通过外力激光辅助改进钛和铝合金的板材弯曲回弹控制外文翻译资料

英语原文共 8 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

通过外力激光辅助改进钛和铝合金的板材弯曲回弹控制

A. Gisario a , M. Barletta b,n , S. Venettacci

摘要：本研究涉及2级CP钛和AA 7075 T6铝板的外力激光辅助弯曲工艺。通过调节液压驱动工具的接触压力，通过用大功率二极管激光器照射对弯曲区域进行局部和选择性加热，实现了高弯曲角，尖锐圆角半径和回弹控制。首先，研究了激光器的工作参数，即功率，扫描速度和通过次数，在金属弯曲中，允许识别最合适的加工窗口。第二，实现了在成型过程中测量弯曲角度的定制设备以及金属温度。实时监测弯曲角度和温度允许评估在外力激光辅助弯曲过程中金属基底的几何形状的连续演变。实验结果表明，通过适当地组合工具接触压力和弯曲区域的选择性激光加热，两个金属板可以弯曲成具有非常低的圆角半径的大角度。激光加热还降低了在大角度弯曲时两种金属中的断裂的风险，与常规弯曲工艺相比，将回弹程度限制在钛上的10倍和铝上的30倍，并且不显著影响弯曲区域的视觉外观。

1. 介绍

金属弯曲是一种常见的加工技术，广泛应用于许多制造领域，以平板生产非常简单的型材（即V形和U形）并使用廉价的模具。 Tekiner将金属弯曲定义为一般平面薄板或带状金属材料绕位于中性层平面和与基层长度方向正交轴线，发生的均匀变形。虽然概念简单，但金属弯曲通常是一个复杂的过程，特别是涉及到在加工脆性或难以弯曲或轻质材料如钛和铝合金 [2]。钛合金难以成形，因为它们的高抗变形性，差的延展性，大的各向异性以及加工过程中金相组织对于外界温度的高敏感性[3]。此外，诸如钛，铝和其它金属的塑性材料的弯曲总是受到回弹的严重影响，回弹的程度难以控制。回弹取决于几个并发因素，如杨氏模量，初始屈服应力，泊松系数，应变硬化指数以及冲头和模具轮廓半径，冲头和模具之间的间隙，冲头和片材之间的界面处的摩擦[4]。此外，钛和铝合金都具有高的屈服应力与弹性模量的比率，这常常与严重的回弹有关[5]。回弹可能导致几何尺寸公差，产生废料，并显著增加制造成本[6]。

回弹通常通过过度弯曲工件来补偿[7]。使用设计成考虑回弹的模具轮廓使工件过度弯曲。在弯曲过程结束时释放之后，工件恢复所施加的变形的一部分，从而符合几何规格。或者，回弹面对拉伸弯曲或压印，其中施加高拉伸张力或接触压力来迫使工件呈现模具形状的成形过程，从而使回弹为零[8-10]。然而，其中涉及非常高的应力的弯曲过程可能是有害的，因为它们可能有利于材料内部的断裂的发生，损害工件。减少回弹也可以依赖于模具、工件和工具的预热 [11-14]。加热提高了工件的可成形性，减小了工件弯曲所需的接触压力，并减少了材料弯曲后内部的残余应力。相反，加热需要复杂的装置并且可能价格高。加热控制可能非常麻烦，特别是当需要对工件中以及工具和模具表面上的温度分布进行最严格的控制时。此外，加热可显着改变材料的微观结构，使工件的机械和物理性能恶化。激光加热在形成过程中作为控制回弹的可行路线[2,15-17]。激光成形不依赖于接触压力的应用。它是一种非接触技术，通用且易于执行。因此，回弹是最小的。激光成形适用于难弯曲材料，包括脆性和反应性材料，如钛和镍合金或陶瓷。然而，激光成形难以控制。激光设备可能是昂贵的，特别是高功率设备。因此，激光设备通常与常规工具或工具模具系统一起参与混合成形系统[18-24]。外力激光辅助薄板弯曲可受益于弯曲区域的激光辐射的局部和选择性加热。该技术不需要复杂的加热装置和探测系统来控制工具和模具或工件的难以到达区域中的温度。因此，通过弯曲区域的温度的局部升高改善了被照射材料的成形性。工具必须施加在工件上以获得期望形状的接触压力显著减小。加工装置和工件在加工期间承受较低的负载。接口处的摩擦也较低，外力激光辅助板材弯曲因此具有很大的潜力。

因此，提出了一种外力激光辅助弯曲工艺，用于弯曲2级CP钛和AA 7075 T6铝板。研究了气动工具接触压力的调整以及通过用大功率二极管激光器照射局部和选择性地加热弯曲区域，以获得具有高弯曲角度，尖锐圆角半径和可忽略回弹的工件。研究激光功率，扫描速度和通过次数以及接触压力以确定最合适的加工窗口。还开发了在成型期间用于执行弯曲角度和在线测量的定制装置。用这种方式，可以测量在外力激光辅助弯曲过程期间金属基板的几何形状的连续演变情况。实验发现钛和铝板可以通过适当地组合工具接触压力和弯曲区域的激光加热而弯曲成大角度形状，具有非常低的圆角半径和最小回弹。还发现激光加热在高角度弯曲期间能够阻止两种金属板断裂的发生，与常规弯曲工艺相比也更大地限制回弹程度。

