激光板料成形技术的研究与应用
——激光热应力成形与激光冲击成形
摘要：
激光加工技术是利用激光束与物质相互作用的特性对金属或非金属材料进行切割、焊接、表面处理、打孔以及微加工等的一门加工技术。随着激光技术的发展，特别是大功率工业激光器制造技术的日益成熟，激光作为一种“万能”工具，已应用于材料的切割、焊接、弯曲变形和表面改性处理等领域，其中板料激光成形技术已较为成熟，广泛应用于各种碳钢、不锈钢、合金有色金属以及金属基复合材料的弯曲成形，替代了部分零件的冲压工业。金属板料激光成形技术是近年来出现的一种先进柔性加工技术。金属板料成形作为薄板直接投入消费前的主要深加工方法，已在整个国民经济中占有十分重要的地位，广泛应用于航空航天、船舶工业、汽车覆盖件、家电等生产行业。传统的金属板料加工方法主要用模具在压力机上进行冷冲压成形，其生产效率高，适用于大批量生产。随着市场竞争的日趋激烈，产品的更新换代速度日益迅速，原有的采用模具加工的技术就表现出生产准备时间长，加工柔性差，模具费用大，制造成本高等缺陷，且模具冷冲压成形仅适用于低碳钢、铝合金以及铜等塑性较好的材料，其适用范围有限。为此国内外许多学者致力于板料塑性成形新技术的研究，实现金属板料的快速高效、柔性冲压和无模成形，以适应现代制造业产品快速更新的市场需要。本文介绍了激光热应力弯曲成形以及冲击成形的成形机理，分析了成形的主要因素，并对这两种成形技术的未来做出展望。
关键词：激光技术、板料成形、热应力弯曲成形、冲击强化技术
一、激光弯曲成形技术
激光弯曲成形是一种新兴的塑性加工方法，具有高效、柔性、洁净等特点。它是基于材料的热胀冷缩特性，利用高能激光束扫描金属板料表面时形成的非均匀温度场导致的热应力来实现塑性变形的工艺方法。与传统的金属成形工艺相比，它不需模具、不需外力，仅仅通过优化激光加工工艺、精确控制热作用区内的温度分布，从而获得合理的热应力分布，使板料最终实现无模成形。激光束的大小和能量精确可控，特别适用于冷加工难以成形的硬且脆，或刚性大的材料，比如陶瓷、钛合金等。
1、激光弯曲成形基本原理：
板材激光弯曲成形是近年来出现的一种板材柔性成形方法，究其根源，可以追溯到上百年前的火工矫形。它的基本原理是，在基于材料的热胀冷缩特性上，利用高能激光束扫描金属板材表面，通过对金属板材表面的不均匀加热，照射区域内厚度方向上会产生强烈的温度梯度，从而引起非均匀分布的热应力[6]。当这一热应力超过了材料相应温度条件下的屈服极限，就会使板材产生所需要的弯曲变形，激光弯曲成形的装置示意图如图1所示[7]。激光弯曲成形实际上就是这样一种基于材料的热胀冷缩特性、用热应力代替机械载荷的板料无模成形技术。
2、激光弯曲成形过程：
待成形板料的表面受到高度聚焦的激光束照射，当光束以确定的速度沿预定的轨迹扫描时，被照射的各部位依次经历加热和冷却两个阶段，在其内部产生相应的应力，从而产生塑性变形，加热阶段产生反向弯曲，冷却阶段将产生正向弯曲，正反向弯曲变形的角度差即为激光束一次扫描所形成的角度。
(1)加热阶段
板料上表面受到能量密度很高的激光束照射，使得被照射部位的温度在极短时间内急剧上升；而远离上表面处的材料由于没有受到照射，其温度在这一短暂的时间内没有明显的变化，从而使被照射部位沿板厚方向形成较大的温度梯度。由于上表面处材料的温度很高，故其热膨胀量大而屈服极限低，因而在此不均匀
温度场产生的压应力的作用下，该处产生较大的塑性变形，形成材料堆积。下表面材料的温度低，屈服极限高，基本不产生或只产生很小的压缩塑性变形，板料上表面材料的膨胀量远远大于下表面，板料将产生反向弯曲。
(2)冷却阶段
激光束离开后，原来被照射的部位通过热传导进行自然散热冷却，或者在滞后于光斑某距离处用水流或气流沿照射轨迹加快冷却速度。当激光束离开后，上表面处于高温区材料的热量迅速向其它各方向传导，以达到热平衡状态。此过程
