型样车试制、家用电器等新产品的开发，都具有潜在的经济价值， 而且该方法所能成形的零件复杂程度比传统成形工艺高。 目前数字化渐进成形技术还仅限于实验室研究阶段。其存在的主要问题是：( 1 ) 成形 零件的尺寸精度差，其曲率半径受到工具球头半径的限制，不能很小，而且划痕严重， 表面质量较差。( 2 ) 由于工具压头在板材上作千摩擦滑动，阻力大，易起皱和拉裂。( 3 ) 由于受到模芯的结构影响，成形零件的尺寸受到限制，不能太小。 喷丸成形是利用高速弹丸撞击鳝板料的一个表面，使受撞击表面及其下一层金属 产生塑性变形，导致面内产生残余应力。在此应力作用下逐步使板料达到要求外形的一 种成形方法。目前其主要应用在航空航天领域，如波音和空中客车等飞机制造公司在其 现代客机的生产中，都已采用了喷丸成形方法。其主要优点是：( 1 ) 零件长度不受喷丸成 形方法的限制，现代飞机蒙皮零件的长度已达3 2 m ，若采用其他方法，设备投资将急居0 增 加。( 2 ) 工艺装备简单，无需成形模具，只需简单的夹具。准备周期短，固定投资少。( 3 ) 在进行成形的同时，可对扳料起到强化作用。( 4 ) 可对变厚度的板料进行成形。( 5 ) 既可 成形单曲率外形，又可成形双曲率外形，如机翼上下气动弯折区或非直母线区。 喷丸成形的工艺方法有弯曲喷丸、延伸喷丸和预应力喷丸3 种，其成形机理十分复 杂。由于影响成形过程的因素较多，使得喷丸成形工艺参数的选择仍要依靠庞大的实验 数据库和操作经验，采用试喷渐进的方法来确定，耗时费资。在采用c n c 喷丸成形后， 2 江苏大学硕士学位论文 这一问题更需解决。西北工业大学的康小明等人提出喷丸成形c a d c a e c a m 系统，以机 翼整体壁板全信息模型及喷丸成形数据库为基础，解决了喷丸成形的参数选取问题；剥 喷丸成形进行运动模拟，简化了喷丸成形的数控编程工作；对喷丸成形进行有限元模拟， 增强了对这一复杂过程的预见。 爆炸成形是利用烈性炸药爆炸产生的冲击波仿形，适用于大型工件的拉深、胀形、 弯曲和校平等。爆炸成形安全性较差且工艺过程复杂，工艺参数难以控制，而且激波作 用时间长达数毫秒，扩散效应大，不能精确成形。 水火弯曲成形是二十世纪五六十年代起源于日本的一种板料无模成形工艺，利用热 源如氧乙炔焰在钢板表面沿加热线匀速移动，其后为水跟踪冷却，在钢板内形成不均匀 的温度分布，从而使加热区产生永久塑性变形。其优点是成本低廉，但由于氧乙炔焰流 的可控性和稳定性较差，能量密度低，含氧量高，所以水火弯曲成形技术不能应用于成 形精度要求较高的场合，也不适合于成形易氧化板件。 随着激光技术的发展，特别是大功率工业激光器制造技术的目益成熟，激光作为 种“万能”工具，已应用于材料的切割、焊接和表面改性处理等领域，其中激光切割技 术已较为成熟，广泛用于各种金属和非金属薄板料的切割成形，替代了部分零件的冲压 和线切割工艺：激光表面淬火硬化和涂覆等技术在车辆发动机、机床和航空航天等实际 生产中已有一定的应用，主要用于提高材料的硬度和耐磨性等，从而提高零件的使用寿 命，这也是目前激光加工领域正在不断研究的课题。同时人们对激光潜在的各种应用领 域正在不断挖掘，如信息、生命及微纳米等学科，可以说激光技术正在向各个领域渗透。 根据激光与物质相互作用所产生的热力效应的不同，激光技术在机械制造中的应用 可分成两大类：一类是利用激光与材料相互作用所产生的热效应来对材料实施加工，以 去除和改善材料性能，称之为激光的热加工；另一类是利用高能激光和材料相互作用产 生的冲击波的力效应来改善材料性能，称之为激光冲击。而利用激光作为工具进行板料 塑性成形方面的研究源于2 0 世纪8 0 年代，这就是目前人们俗称的激光热应力成形( 也 称激光弯曲) 。 