U形高筋整體壁板激光誘導(dǎo)精密成形實(shí)驗(yàn)研究

李彩玲，賴小明，王博，張玉良，崔超，沈曉宇，王少華，付守沖，王偉

（1.北京衛(wèi)星制造廠有限公司，北京 100194；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)，哈爾濱 150001）

U形高筋整體壁板為航天用單件研制產(chǎn)品，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為小圓角彎曲。該結(jié)構(gòu)無(wú)法采用傳統(tǒng)的滾彎成形技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)成形，且傳統(tǒng)的壓彎成形技術(shù)需要多套成形模具，存在成本高、效率低、回彈控制難度大、成形精度難以控制等問(wèn)題，因此，亟需一種無(wú)模柔性成形技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)U形高筋整體壁板的精密成形。

激光誘導(dǎo)成形[1]是利用高能激光束掃描板材表面來(lái)實(shí)現(xiàn)板材可控塑形變形的一種新型柔性無(wú)模成形加工方法。該成形方法的特點(diǎn)之一是無(wú)模成形，大大縮短了產(chǎn)品研制周期，降低了產(chǎn)品研制成本；特點(diǎn)之二是柔性成形，特別適用于結(jié)構(gòu)多樣化、單件小批量產(chǎn)品的研制；特點(diǎn)之三是非接觸式成形，零件在成形過(guò)程中不受外力作用，因此所成形零件無(wú)回彈現(xiàn)象，成形精度高[2—3]。綜上所述，激光誘導(dǎo)成形能解決傳統(tǒng)壓彎成形方法存在的問(wèn)題[4—8]。

文中首先對(duì) U形高筋整體壁板的特點(diǎn)進(jìn)行分析，初步制定成形掃描策略，然后采用幾何分析方法計(jì)算不同掃描位置成形后的理論變形量，并根據(jù)理論變形量進(jìn)行掃描策略[9—12]和成形工藝參數(shù)優(yōu)化研究[13—16]，隨后開(kāi)展實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證研究。該研究對(duì)激光誘導(dǎo)成形在航天器制造領(lǐng)域的推廣應(yīng)用具有實(shí)際指導(dǎo)意義。

1 實(shí)驗(yàn)方案

1.1 U形高筋整體壁板結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

U形高筋整體壁板結(jié)構(gòu)示意見(jiàn)圖1，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)如下所述。

1）內(nèi)彎曲半徑為98 mm，為小圓角彎曲，成形難度大。

3）蒙皮厚度為5 mm。

4）彎曲部位（即激光誘導(dǎo)區(qū)域）無(wú)筋條。

圖1 U形高筋整體壁板結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Diagram for structure of U-shaped high-stiffener integral panel

1.2 U形高筋整體壁板彎曲角度計(jì)算

對(duì)于一定長(zhǎng)度的板材，通過(guò)計(jì)算彎曲的弧形圓心角度α，來(lái)確定掃描路徑條數(shù)和相鄰兩份的相對(duì)彎曲角度。如果將板材沿長(zhǎng)度方向平均分割為2份（即在正中間只布置一條掃描路徑），則相鄰兩份的相對(duì)的彎曲角度為α/2，掃描路徑數(shù)為1條；如果平均分割為4份，則相鄰兩份的相對(duì)彎曲角度為α/4，掃描路徑數(shù)為3條；如果平均分割為n份，則相鄰兩份的相對(duì)彎曲角度為α/n，掃描路徑數(shù)為n-1條。

相鄰兩份的相對(duì)彎曲角度的一般規(guī)律見(jiàn)圖2。當(dāng)相鄰兩份的弧形圓心角度分別為α和β時(shí)，則相鄰兩份的相對(duì)彎曲角度為兩份分割段圓心角半角之和，如式(1)所示。

式中：αrel為相鄰兩份的相對(duì)彎曲角度；α,β為弧形圓心角。

圖2 相鄰兩份的相對(duì)彎曲角度Fig.2 Two adjacent relative bending angles

U形高筋整體壁板成形彎曲內(nèi)徑為R=98 mm，成形區(qū)域的周長(zhǎng)為L(zhǎng)=πR/2=154 mm。若成形板材周向長(zhǎng)度為L(zhǎng)1，則成形后彎曲件的圓心角度為α=2π×L1/154（rad），根據(jù)彎曲件的成形圓心角度，可以將板材平均分為n（奇數(shù)份、偶數(shù)份結(jié)果都一樣）份，則相鄰部分的相對(duì)彎曲角度為α/n，掃描線數(shù)為n-1。

將長(zhǎng)度為L(zhǎng)1的板材平均分為n份，則相鄰部分的相對(duì)彎曲角度（采用弧度制）為：

每份的長(zhǎng)度（即相鄰掃描線的間距）為：

播種至出苗前一般不澆水，子葉展平，根系沒(méi)有露出育苗營(yíng)養(yǎng)塊前，控制育苗營(yíng)養(yǎng)塊表面見(jiàn)干見(jiàn)濕，根系露出育苗營(yíng)養(yǎng)塊表面時(shí)，要保證育苗營(yíng)養(yǎng)塊表面濕潤(rùn)狀態(tài)，防止根系受到損傷。育苗期間應(yīng)根據(jù)育苗營(yíng)養(yǎng)塊體和幼苗葉片的缺水情況，適時(shí)補(bǔ)足水分，避免缺水燒苗，澆水從塊間隙注入，注水要在晴天上午進(jìn)行，隨著溫度回升，甜瓜秧苗的生長(zhǎng)，注水量可逐漸增加，定植前1～2天停止供水，進(jìn)行幼苗鍛煉。