中，上表面附近材料的温度很快降低而下表面处的温度还要继续升高一段时间。反映在变形上，上表面的材料已开始冷缩时，下表面处的材料还要继续热胀。板料下表面材料的膨胀量远远大于上表面，板料将产生正向弯曲。
3、激光弯曲成形特点
激光弯曲成形技术是通过各项参数的优化来精确控制板料的弯曲程度，它具有传统的塑性成形方法无可比拟的优点。
1）采用激光源作为成形工具，无需任何形式的外力，因其是一种仅靠热应力而不用模具使板料变形的塑性加工方法，属于无外力成形。
2）属于无模成形，生产周期短，柔性大，可不受加工环境限制，通过优化激光加工工艺参数，精确控制热作用区域以及热应力的分布，将板料无模成形。因不受模具限制，可容易的复合成形和制作各类异形件，克服了传统的模具弯曲所带来的成本高和生产周期长的缺点。
3）加工过程中无外力接触，不存在模具制作、磨损和润滑等问题，也不存在贴膜、回弹现象，成形精度高，适用于精密仪器的制造。
4）激光弯曲属于热态累积成形，总的变形量由激光束的多次扫描累积而成，这就使得一些硬而脆的难变形材料（比如钛合金、陶瓷、铸铁等）的塑性加工易于进行，可用于许多特种合金和铸铁件的弯曲变形。
5）对激光模式无特殊要求，易于实现成形、切割、焊接等激光加工工的复合化，特别适用于大型单件及小批量生产。
6）可使板料通过复合成形得到形状复杂的异形件（如球形件、锥形件和抛物形件等）。
7）成型过程无噪声、无污染，属于清洁、绿色制造范畴，被加工材料消耗少、参数精
度控制和高度自动化等特性。
4、激光弯曲成形机理
板料激光弯曲成形是温度、组织转变、应力三方面相互作用的复杂过程。由于材料热物理性能的差异以及所采用的工艺参数的不同，都会导致不同的变形机理，有时往往会是几种机理的混合作用。
国内外学者对激光弯曲成形机理进行了大量的分析研究，提出了三种主要的成形机理，即温度梯度机理(Temperature gradient Mechanism)、屈曲机理(Buckling Mechanism)和增厚机理(Upsetting Mechanism)[10]。
1）温度梯度机理（TGM）
当激光功率较高，光斑直径较小的激光束照射工件表面，并沿一定的扫描路径进行快速扫描时，被激光直接照射的上表面温度瞬间急速上升，而未被直接照射的下表面由于热传导时间短，温度较低，此时在加热区厚度方向上产生了很大的温度梯度。这样便造成上表面热膨胀变形远远大于下表面，从而使板料绕扫描线产生背向激光束的反向弯曲，此时热膨胀区域的变形将受到周围冷态材料的约束，并且随着材料温度的升高，加热区材料的屈服强度不断下降，当由于热膨胀受约束而产生的压应力达到该温度下材料的屈服强度时，材料便发生塑性压缩变形。在加热阶段，上表面材料温度高热膨胀大，受到的约束应力也越大，同时温度较高造成屈服强度下降多，因而产生较大的塑性压缩变形，导致板料上表面出现材料的堆积。冷却阶段，上表面材料温度降低，体积开始收缩，但屈服强度升高，使加热受压时产生的材料堆积不能复原。同时，下表面则因热传导升温而开始膨胀，材料屈服强度降低而易于变形，使板料绕扫描线产生面向激光束的正向弯曲。正反向弯曲变形的角度差，便是激光扫描一次形成的弯曲角。如果激光束的扫描沿同一路径反复进行，则可得到任意角度的弯曲件。
2）屈曲机理
当激光束的光斑直径较大、功率较高、板料较薄、热传导率较高时，板料正面首先被加热，受热材料先于背面发生膨胀，使板料产生较小的反向弯曲变形。而在加热区域内，厚度方向的温度梯度很小，周围冷态材料的约束使加热区产生很大的压应力，同时，由于温度的升高引起材料屈服应力大大降低，结果导致加热区材料发生屈曲。由于屈曲发生前工件存在较小的反向弯曲，使下表面压应力稍大于上表面，因此屈曲区中心下表面材料首先发生塑性压缩变形。反向屈曲变形的产生使上表面受到很大的拉应力，因而产生塑性拉伸变形。随着激光扫描的继续，扫描路径上其他材料陆续发生屈曲变形[11]。冷却时，虽然上下面都产生横向收缩，但下表面最终的横向收缩量仍大于上表面，最终得到绕扫描线的反向弯曲变形。