激光热应力成形1 6 1 是一种较新的金属板料成形方法，它是利用激光扫描金属薄板时， 在热作用区域内产生强烈的温度梯度，引起超过材料屈服极限的热应力，使板料实现热 塑性变形。其成形机制如图1 2 所示，通过调整激光加工参数和选择合适的扫描轨迹能 够成形任意的弯曲件和锥形件等三维曲面零件，因而激光热应力成形是真正意义上的无 模成形。图1 3 为激光热应力成形的工艺过程。 与常规成形相比，激光成形技术有一些独特的优点：( 1 ) 采用激光源作为成形工具， 无需任何形式的外力，因而生产周期短、柔性大；( 2 ) 因不受模具限制，可容易地复合成 3 江苏大学硕士学位论文 形，制作各类异形件，属于真正意义上的无模成形；( 3 ) 属于热态成形，可成形在常温下 难于成形的、难变形或脆性材料；( 4 ) 对激光束模式无特殊要求，易于实现成形、切割、 焊接等激光加工工序的复合化。 图1 2 激光热应力成形原理图 激光束 l 一扫描线；2 一夹持器；3 一板料 图1 3 激光熟应力成形的工艺过程 影响激光热应力成形的主要因素有激光参数、弯曲件的几何参数和材料的性能等。 成形技术中还存在许多问题有待于进一步深入的研究：( 1 ) 影响激光成形的因素较多，目 前还难以精确成形：( 2 ) 热量直接作用于工件表面，形成的热效应负面影响大，表面质量 较差；( 3 ) 成形形状受到限制，不适合于复杂形状，特别是三维成形加工。 另外还有学者提出利用等离子枪作为热源作用于工件表面，使板料产生内应力而引 起塑性变形的无模成形方法，其原理与激光热应力成形原理是相同的。 4 江苏大学硕士学位论文 1 2 金属板料激光冲击无模成形技术的提出 可以说，激光冲击强化技术为激光冲击成形技术的产生奠定了一定的基础。早在2 0 世纪6 0 年代，一些研究人员就发现用脉冲激光作用在材料表面可以在固体中产生高强 冲击波当时人们关心的是激光产生压力脉冲的现象，而没有将激光产生的应力波用于 树料的改性方面研究。直至1 9 7 2 年，美国b a t t l e l l 7 sc o l u m b u s 实验室的f a i r a n db p 等人首次用高功率脉冲激光诱导的冲击波来改变7 0 7 5 铝合金的显微结构组织和机械 性能，研究表明7 0 7 5 铝合金材料经激光冲击后，其屈服强度提高3 0 。由于激光具有 良好的可控性及可重复性等诸多特点，因此脉冲激光产生的冲击波成为研究固体表面改 性的新工具，从此揭开了激光冲击波处理材料的应用研究序幕1 7 - ”。 激光冲击一般采用钕玻璃和y a g 高功率激光装置，激光脉冲的宽度为1 0 。秒量级甚至 更小，激光功率密度一般大于1 0 9 w c m 2 ，有时可达1 0 ”w c m 2 。如此高功率密度和短脉 冲的强激光作用于材料表面时，材料表面薄层迅速气化，其产生高温高压的等离子体的 瞬时温度可达1 0 0 0 0 c 。，在表面原子逸出期间发生动量脉冲，产生的高幅冲击波压力高 达数g p a ，甚至可高达1 5 t p a 。由于激光冲击的时间极短，工件几乎没有受到热影响，其 表面温度仅在1 5 0 c 。左右，其热效应可以忽略不计，故激光冲击处理主要是利用其高压 力学效应而非热效应，从而可将激光冲击处理工艺归为冷加工工艺。 这种利用激光冲击波的力学效应对材料表面进行加工的技术，称之为激光冲击波技 术。其中利用冲击波对材料表面进行改性，以提高材料的抗疲劳、磨损和应力腐蚀等性 能，是当今国内外相关学者研究的热点和前沿，这就是目前得到公认的激光冲击强化， 简称l s p 技术。自从2 0 世纪8 0 年代中期以来，激光冲击波技术应用的研究十分广泛， 主要体现在两个方面：一是用于工程应用，改善金属零部件的抗疲劳性能，因而许多学 者对激光冲击处理工艺以及激光器设备系统进行了深入的研究；二是理论基础研究，追 求深入理解激光冲击的物理过程，冲击波和材料相互作用的机理。 