1. 实验
   1. 材料与设备

钛2级CP和铝AA 7075 T6平板，50times;70times;1 mm³，通过一个2times;1m ²精细冲裁。在激光加工之前，金属片在乙醇溶液和超声波浴中进行清洁。通过具有940nmplusmn;10nm的光束波长的大功率二极管激光源（ROFIN-SINAR，DL 015，Hamburg，Germany）实施激光加工。在激光照射期间，将氩气流引导到钛板上以防止氧化。大功率二极管激光器的光束轮廓具有矩形形状，在一个方向（慢轴）具有帽顶的轮廓，在另一个轴（快轴）具有高斯轮廓。光束轮廓与焦平面的交点形成椭圆。椭圆在焦平面中具有1.2mm的快轴（即平行于激光扫描图案的方向）和3.8mm的慢轴。由于来自单个二极管激光器的发射限于窄结区（1-2mm），所以光的衍射导致在垂直于发射线的方向上的35-45°半角有大的光束发散（“高斯”或快轴）和在平行于发射线（“慢”轴）的方向上的5-10°半角光束发散。透镜的焦距为63mm，工作距离为32mm。

通过定制的装置夹紧工​​件，来执行金属片的外力激光辅助弯曲。定制的设备又被锁定在1轴CNC运动系统上。 CNC系统根据规定的扫描模式以恒定速度控制金属板的激光照射。定制装置的运动取决于形状可变的四边形，其顶侧测量为30mm（白色粗线）（图1）和气动活塞（Bosch，Gerlingen Germany）。该系统由气动装置推动，该气动装置触发活塞的伸出和缩回。活塞推动通过可变形四边形的几何形状在作用于片材的弯曲轴线（图1）的弯曲扭矩中转换。可变形四边形的几何形状可以确保弯曲轴在激光照射期间是静态的。以这种方式，激光束在沿着扫描图案（即弯曲方向）的聚焦条件下工作，确保在激光照射期间传递到钛表面的功率恒定。扫描图案位于图1中50times;5mm ²的钛板的绿色区域的中间。间隙宽度足够宽（5mm）以包含3.8mm的椭圆形激光光斑的长轴。定制的装置还在弯曲测试期间固定钛板。通过两个原料塞来确保板材的锁定，所述原料塞将工件保持在背衬上并且允许传递弯曲力矩。气动活塞可在市场购买，并且在1-10巴的范围内的空气压力下工作。活塞具有铝框架，杆直径为20mm，回缩力为137N，并且在6巴压力下的拉伸力为164N。活塞的最大行程为300mm。

• 1. 方法

在外力激光辅助弯曲试验期间，涉及以下程序：（i）片材的测量;（ii）通过溶剂清洁片材以消除污染物，并避免激光吸收带来的任何影响;（iii）将片材装载在定制的弯曲装置上；（iv）在8巴的恒定压力下接通空气压缩机;（v）将激光束聚焦在片材表面上并设置操作参数;（vi）弯曲和激光扫描图案的排列; （vii）安全控制和弯曲试验运行;（viii）解除实验装置的驱动部分;（ix）冷却实验装置和工件;（x）取下用于特性测试的工件。

表1总结了激光器操作参数的设置，即扫描速度、激光功率和钛、铝的通过次数。制定了完整的子实验计划。实验变量激光功率分别在钛和铝合金的三个和四个实验水平上变化。实验变量扫描速度和通过次数在两个金属上在两个实验水平上变化。对于钛和铝合金分别进行总共12次和16次测试，重复两次（24和32次测试）。将测试重复两次是为了确保实验结果的可复制性和可重复性。在室温下对工件进行弯曲试验。

执行初步弯曲测试以识别激光器操作参数的最佳设置。在规定范围之外的激光器操作参数（表1）导致激光贡献无效或侵蚀性太大的弯曲过程，损害金属表面。在激光加工期间，气动活塞的力对应于8巴的压力下设定为220N，低于钛板和铝板的塑性场中开始变形所需的负载。因此，单独的活塞的接触压力不能足以在不通过激光照射加热的情况下在工件中引起塑性变形。然而，当通过多次激光通过加热金属片时，它们的初始屈服强度可能降低。由工具施加的弯曲扭矩变得足以使金属以大角度弯曲。为了管理随后的激光通过，1轴CNC运动系统沿着规定的模式驱动激光头。图案为60mm长，即比片材宽度大10mm。激光光斑在最近的片材边缘之前5mm处开始其规定的轨迹。然后，它移动通过工件，在最远（相对）的纸张边缘后5毫米处停止。之后，激光头的运动被反转，驱动激光光斑沿着其路径回到起点。对每次激光行程，重复该过程。

