漸進(jìn)式板料激光三維成形及工藝優(yōu)化
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摘要：將板料的激光三維成形視為V形激光彎曲成形的復(fù)合，分析了曲面筒形件與V形彎曲件的幾何相關(guān)性，建立了用點(diǎn)坐標(biāo)表示的弧面曲率表達(dá)式。以工件的曲率半徑為優(yōu)化目標(biāo)，有限元軟件包ls-dyna3D作為目標(biāo)函數(shù)解算器，并結(jié)合遺傳算法，求出了優(yōu)化的工藝參數(shù)及其各成形瞬時(shí)的位移場(chǎng), 并與實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了對(duì)照。關(guān)鍵詞：板料；激光成形；三維；工藝優(yōu)化 1．引言板料激光成形的基本形式是成形V形彎曲件[1]，但在實(shí)際生產(chǎn)中，大量的是具有三維形狀的異形件。因此，激光三維成形逐漸成為該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)和趨勢(shì)[2,3]。激光三維成形可以視為簡(jiǎn)單彎曲成形的組合，同一塊板料上不同走向、不同角度、不同長(zhǎng)度的多個(gè)彎曲成形可以使板料成形為復(fù)雜的三維形狀。文中采用漸進(jìn)式激光成形的方法，通過(guò)多次V形彎曲，得到了符合要求的筒形件。 2.幾何相關(guān)性分析用激光成形正多面體筒形件，可以看作板料的多次激光彎曲，此時(shí)掃描軌跡為一系列相互平行的直線(xiàn)。從圖1可以看出，筒形件的高取決于成形前板料的寬度，多面體的邊長(zhǎng)取決于兩次掃描線(xiàn)的間距L,每次掃描的成形角度決定了多面體的邊數(shù)，其中邊數(shù)和成形角度存在如下關(guān)系：圖1 筒形件成型幾何相關(guān)性示意圖其中，n為多面體的邊數(shù)，а為沿同一位置進(jìn)行掃描的成形角度。因此，選取合適寬度的板料，精確控制掃描的間距和在每個(gè)位置掃描的成形角度，可以成形任意高度，任一邊數(shù)n和邊長(zhǎng)L的多面體筒形件。激光成形不僅可以成形由平面V形彎曲構(gòu)成的三維形狀，合理地控制激光成形的工藝參數(shù)和掃描路徑，還可以成形更復(fù)雜的曲面。和機(jī)械彎曲一樣，激光彎曲成形也存在一個(gè)彎曲半徑的問(wèn)題。在用模具進(jìn)行V形彎曲時(shí)，為了保證材料不發(fā)生斷裂等缺陷，必須保證相對(duì)彎曲半徑大于板料的最小相對(duì)彎曲半徑。因此使用模具彎曲成形的工件，彎曲角度的頂端不是尖銳的，而是有一定的曲率半徑的圓? ＜す饌淝尚臥詡尤茸刺陸校嘍醞淝刖犢殺然低淝∫恍５怯捎誄尚偉辶鮮賈罩皇莧扔αψ饔茫皇芡飩緄腦際謖霰湫吻緯曬饣那吖桑皇淺尚我桓黽餿竦慕牽拾刖督匣低淝炊梢愿笠壞愣Ｎ頤前鴨す饌淝尚蔚腦不∏ㄒ邐湫吻且約す獾納杪肪段行牡拇辭頡？梢岳酶帽湫吻那拾刖賭夂先嫻那拾刖叮猿尚穩(wěn)嫘巫礎(chǔ)Ｏ勻唬鄙杓渚郘大于變形區(qū)時(shí)，兩次掃描路線(xiàn)之間有一段板料沒(méi)有發(fā)生變形，保持板料原有的平面，而變形區(qū)則形成了棱邊；當(dāng)掃描間距小于變形區(qū)時(shí)，兩次掃描的變形區(qū)相互影響、相互疊加形成了光滑的曲面。激光成形的彎曲半徑可以直接在試樣上測(cè)得，也可以根據(jù)數(shù)值模擬的結(jié)果，用數(shù)學(xué)的手段求得。下面對(duì)求解過(guò)程進(jìn)行簡(jiǎn)單的推導(dǎo)。曲率表示了一段曲線(xiàn)y=f(x)的彎曲程度，它被定義為一段圓弧的切線(xiàn)轉(zhuǎn)角△α和圓弧的長(zhǎng)度△s的比值，記作被稱(chēng)為這段曲線(xiàn)的平均曲率。當(dāng)△s→0時(shí)，如果平均曲率的極限存在，則稱(chēng)此極限為曲線(xiàn)y=f(x)在該點(diǎn)的曲率，記作曲率半徑被定義為曲率的倒數(shù)，在數(shù)值模擬中，首先提取板料變形區(qū)內(nèi)的一系列長(zhǎng)度方向上相鄰節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)（xn, yn），然后利用數(shù)值微分公式求得y'n，y"n，進(jìn)而求得各點(diǎn)的曲率半徑R，取平均值作為板料的彎曲半徑。 3 用激光成形三維曲面及其加工工藝優(yōu)化由于激光成形的變形區(qū)在微觀上呈現(xiàn)為具有一定彎曲半徑和一定寬度的帶狀小曲面，因此，可以通過(guò)控制激光成形的工藝參數(shù)，以改變變形區(qū)的曲率半徑和寬度，將不同曲率半徑的小曲面組合起來(lái)就可以構(gòu)成不同的三維曲面形狀。激光成形三維曲面的基本思路，是利用激光成形時(shí)變形區(qū)的形狀特點(diǎn)，首先通過(guò)幾何相關(guān)性研究，將要成形的三維曲面形狀，分解為一系列激光彎曲可以成形的小曲面；然后制定相應(yīng)的成形工藝，控制變形區(qū)的平均曲率半徑，使之與要成形的三維曲面的曲率半徑一致。每一次掃描可以成形部分曲面，通過(guò)多次掃描，采用漸進(jìn)成形的方法，得到的要求的整個(gè)三維形狀。由此可見(jiàn)，激光成形三維曲面形狀精度，主要是由激光成形的彎曲半徑?jīng)Q定。激光成形的彎曲半徑與待成形的三維曲面的曲率半徑越接近，成形精度越高。為控制激光成形的彎曲半徑，將該曲率半徑作為目標(biāo)函數(shù)，采用遺傳優(yōu)化算法，對(duì)激光成形的工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化求解。曲率半徑的優(yōu)化模型如下：目標(biāo)函數(shù)：約束條件：T(P,D,V)max