鈦合金板料激光噴丸成形工藝研究

激光噴丸成形是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，涉及到激光的工藝參數(shù)和板料幾何尺寸等眾多因素，若對(duì)每一種影響因素都進(jìn)行試驗(yàn)研究和驗(yàn)證，不僅試驗(yàn)費(fèi)用高，工作量大，各種因素之間的相互影響和關(guān)系很難在同一個(gè)試驗(yàn)中得以體現(xiàn)，而且板料發(fā)生復(fù)雜的瞬時(shí)動(dòng)態(tài)響應(yīng)，用試驗(yàn)方法監(jiān)控和觀測(cè)在材料中產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)應(yīng)力波、殘余應(yīng)力場(chǎng)以及板料的整個(gè)變形過(guò)程顯得非常困難。本文采用ABAQUS軟件對(duì)金屬板料激光噴丸成形過(guò)程進(jìn)行有限元模擬，建立激光噴丸成形有限元模擬的模型，對(duì)板料模型的選取、網(wǎng)格劃分、激光沖擊波加載和加載路徑等進(jìn)行了研究，通過(guò)對(duì)激光噴丸成形的有限元模擬，增強(qiáng)成形效果的可預(yù)見(jiàn)性。模型建立本試驗(yàn)中建立一個(gè)長(zhǎng)150mm、寬30mm和厚度為1mm的長(zhǎng)方體板料，對(duì)于有限元模擬來(lái)講，網(wǎng)格的劃分至關(guān)重要。在ABAQUS中的模擬因?yàn)橐鼓Ｐ桶l(fā)生變形，所以網(wǎng)格劃分比較密，因此采用三角網(wǎng)格的劃分，這樣可以更加精確地顯示所發(fā)生的變形量。首先選擇三角網(wǎng)格的劃分，如圖1所示。本次模擬中設(shè)定沖擊波持續(xù)時(shí)間為70ns，選用激光脈沖能量25J，光斑直徑5mm，波長(zhǎng)為1.06μm。單道V形數(shù)值模擬與分析激光噴丸誘導(dǎo)的沖擊波峰值壓力增加，從而導(dǎo)致殘余應(yīng)力場(chǎng)的大小和深度發(fā)生變化。為此在其他參數(shù)相同的條件下，取沖擊波壓力為8GPa、12GPa的脈沖激光，對(duì)尺寸為150mm×30mm×1mm的Ti-6Al4V鈦合金試樣進(jìn)行激光噴丸成形模擬。這里采用最簡(jiǎn)單的噴丸軌跡，即在板料的中心區(qū)進(jìn)行一直線的噴丸。圖2、圖3所示為激光噴丸后最終得到的板料變形圖。由圖2、圖3可以看出，隨應(yīng)力波強(qiáng)度的增加，板料變形量增大，這是因?yàn)殡S著應(yīng)力波強(qiáng)度的增加，板料表面受力增大，隨之變形量也增大。板料激光噴丸后，板料沿長(zhǎng)度方向向上彎曲變形，從板料變形云圖上可清楚地看出，板料的塑性變形主要集中在激光沖擊區(qū)域，而沖擊區(qū)域外的地方繞軸線轉(zhuǎn)動(dòng)，試樣變形輪廓呈“V”形，這與預(yù)想的結(jié)果是一致的，說(shuō)明所建立的數(shù)值模擬模型是合理的。噴丸路徑不同對(duì)變形的影響

單道V形板成形是為了選擇更好的成形條件，為做更復(fù)雜的成形奠定基礎(chǔ)。在單道的基礎(chǔ)上，建立一個(gè)長(zhǎng)150mm、寬30mm和厚度為1mm的長(zhǎng)方體板料，做三道成形，以形成一定曲率的弧形。利用相同激光參數(shù)，對(duì)三塊Ti-6Al-4V鈦合金試樣分別進(jìn)行不同覆蓋率的噴丸成形模擬，這里就涉及到如何合理安排噴丸路徑，按從左向右依次分為1、2、3道（見(jiàn)圖4）?？偣灿腥N順序1-2-3、2-3-1和1-3-2，不同順序成形的效果也不一樣，如圖5～圖7所示。

由圖5～圖7可以看出，板料激光噴丸后，變得向下凸起，變形主要以橫向變形為主，兼有一定的縱向變形，呈雙曲率形，這是因?yàn)榻?jīng)過(guò)多道噴丸后，繞寬度方向上軸線的彎矩加大，所以板料在寬度方向的變形比單道噴丸時(shí)大得多，變形量最大處在試樣中心。

可以看到，按1-2-3順序噴丸成形后效果不是很好，雖然變形量達(dá)到2.48mm，但只有中間噴丸部分成形較明顯，沒(méi)有達(dá)到整塊板成形。噴丸次序?yàn)?-3-1情況下最大變形量達(dá)到2.8mm，成形效果與前者差不多。噴丸次序?yàn)?-3-2的最大變形量為3.8mm，成形最接近理想效果，所以在此噴丸次序下成形效果最好。典型形狀的成形模擬在做完簡(jiǎn)單的二維成形后，可以研究稍微復(fù)雜一些的三維成形，這里選擇用方板做球面成形，主要研究的是噴丸軌跡對(duì)成形的影響，首先對(duì)比的是十字和米字形，如圖8、圖9所示。

模擬結(jié)果表明，隨著激光噴丸覆蓋率的增加，板料的彎曲變形面積在增大，彎曲弧度也在增加，變形也更規(guī)則，成形效果比較好。因?yàn)槊鬃中螄娡韪采w率更廣，使板的受力更均勻，所以成形之后的形狀更規(guī)則如傘狀。通過(guò)以上模擬研究表明，選擇不同的激光噴丸區(qū)域，就可以使板料呈不同的形狀，具有極大的柔性，在實(shí)際加工中，可根據(jù)前述有關(guān)變形理論和數(shù)值模擬方法，預(yù)先設(shè)計(jì)出合理的分布方式，然后確定激光噴丸軌跡和工藝參數(shù)，最后對(duì)板料實(shí)施激光噴丸以得到所需板料形狀。結(jié)語(yǔ)

通過(guò)ABAQUS軟件對(duì)激光噴丸成形過(guò)程的試驗(yàn)?zāi)M，并且對(duì)模擬得到的結(jié)果進(jìn)行分析可知，激光加載壓力的不同、噴丸路徑的不同以及板料的形狀對(duì)板料的變形都是有影響的。隨著激光加載壓力的增加，變形也隨之增大。噴丸次數(shù)越多，變形越大；噴丸路徑越多，變形的形狀也不同。所以板料成形條件不是一定的，要不斷地修改，