目前激光冲击波技术除了用于材料表面改性研究外，还应用于层裂、清除文物表面污 垢、模拟高速撞击、无损检测、医学工程等领域的研究。与般用于材料改性处理的经典 方法如锻打、喷丸硬化、冷挤压、激光热处理等相比，激光冲击处理具有非接触、无热影 响区及强化效果显著等特殊优点。我校从2 0 世纪9 0 年代中期开始，在原机械部科技基 金和江苏省应用基础基金的资助下，和中国科技大学、南京航空航天大学等单位合作，对 激光冲击波技术进行了较为系统的研究，就激光冲击强化提高材料的抗疲劳性能进行了很 多有益的探索。对航空铝合金和汽车发动机零部件材料如2 0 2 4 - t 6 、4 5 钢、q t 7 0 0 2 等材 料实施了大量的激光冲击处理，使试样的疲劳寿命获得较大幅度的提高，并提出了激光冲 击强化效果的神经网路控制判别法，建立了激光冲击强化工艺规范和实旖细节。 5 江苏大学硕士学位论文 我校在2 0 0 0 年4 月的激光冲击试验中，利用脉冲能量为l o 3 0 j 、脉宽为8 n s 3 0 n s 、光斑直径为6 m m 的强激光束，冲击厚度分别为l m m 、2 m m 、3 m m 的一侧离子镀t i n ( 5 m 厚) 的镜面3 0 4 不锈钢板，在试样背面无约束的试验条件下，结果在冲击区域表 面形成图1 4 所示的圆形鼓包，用t a y l o rh o b s o n 表面轮廓仪测量其变形区域表面所得 的典型截面形状如图1 5 。经分析，试样经激光冲击后，其表面粗糙度明显减小，表面质 量得到提高，此时t i n 涂层附着良好，而在未冲击区域材料状态未发生任何变化。显然， 这属于典型的激光冲击拉胀成形。利用同样的冲击参数多次实验发现，板料试样变形的 重复性和尺寸稳定性都相当好，由此逐步形成了金属板料激光冲击成形的新思想0 】。 t 和酗嘲 p f o 托e 图1 43 0 4 t i n 板料的冲击变形图1 5 单次激光冲击一f 板料变形区典型截面形状 由于激光的脉冲能量、光斑尺寸及脉冲间隔宽度等参数精确可控，通过数控系统控 制激光冲击头和板料的相对运动轨迹，可实现单次冲击板料局部成形，也可实现对板料 的逐点逐次冲击，使其逐步变形，实现逐点冲击大面积成形，因而能成形出复杂的工件 形状。在研究激光参数、约束条件、激光脉冲作用次数和金属板料变形之间的相互关系， 得到板料激光冲击成形的工艺参数和数据库；在此基础上，根据板料成形件的形状进行 冲击轨迹的优化，在数控系统的控制下，就能实现激光冲击板料的柔性无模成形。需要 指出的是，当成形较为复杂型面的工件，且实际累积的数据库还不太丰富时，在板料底 部可安置用快速原型制造的非金属材料制成的支撑模型，以提高成形精度，也就是凹模 仿形。由于激光脉冲的宽度为纳秒量级，冲击波压力作用下板料的变形时间要比爆炸成 形( 1 m s 左右) 还要低4 5 个数最级，且成形压力高达g p a 量级，这种异乎寻常的变 形条件，使板料的激光冲击成形具有很多特殊的现象，可望使塑性差的难成形材料实现 冷塑性成形。由于激光冲击成形具有超高压、高应变率和超快速等诸多特点，这为研究 激光冲击波对板料的加载机制、板料在激波加载下的动态塑性变形响应、应力应变本构 方程以及板料的成形性能等提供了很大的理论空间。 6 江苏大学硕士学位论文 依据上述思想，我校率先在国内开展了利用激光冲击波技术来实现金属板料的超快 塑性成形技术的研究 1 1 - 1 3 1 ，并取得了初步的研究成果，部分研究成果已申请了国家专利， 并已得到了国家自然科学基金和8 6 3 课题的资助。 金属板料激光冲击波成形技术的研究内容十分广泛，是- 1 7 多学科交叉融合的研究， 涉及激光与材料相互作用、高功率激光器系统、数控技术、智能控制技术、计算机技术、 力学以及材料组织和性能等多个学科领域。 