掃描線數(shù)為n-1。

1.3 均勻分割板材時(shí)不同掃描道數(shù)板材的彎曲角度計(jì)算

激光誘導(dǎo)成形為多道次掃描累計(jì)變形，因此需要計(jì)算出均勻分割板材時(shí)不同掃描道數(shù)板材的彎曲角度。如圖3所示，將板材平均分割為不同的份數(shù)，不同掃描道數(shù)下的彎曲角度θn用Ln與板材初始平面的夾角來(lái)表示。其中Ln是最后一道掃描線到板材端部的直線距離，掃描的順序?yàn)閺挠抑磷?，因此Ln是最左側(cè)掃描線到板材端部的直線距離。

通過(guò)測(cè)量Ln及計(jì)算彎曲角度θn即可計(jì)算出板材端部在板材厚度方向增大的位移hn。

式中：hn為掃描n道時(shí)板材端部的位移，單位為mm；Cn為第n道掃描線（最后一道）至板材端部距離，單位為mm；θn為L(zhǎng)n與板材初始平面的夾角（采用弧度制），單位為rad；n為掃描次數(shù)，最后一道掃描線。

圖3 不同掃描道數(shù)板材的彎曲角度Fig.3 Bending angles of plates with different scanning channel numbers

以此類推，第n道掃描線與板材自由端連線的長(zhǎng)度為：

1.4 成形掃描策略及工藝參數(shù)優(yōu)化方案

1）工藝參數(shù)不變，連續(xù)掃描次數(shù)不同的掃描策略。根據(jù)變形計(jì)算結(jié)果及前期研究成果，在功率P=1500 W，掃描速度為v=50 mm/s，連續(xù)掃描次數(shù)分別為3,4,5,8次的工藝參數(shù)下進(jìn)行試驗(yàn)件成形精度研究。

2）連續(xù)掃描次數(shù)不變，變工藝參數(shù)的掃描策略。變工藝參數(shù)策略為：連續(xù)掃描次數(shù)均為3次，掃描速度均為v=50 mm/s，功率P分別選為1500,1600,1800,2000 W，對(duì)其進(jìn)行試驗(yàn)件成形精度研究。

2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)成形掃描策略及工藝參數(shù)優(yōu)化方案，文中針對(duì)U形高筋整體壁板進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。

工藝參數(shù)不變的情況下，通過(guò)改變連續(xù)掃描次數(shù)進(jìn)行研究。得知，隨著掃描次數(shù)的增加，變形量也隨之增大，但是掃描次數(shù)超過(guò)4次時(shí)，零件表面出現(xiàn)燒傷現(xiàn)象，并且隨著掃描次數(shù)的增加，燒傷程度增加；隨著掃描次數(shù)的增加彎曲角度亦隨之增加，因此可通過(guò)控制掃描次數(shù)，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)激光誘導(dǎo)成形零件表面質(zhì)量和尺寸精度的控制。

掃描次數(shù)和掃描速度保持不變的情況下，通過(guò)改變輸入功率進(jìn)行研究。研究結(jié)果顯示，隨著功率的增加，零件變形量增大，但功率增大到1600 W時(shí)，表面開(kāi)始出現(xiàn)燒傷現(xiàn)象，并且隨著功率的增大，燒傷程度增加，因此可通過(guò)控制成形輸入功率的大小，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)激光誘導(dǎo)成形零件表面質(zhì)量和尺寸精度的控制。

經(jīng)研究，功率P=1500 W、掃描速度v=50 mm/s、掃描次數(shù)為3次時(shí)，成形效果最好。

采用優(yōu)化后的掃描策略和工藝參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)，并采用在線可視化測(cè)量手段，對(duì) U形高筋壁板的變形量進(jìn)行了測(cè)量，測(cè)量結(jié)果見(jiàn)圖4。由圖4可知，成形后彎曲半徑實(shí)測(cè)值為98.316 mm，經(jīng)計(jì)算實(shí)測(cè)值與理論值偏差為0.3%，符合鈑金成形C級(jí)公差的要求，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品的精密成形，產(chǎn)品實(shí)例見(jiàn)圖5。

圖4 可視化測(cè)量Fig.4 Visual measurement

圖5 產(chǎn)品實(shí)例Fig.5 Product examples

3 結(jié)論

通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)掃描道次數(shù)和激光器功率大小對(duì)U形高筋整體壁板成形精度影響規(guī)律如下所述。

1）在工藝參數(shù)保持不變的情況下，隨著掃描次數(shù)的增加，變形量也隨之增大，但是掃描次數(shù)過(guò)多，零件表面出現(xiàn)燒傷現(xiàn)象，因此掃描次數(shù)的選擇和控制對(duì)激光誘導(dǎo)成形精度有很大的影響。

2）掃描次數(shù)和掃描速度保持不變的情況下，隨著功率的增加，零件變形量增大且表面出現(xiàn)燒傷現(xiàn)象，因此激光誘導(dǎo)功率大小對(duì)激光誘導(dǎo)成形精度影響很大。

3）在掃描策略和工藝參數(shù)的優(yōu)化下，實(shí)現(xiàn)了 U形高筋整體壁板的高精密成形。