3）增厚机理
当激光束光斑直径接近于材料厚度，扫描速度较小，材料的热传导系数较大，同时板料不易发生屈曲变形，如厚板或刚性零部件等，可能发生增厚变形。板料在加热区域厚度方向温度梯度很小，材料在光斑周围的温度主要表现在平面方向。此时，由于加热区材料的热膨胀受到周围冷态材料的阻碍而形成较高的内部压应力，致使材料产生堆积。冷却过程中，材料堆积不能完全复原，从而产生板厚方向的正应变，被加热板料缩短，发生墩粗增厚。增厚的大小取决于材料的热膨胀系数和激光加工参数。
5、激光弯曲成形影响因素
a、激光工艺参数，主要包括激光功率、扫描速度、光斑直径、扫描路径、扫描次数、材料对激光的吸收系数等。
b、材料的性质，分为热物理性能和力学性能，包括材料的热膨胀系数、比热容、热扩散系数、密度、熔点、弹性模量、屈服应力、硬化指数、泊松比等。
c、板料的几何参数，主要是板料的宽度和厚度。
由于激光弯曲成形过程受许多因素影响，当材料确定之后，激光参数的选择对板料成形的效果起着决定性的作用。本文主要讨论激光的加工参数对成形弯曲角度的影响。
激光弯曲成形作为一种新兴的塑性加工方法，具有高效、柔性、洁净等特点。将激光成形技术用于钛合金板料成形，可充分发挥该技术的独特优势，在航空航天领域新品的研制中发挥重要作用。激光弯曲成形过程是一个极其复杂的热弹塑性力学过程，精确地了解整个变形过程中的温度、应力、应变及变形的发生、发展的动态行为，是一个很艰深的学术课题。因为材料的物理、力学参数几乎都是与温度有关的，这是一个高度非线性问题。利用有限元方法的最新成就，借助于高性能的计算机来分析激光成形过程的力学行为，定量地研究各个因素对成形质量的影响将是未来的主要方向。
1）激光功率的影响
在其它参数一定的情况下，弯曲角度随着激光扫描功率的增加而增大，这是因为随着功率的增加，激光作用的能量也随之增加。实质上，增加功率就是增加了单位面积内的能量密度，板料所吸收的能量也较高，导致板料上表面的加热区温度大幅度增加，而下表面的温度影响不大，由此产生了板料厚度方向上温度梯度增加，从而导致了局部的热应力增大，从而引起的弯曲力矩也随之增加，最终导致了弯曲角度的增大。但是扫描功率并不是可以无限增大，随着激光功率继续增加，照射部位的热影响区变大，从而使板料沿厚度方向的温度梯度减少，所以弯曲角度逐渐变小。
当激光功率增加到一定时，会对板料表面有烧灼的痕迹。如果继续增加功率，就转变成为激光焊接或切割，导致弯曲工艺失败。
2）扫描速度的影响
在其它参数一定的情况下，随着扫描速度的增大，弯曲角度反而变小，这是因为随着激光扫描速度的增大，光束在板料表面被照射区内的停留时间减小，板料被照射的区域在单位时间内获取的能量减少，导致板料厚度方向上温度梯度减小，板料的最终弯曲变形角度随之减小。
扫描速度继续增大，被照射处板料塑性变形更小，相对而言，板料的约束较大，加热阶段产生的塑性变形在冷却阶段得不到恢复，从而产生了背向激光束的弯曲，弯曲角度变小甚至是反向弯曲。
3）扫描次数的影响
由于一次激光扫描所能获得的弯曲角度较小，在实际的弯曲成形中，工件的最终变形通常由数次扫描累积而成。随着扫描次数的增加，弯曲角度不断增大，但分析不同功率下弯曲角度变化量随扫描次数变化的规律曲线，发现弯曲角度并不是随着扫描次数的增加呈线性增加。排除测量误差对实验数据的影响，起始扫描时，弯曲角度变化很大，当扫描次数增加时，其弯曲角度的变化量呈缩小趋势。这是因为刚开始板料局部被照射，热影响区范围较小，上表面吸收的能量来不及传导到下表面，因而厚度方向上产生较大的温度梯度，塑性变形程度较大，弯曲变形的角度增量较大；随着扫描次数的增加，一方面整个板料由于热传导作用都会受热升温，温度梯度变小，弯曲变形减小；另一方面扫描次数的增加直接导致板料增厚
现象明显，截面模量也随之增加，弯曲阻力增大，因而弯曲变形的角度增量也随之减小。
4）扫描策略的影响