1 3 金属板料激光冲击成形技术的应用前景 板料的激光冲击成形作为一种潜在高效柔性化的塑性成形的先进制造技术，其成形 技术、工艺以及装置的开发与应用，必将是钣金行业一场具有重要意义的技术革命，具 有，+ 阔的应用前景、潜在巨大的经济效益和社会效益。 航空航天工业 航空航天工业的生产特点是：( 1 ) 产品型号更迭频繁、批量不大、零件的形状复杂 多样、尺寸稳定性等精度要求高，零件的高度一般较大、加工困难。由此促使宇航工业 特别重视也迫切需求高能的新加工方法，而激光冲击成形技术恰好适应了这种要求。金 属板料冲击成形后表面形成了很深的高幅值残余压应力，可显著提商疲劳寿命。如3 m m 厚的2 0 2 4 铝合金冲击后表面形成一2 3 5 m p a 至一3 0 0 m p a 的残余压应力，根据我们所做的 激光冲击强化实验结果，此状态可提高疲劳寿命4 倍以上。这特别适合于制造有抗疲劳 性能要求的钣金件，如飞机机翼蒙皮等，可省去常规的表面强化工艺。( 2 ) 小曲率板材 弯曲成形。由于是全塑性弯曲，几乎无回弹，解决了常规工艺反复调整试模、费时费钱 的不足。( 3 ) 难成形材料的成形，如钛合金导弹尾翼的精密弯曲成形。激光冲击成形特 别适合于批量少的新品研制，可望是喷丸成形的替代技术。 汽车覆盖件和模具制造业 汽车车身覆盖件是汽车的重要组成部分，车身开发的关键在于模具的开发。一辆汽 车上约有8 0 的零部件是用模具加工制造的。在“车型设计一模具设计与调试一投产” 的整个周期中，模具设计和制造约占2 3 的时间，模具的制造成本极为昂贵，成为车身 改型的制约因素。由于汽车覆盖件大都属于浅拉延件，很适合于激光冲击成形工艺，这 样可省去或减少覆盖件模具数量。假如仅估算激光冲击凹模仿形，就可节约一半模具， 仅此一项，对一个新型号的产品开发，就可节省大量的费用，不仅能大大缩短汽车开发 的周期而且能大大降低开发成本。因此，激光冲击成形技术在汽车新产品开发中的应 用将产生巨大的经济效益和社会效益。另外，由于激光冲击成形的独特优点，可对高强 度结构钢板料采用激光冲击成形，进行适当修整和加固后就可直接作为模具使用，实现 了钢板模具的快速制造。 7 江苏大学硕士学位论文 薄板制造业 采用激光冲击成形技术，可降低对薄板表面质量的要求，这可为国家节约大量的外 汇，为薄板制造业增产增效作出贡献。我国钣金件冲压成形性能不过关，在国内的飞机 制造厂和主要的汽车生产厂家和家电企业，在其产品上用到的板料大都是采用国外进口， 这便成了为外国卖主创造利润。尤其是二十世纪九十年代以来，薄板进口逐年增加。与 此同时，国产薄板销路不畅，这种情况如不加以制止，问题将越来越严重。激光冲击成 形技术适应性强，对钣金的成形性能要求低，通过开发系列的激光冲击成形专用板材， 为薄板制造业创造新的经济增长点。 不可替代的特殊应用 激光冲击成形除了可对薄板冲压成形外，还可对金属厚板进行弯曲成形。此外，还 可望对高强度结构钢、钛合金板料、以及塑料和复合材料等多种材料冷冲压成形，甚至 对脆性材料弯曲成形，实现脆一塑的动态转变，因此激光冲击成形具有很大的适应性和 柔性，并在一些特殊的板材成形中显示出优越性。 高功率激光器的制造与应用 我国1 0 9 w 量级的高功率固体激光器的制造水平和工业应用落后于国外，激光冲击成 形的巨大应用市场终究必将推动我国高功率激光器设计、制造及应用上新台阶，形成新 的经济增长点。 另外，激光冲击成形设备的开发为高应变率动态塑性理论的研究提供了新的实验手 段。由于实验手段的缺乏造成动态塑性变形理论的发展缓慢，尤其是应变率高于1 0 5 s ， 新实验手段的出现必将促进动态超塑性成形理论的发展。 