U形高筋整體壁板激光誘導精密成形實驗研究

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，哈爾濱 150001）

U形高筋整體壁板為航天用單件研制產品，其結構特點為小圓角彎曲。該結構無法采用傳統的滾彎成形技術來實現成形，且傳統的壓彎成形技術需要多套成形模具，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題，因此，亟需一種無模柔性成形技術來實現U形高筋整體壁板的精密成形。

激光誘導成形[1]是利用高能激光束掃描板材表面來實現板材可控塑形變形的一種新型柔性無模成形加工方法。該成形方法的特點之一是無模成形，大大縮短了產品研制周期，降低了產品研制成本；特點之二是柔性成形，特別適用于結構多樣化、單件小批量產品的研制；特點之三是非接觸式成形，零件在成形過程中不受外力作用，因此所成形零件無回彈現象，成形精度高[2—3]。綜上所述，激光誘導成形能解決傳統壓彎成形方法存在的問題[4—8]。

文中首先對 U形高筋整體壁板的特點進行分析，初步制定成形掃描策略，然后采用幾何分析方法計算不同掃描位置成形后的理論變形量，并根據理論變形量進行掃描策略[9—12]和成形工藝參數優(yōu)化研究[13—16]，隨后開展實驗驗證研究。該研究對激光誘導成形在航天器制造領域的推廣應用具有實際指導意義。

1 實驗方案

1.1 U形高筋整體壁板結構特點

U形高筋整體壁板結構示意見圖1，其結構特點如下所述。

1）內彎曲半徑為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（即激光誘導區(qū)域）無筋條。

圖1 U形高筋整體壁板結構示意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算

對于一定長度的板材，通過計算彎曲的弧形圓心角度α，來確定掃描路徑條數和相鄰兩份的相對彎曲角度。如果將板材沿長度方向平均分割為2份（即在正中間只布置一條掃描路徑），則相鄰兩份的相對的彎曲角度為α/2，掃描路徑數為1條；如果平均分割為4份，則相鄰兩份的相對彎曲角度為α/4，掃描路徑數為3條；如果平均分割為n份，則相鄰兩份的相對彎曲角度為α/n，掃描路徑數為n-1條。

相鄰兩份的相對彎曲角度的一般規(guī)律見圖2。當相鄰兩份的弧形圓心角度分別為α和β時，則相鄰兩份的相對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為相鄰兩份的相對彎曲角度；α,β為弧形圓心角。

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

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

將長度為L1的板材平均分為n份，則相鄰部分的相對彎曲角度（采用弧度制）為：

每份的長度（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，根系沒有露出育苗營養(yǎng)塊前，控制育苗營養(yǎng)塊表面見干見濕，根系露出育苗營養(yǎng)塊表面時，要保證育苗營養(yǎng)塊表面濕潤狀態(tài)，防止根系受到損傷。育苗期間應根據育苗營養(yǎng)塊體和幼苗葉片的缺水情況，適時補足水分，避免缺水燒苗，澆水從塊間隙注入，注水要在晴天上午進行，隨著溫度回升，甜瓜秧苗的生長，注水量可逐漸增加，定植前1～2天停止供水，進行幼苗鍛煉。

掃描線數為n-1。

1.3 均勻分割板材時不同掃描道數板材的彎曲角度計算

激光誘導成形為多道次掃描累計變形，因此需要計算出均勻分割板材時不同掃描道數板材的彎曲角度。如圖3所示，將板材平均分割為不同的份數，不同掃描道數下的彎曲角度θn用Ln與板材初始平面的夾角來表示。其中Ln是最后一道掃描線到板材端部的直線距離，掃描的順序為從右至左，因此Ln是最左側掃描線到板材端部的直線距離。

通過測量Ln及計算彎曲角度θn即可計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Ln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，最后一道掃描線。

圖3 不同掃描道數板材的彎曲角度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度為：

1.4 成形掃描策略及工藝參數優(yōu)化方案

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

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

2 實驗驗證

根據成形掃描策略及工藝參數優(yōu)化方案，文中針對U形高筋整體壁板進行了實驗研究。

工藝參數不變的情況下，通過改變連續(xù)掃描次數進行研究。得知，隨著掃描次數的增加，變形量也隨之增大，但是掃描次數超過4次時，零件表面出現燒傷現象，并且隨著掃描次數的增加，燒傷程度增加；隨著掃描次數的增加彎曲角度亦隨之增加，因此可通過控制掃描次數，來實現對激光誘導成形零件表面質量和尺寸精度的控制。

掃描次數和掃描速度保持不變的情況下，通過改變輸入功率進行研究。研究結果顯示，隨著功率的增加，零件變形量增大，但功率增大到1600 W時，表面開始出現燒傷現象，并且隨著功率的增大，燒傷程度增加，因此可通過控制成形輸入功率的大小，來實現對激光誘導成形零件表面質量和尺寸精度的控制。

經研究，功率P=1500 W、掃描速度v=50 mm/s、掃描次數為3次時，成形效果最好。

采用優(yōu)化后的掃描策略和工藝參數進行試驗，并采用在線可視化測量手段，對 U形高筋壁板的變形量進行了測量，測量結果見圖4。由圖4可知，成形后彎曲半徑實測值為98.316 mm，經計算實測值與理論值偏差為0.3%，符合鈑金成形C級公差的要求，實現了產品的精密成形，產品實例見圖5。

圖4 可視化測量Fig.4 Visual measurement

圖5 產品實例Fig.5 Product examples

3 結論

通過實驗研究，發(fā)現掃描道次數和激光器功率大小對U形高筋整體壁板成形精度影響規(guī)律如下所述。

1）在工藝參數保持不變的情況下，隨著掃描次數的增加，變形量也隨之增大，但是掃描次數過多，零件表面出現燒傷現象，因此掃描次數的選擇和控制對激光誘導成形精度有很大的影響。

2）掃描次數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燒傷現象，因此激光誘導功率大小對激光誘導成形精度影響很大。

3）在掃描策略和工藝參數的優(yōu)化下，實現了 U形高筋整體壁板的高精密成形。