• 1. 测量

为了测量弯曲角度，实现了定制的测量链。链条设计成允许实时测量弯曲角度，但也用于评估回弹（即，在释放工具接触压力和激光器关闭之后）。测量装置由两个角度电位计（即，一个用于弯曲装置的一边）组成。角电位计（Bourns，Inc.，Riverside，CA，美国）的特征在于旋转角为240plusmn;6°，功率为2W，电阻为10kOmega;。电位器直接夹在弯曲装置的框架上，以评估在弯曲过程中钛板的每一侧的位移。为了存储实验数据，选择具有最大电压为5V，精度为5mV和非线性低于0.5％的Arduino型微控制器。写入PLX-DAQ中的宏来收集实验数据。最后，通过专业测角仪的测量链的校准确保了最大精度和装置的准确度（即，0.1V /°的灵敏度）。

在弯曲期间工件温度的在线测量通过K Chromel-Alumel热电偶和数字温度计（54IIB，Fluke，Everett，WA，United States of America）进行，数据存储频率为1Hz，精度为 0.3℃，分辨率为0.1℃。 软件FlukeView Forms 3.6用于数据收集。

通过坐标测量机（DEA HEXAGON Global Classic 05.05.05，Cobham，United Kingdom）进行片材的尺寸测量。通过以1.25mm的分辨率存储在表面上等间隔的11个弯曲轮廓来测量片材的形状（图3）。弯曲轮廓由三段组成：两个线性分支和在轮廓顶部的弯曲。弯曲轮廓的数学描述提供了圆角半径（即，在该轮廓的顶部处的V形弯曲的曲率半径）和弯曲角度（即，通过弯曲曲线的两个直线分支交叉形成的角度）的估计。通过平均11个轮廓的实验数据计算圆角半径和弯曲角。然而，在外力激光辅助弯曲之后未能实现可接受的表面状态的样品不纳入统计。在由激光器产生的可见局部变形的情况下，即工件边缘的局部变形，金属的局部化，孔的形成或熔融材料侧面激光扫描图案的聚集，认为表面严重受损。

最后，对实验因子弯曲角进行方差分析（ANOVA，置信区间为0.05）。 实施VAriance分析（ANOVA）以建立操作参数和它们的实验水平对实验因子弯曲角度的关系。

1. 结果与讨论
   1. 弯曲过程的分析

通过外力激光辅助弯曲工艺成形钛和铝板。通过液压驱动工具施加在片材上的接触压力与通过激光照射的弯曲区域的加热同时进行。因此，实现了近似V形（图3），其中V顶点朝向与施加接触压力相同的方向，即与激光照射的方向相反。弯曲的质量也非常高，没有显示出实质性的损坏或热变化（图3）。表2和3总结了分别改变钛和铝板上的操作参数而获得的弯曲角和圆角半径。

由坐标测量机离线测量的弯曲角度与激光器操作参数（即激光功率，扫描

速度和通过次数）的趋势在图1和图2中呈现。 4和5分别用于钛和铝板。可实现的弯曲角度对于钛从超过80°到约140°（即，由弯曲装置施加的行程极限）变化，对于铝从约90°到约140°变化。传递到金属片的较高的通量或辐照度导致较高的弯曲角。关于钛板，将激光功率设置为475W，通过次数设置为12，则8和10mm / s的扫描速度都允许实现140°阈值。 400或325W的激光功率在12次通过后允许约100-120°的弯曲角。无论其他操作参数的设置如何，都不能通过6个通道实现140°阈值。在六次通过之后，所得到的弯曲角度的大部分在90-110°的范围内。就铝板而言，激光功率为350-450瓦，扫描速度为6和10毫米/秒，允许12次通过后的弯曲角度在130-140度范围内。在激光功率450W，12次通过，以及激光功率400W以及最慢的扫描速下，都完全达到了140°的阈值。无论其他操作参数的设置如何，都不能通过六次通过实现140°阈值。在六次通过之后，大多数弯曲角度在90-110°的范围内。然而，通过将功率设置为用于扫描速度的450W或者以最低扫描速度的400W，可以实现大角度（＞130°）。加工钛和铝的操作参数的设置之间的差异可归咎于金属可成形性以及两种金属的热性质和它们在近红外区域中的吸收系数。铝具有高导热性和在近处对激光辐射的非常差的吸收性。

表4和5报告了钛和铝合金的弯曲角的方差的分析。 ANOVA表总结了激光功率、通过次数和扫描速度及其相互作用的Fisher因子。弯曲角度的变化与每个实验因素的设置有关，其中功率和速度是钛合金（F因子分别为约750和210）的最有影响力的两个因素，并且功率和通过次数是铝合金的最有影响力的因素（F因子分别为约160和290）。ANOVA证实，在钛合金的情况下，因素之间的相互作用对实验输出的变化没有显著作用，Fisher因子非常低（＜2）并远低于列出的其他因素。相比之下，在铝合金的情况下，因素之间的相互作用确实具有不可忽略的贡献，尽管它们的贡献百分比也相当低（＜10％）。

• 1. 弯曲机理分析

图6报告了处理期间钛和铝片的温度分布（通过热电偶测量）。 在图6中，两种金属都用设定为300W的激光功率，6mm

剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

资料编号：[140680]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word