要使激光冲击成形技术转化为生产力，必须在高应变率动态塑性变形理论、高能激 光束冲击引起的高幅应力波的时空分布及其对材料的加载特性、集能量吸收涂层和约束 层于体的能量转换体( 柔性贴膜) ，以及激光冲击成形工艺学等方面做深入的研究。 1 4 本文的主要工作 激光冲击板料成形涉及的研究内容十分广泛，本课题的研究目的旨在对激光与物质 相互作用机理的研究基础上，对激光冲击成形的方法进行研究，重点对提高激光冲击波 峰压的能量转换体技术和冲击成形的路径规划方面进行研究，并且开发软件对c a d 图形 进行分析处理从而获得大面积冲击成形过程的计算机模拟及冲击轨迹控制软件。这种软 件不象前面谈到的手工编程那样需要用复杂的数学计算得到各点的坐标数据，也不需要 象a p t 语言编程那样，用数控编程语言去编写零件几何形状、加工走刀过程及后置处理 源程序，而是采用相应的c a d 软件设计出零件图，并以s t l 文件格式保存，读取其中有 8 江苏大学硕士学位论文 用的数据，并通过软件内部一些算法处理，得到激光冲击轨迹数据。通常三维激光加工 轨迹的获得有两种：一种是操作者通过示教板，移动和转动激光加工机的各个轴，使激 光头端对准待加工的部位，并调整好激光头的姿态，使入射激光光束与工件表面垂直， 最聒将该处的有关数据记录并存储起来，这样沿待加工轨迹记录若干点。实际加工时， 激光头沿这些点运动最后形成加工轨迹。可以看出，记录的点越多，轨迹越逼近理想轨 迹。这种方法即常说的在线示教编程；另一种就是离线自动编程，即利用计算机图形学 的成果，在计算机中建立起激光加工机及其工作环境的模型，利用一些规划算法和激光 加工工艺参数，通过对加工工件的图形控制和操作在离线下进行轨迹规划和数控编程。 本文从数控系统的实际要求出发，实现离线自动编程，对数控加工的冲击轨迹的生 成方法进行研究，最终实现冲击轨迹g m 代码的输出，这将对以激光冲击成形技术为核心 的数控系统的开发奠定一个坚实的基础。由于s t l 数据格式是当前所有商用r p 系统广泛 采用的c a d r p 数据接口，其结构简单，应用广泛，所以本文采用$ t l 数据格式作为图形 数据文件的格式。 论文工作及主要研究内容归纳如下： 第一：根据课题组前期的实验研究结果，对激光与物质相互作用机理及激光冲击成 形的能量转换体技术进行一定的分析。 第二：在分析传统的c a m 集成系统的基础上，结合激光冲击成形技术的特点，构架 激光冲击波成形系统，并对冲击成形工艺等关键问题进行研究。 第三：对激光冲击成形的典型形状型腔和简单曲面的冲击成形方法进行研究， 并且为满足实际数控加工的需要，开发控制软件以得到大面积冲击成形的轨迹文件，并 实现对冲击过程的路径仿真。 第四：为满足激光冲击波成形系统的实际数控加工要求，并且能按照成形工艺进行 冲击成形，研究五轴数控加工技术，以实现激光冲击成形。 第五：根据现有的实验条件，进行相关的实验研究。 本文研究内容得到如下基金资助： ( 1 ) 国家自然科学基金“超高压商应变率冷塑性激光冲击成形的基础研究”，项目 批准号5 0 2 7 5 0 6 8 ； ( 2 ) 国家8 6 3 课题，“结构板料的高能率激光冲压成形新技术探索”，项目批准 号2 0 0 2 a a 3 3 6 0 3 0 ： ( 3 ) 国家8 6 3 课题，“金属板材高应变率冲击波半模无模精密成形工艺与装备”， 项目批准号2 0 0 2 h h 4 2 1 1 2 0 。 9 江苏大学硕士学位论文 第2 章激光与物质相互作用机理 金属扳料激光冲击成形技术的基础是激光冲击诱导的高压冲击波技术，为此本章首 先讨论高功率脉冲激光对金属板料冲击的物理过程及冲击波的形成机制，并讨论激光冲 击波的加载特征及其对板料的力学效应，从根本上找到致使板料变形原因。由于高功率 密度( g w c m 2 量级) 、短脉冲( i i s 量级) 的撤光束辐照在金属表面时表面层产生烧蚀气 化，形成高涡高压的等离子体，从而诱导一个向金属内部传播的冲击坡，这种现象称为 直接烧蚀模式。直接烧蚀模式会导致靶材表面质量下降和组织的变化，这在实际工程中 一般是不允许的。如何既保护工件表面免受激光的热损伤，又能有效提高激光冲击波的 峰值压力通常的做法是采用能燕吸收涂层加覆盖约束层的方法。能量吸收涂层作为一 种牺牲层，在高能激光冲击下尽可能吸收激光能量，代替金属表面薄层气化而产生等离 子体，使工件在冲击波的力效应作用下进行塑性变形。这种利用能量吸收层和约束层把 激光能量转变为冲击波机械能，并使冲击波压力得到提高的方法，我们称之为能量转换 体技术。因为能量转换体在激光冲击成形中起着至关重要的作用，本章后部分将详细介 绍该技术。 21 激光冲击板 茸变形的物理过程 当高功率密度( g w o m 2 量级) 、短脉冲( n s 量级) 的强激光冲击金属扳料表面时， 其表层材料因吸收激光能量而迅速气化电离，形成等离子体和由激光能量支持的爆轰波， 等离子体的快速膨胀与喷射施与靶面一动量脉冲，产生一高压冲击波传向工件内部，使 材料产生动态响应。当冲击波压力诱导的板料内应力大于材料的动态屈服强度时，引起 板料宏观的塑性变形，因此激光冲击板料变形的前提是要产生足够的冲击波压力。通常 的做法是在金属板料表面涂覆一层能量吸收层，再在其上覆盖一层对激光透明的约束层， 如图2 1 所示。能量吸收层充分吸收高| 毙激光的能量，而在极短时问内形成一个高温高 压的等离子体层，该等离子体层迅速向外喷射，由于约束层的存在。等离子体的膨胀受 到约束限制，导致等离子体压力迅速升高，结果施与靶面一个冲击加载，产生向金属内 部传播的强冲击波。由于这种冲击波压力高达数个g p a ，远远大于材料的动态屈服强度， 从而使材料产生屈服和冷塑性变形，同时在成形区域产生残余压缩应力，改善了成形件 的疲劳和腐蚀性能。在此过程中，由于有能量吸收层本身的“牺牲”作用，保护了工件 表面不受到激光的热损伤，而约束层的存在大大提高了激光冲击波的压力和作用时间。 这也就实现了把激光束的光能转变成冲击波机械能，这种涂层加约束层技术，我们称之 为能量转换体技术。在激光脉冲作用期间，其强度保持恒定时，施加于金属靶面的冲击 为能量转换体技术。在激光脉冲作用期间，其强度保持恒定时，施加于金属靶面的冲击 1 0 江苏大学硕士学位论文 第2 章激光与物质相互作用机理 金属板料激光冲击成形技术的基础是激光冲击诱导的高压冲击波技术，为此本章首 先讨论高功率脉冲激光对金属板料冲击的物理过程及冲击波的形成机制，并讨沦激光冲 击波的加载特征及其对板料的力学效应，从根本上找到致使板料变形原因。由于高功率 密度( g w c m 2 量级) 、短脉冲( i i s 量级) 的激光束辐照在金属表面时，表面层产生烧蚀气 化，形成高温高压的等离子体，从而诱导一个向金属内部传播的冲击波，这种现象称为 直接烧蚀模式。直接烧蚀模式会导致靶材表面质量下降和组织的变化，这在实际工程中 一股是不允许的。如何既保护工件表面免受激光的热损伤，又能有效提高激光冲击波的 峰值压力，通常的做法是采用能量吸收涂层加覆盖约束层的方法。能量吸收涂层作为一 种牺牲层，在高能激光冲击下尽可能吸收激光能量，代替金属表面薄层气化而产生等离 子体，使工件在冲击波的力效应作用下进行塑性变形。这种利用能量吸收层和约束层把 激光能量转变为冲击波机械能，并使冲击波压力得到提高的方法，我们称之为能量转换 体技术。因为能量转换体在激光冲击成形中起着至关重要的作用，本章后部分将详细介 绍该技术。 2 1 激光冲击板料变形的物理过程 当高功率密度( g w c m 2 量级) 、短脉冲( n s 量级) 的强激光冲击金属板料表面时， 其表层材料因吸收激光能量而迅速气化电离，形成等离子体和由激光能量支持的爆轰波， 等离子体的快速膨胀与喷射施与靶面一动量脉冲，产生一高压冲击波传向工件内部，使 材料产生动态响应。当冲击波压力诱导的板料内应力太于材料的动态屈服强度时，引起 板料宏观的塑性变形，因此激光冲击板料变形的前提是要产生足够的冲击波压力。通常 的做法是在金属板料表面涂覆一层能量吸收层，再在其上覆盖一层对激光透明的约束层， 如图2 1 所示。能量吸收层充分吸收高能激光的能量，而在极短时间内形成一个高温高 压的等离子体层，该等离子体层迅速向外喷射，由于约束层的存在，等离子体的膨胀受 到约束限制，导致等离子体压力迅速升高，结果施与靶面个冲击加载，产生向金属内 部传播的强冲击波。由于这种冲击波压力高达数个g p a ，远远大于材料的动态屈服强度， 从而使材料产生屈服和冷塑性变形，同时在成形区域产生残余压缩应力，改善了成形件 的疲劳和腐蚀性能。在此过程中，由于有能量吸收层本身的“牺牲”作用，保护了工件 表面不受到激光的热损伤，而约束层的存在大大提高了激光冲击波的压力和作用时间。 这也就实现了把激光束的光能转变成冲击波机械能，这种涂层加约束层技术，我们称之 为能量转换体技术。在激光脉冲作用期间，其强度保持恒定时，施加于金属靶面的冲击 1 0 江苏大学硕士学位论文 波压力维持一个平稳阶段。而在激光作用的后期，由于激光功率密度减小，作用于表面 的冲击波压力也随之降低，因此在激光冲击板料过程中，激光诱导的冲击波压力经历了 快速增强、保压和衰减三个过程。 根据上述分析，可以把激光冲击板料变形的过程分成三个阶段：( 1 ) 靶面吸收高能 激光并气化；( 2 ) 等离子体形成高压冲击波加载于靶面； ( 3 ) 靶材动态响应而产生塑 性变形。 1 ：激光束2 ：约束层3 ：能量吸收层4 ：靶体5 ：等离子体 图2 1 板料激光冲击下变形机理 2 2 激光冲击波的产生及其力学效应 2 2 1 激光冲击波产生 产生激光冲击波的物理机制一般认为有两种，一是热冲击，它起源于靶体表面快速 地吸收激光脉冲能量所造成的热膨胀和巨大的应力梯度：另一类是机械冲击，它起源于 迅速蒸发与膨胀的高温等离子体蒸气对靶体的反冲压力。在激光冲击成形中，所采用的 激光功率密度为1 0 9 w 啪2 量级，脉宽为n s 量级，靶体表面产生等离子体近似乎是瞬间 的，因此反冲机制起主导作用。此时入射激光被靶蒸汽吸收，产生以热传导或流体动力 学机制传播的激光吸收波：激光维持的燃烧波( l s c ) 和爆轰波( l s d ) 。当靶面受到较强激 光功率密度照射时，靶蒸汽部分电离、加热，进而依靠热传导、热辐射等运输机制，也 使其前方的冷气体加热和电离，形成l s c 波，如图2 2 ( a ) 所示。这时仍有部分激光透 过等离子体区入射到靶表面，增强激光与靶蒸汽的热耦合，随着等离子体向前离去，其 耦台受到削弱，逐渐形成对靶的屏蔽。随着激光功率密度增大，l s c 吸收区运动加快，吸 收增强，直至与前方冲击波会合，形成l s d 波，如图2 2 ( b ) 所示。这时辐射的激光能 量直接被激波波前所吸收，激光所提供的能量相当于一般爆轰波中的化学反应所提供的 能量。因此，爆轰波在沿着光束的方向被支持住，继续吸收激光能量后，发生爆炸与电 离，形成激光束能量支持的爆轰波，其体积急剧膨胀，压力增大。由于有能量转换体中 江苏大学硕士学位论文 约束层的约束作用，急剧膨胀的等离子体被限制在金属靶表面，使等离子体压力进步 升高，结果形成高强激光冲击波。 渡 脉冲激光 渡 ( a ) 激光维持的燃烧波( l s c )( b ) 激光维持的爆轰波( l s d ) 图2 2l s c 和l s d 波结构示意