激光成形不仅可以成形由平面V形弯曲构成的三维形状，合理地控制激光的扫描策略，可以成形复杂的曲面。扫描策略包括扫描的路径、扫描间距L和扫描时间间隔。
扫描路径决定了热输入在板料上产生的温度场分布，不同的扫描路径将会得到不同的温度场分布，产生的弯曲变形也不同。直线扫描得到的是V型弯曲，圆形线扫描可以得到球冠型的曲面。
扫描间距的大小决定了板料弯曲变形后的几何形状，因为激光弯曲成形时，存在热影响区，热影响区内的板料将发生塑性变形，我们把这个区域定义为变形区，它是以激光的扫描路径为中心的带状区域。显然，当扫描间距L大于变形区时，两次扫描路线之间有一段板料没有发生变形，保持板料原有的平面，而在变形区形成了棱边。当扫描间距L小于变形区时，两次扫描的变形区相互影响、相互叠加形成了光滑的曲面，曲面半径取决于L和光斑直径的大小，弯曲角度是每次扫描弯曲角度的简单叠加。
扫描时间间隔是指一次扫描完成后到下次扫描之间的间隔时间。弯曲角度随着扫描时间间隔的增加先增大后减小，这是因为在这段间隔时间里，热影响区将有一个冷却的过程，扫描时间间隔短，板料在一次扫描后来不及冷却紧接着接受二次扫描，板料整体温度较高，弯曲变形更加容易；扫描时间间隔长，随着热传导和冷却的作用，板料上下表面温度梯度明显下降，弯曲变形小。但过短的扫描间隔时间相当于对板料表面进行了回火处理，会降低板料的表面硬度。
二、激光冲击强化技术
激光冲击强化(Laser Shocking Peening , LSP)技术，也称激光喷丸技术。是通过高功率密度(GW/cm量级)、短脉冲(10～30ns量级)的激光通过透明约束层作用于金属表面所涂覆的能量吸收涂层时，涂层吸收激光能量迅速气化并几乎同时形成大量稠密的高温(＞10 K)、高压(＞1GPa)等离子体。该等离子体继续吸收激光能量急剧升温膨胀，然后爆炸形成高强度冲击波作用于金属表面。当冲击波的峰值压力超过材料的动态屈服强度时，材料发生塑性变形并在表层产生平行于材料表面的拉应力。激光作用结束后，由于冲击区域周围材料的反作用，其力学效应表现为材料表面获得较高的残余压应力。残余压应力会降低交变载荷中的拉应力水平，使平均应力水平下降，从而提高疲劳裂纹萌生寿命。同时残余压应力的存在，可引起裂纹的闭合效应，从而有效降低疲劳裂纹扩展的驱动力，延长疲劳裂纹扩展寿命。利用强激光束产生的等离子冲击波，提高金属材料的抗疲劳、耐磨损和抗腐蚀能力的一种高新技术。它具有非接触、无热影响区、可控性强以及强化效果显著等突出优点。涂层的作用主要是保护工件不被激光灼伤并增强对激光能量的吸收，目前常用的涂层材料有黑漆和铝箔等。
激光冲击强化技术和其它表面强化技术相比较，具有如下鲜明特点：（1）高压，冲击波的压力达到数GPa，乃至TPa量级，这是常规的机械加工难以达到的，例如，机械冲压的压力常在几十MPa至几百MPa之间；（2）高能，激光束单脉冲能量达到几十焦耳，峰值功率达到GW量级，在10～20ns内将光能转变成冲击波机械能，实现了能量的高效利用。并且由于激光器的重复频率只需几Hz以下，整个激光冲击系统的负荷仅仅30KW左右，是低能耗的加工方式；（3）超高应变率，冲击波作用时间仅仅几十纳秒，由于冲击波作用时间短，应变率达到 ,这比机械冲压高出10000倍，比爆
炸成形高出100倍。激光喷丸成形技术大约在.1965年首次提出，其基本原理是采用高频，高功率，短脉冲激光束冲击放于层流水中的表面涂有半透明烧蚀材料的工件表面，激光脉冲穿过层流水而被烧蚀层吸收并在层流水上产生等离子云，在10ns~100ns内等离子快速膨胀在工件表面上产生1Gp~10Gp的压力,并形成平面激波,从而使工件表层产生塑性变形.
与传统喷丸工艺相比,激光喷丸所产生的残余压应力值更大,残余压应力分布区距喷丸表面更深为传统喷丸的3~5倍。因此激光喷丸用于金属零件的表面强化，激光冲击强化可以大大提高零件抗疲劳及应力腐蚀的能力，用于薄壁零件的成形则可获得比传统喷丸更大的变形能力。用喷丸进行表面处理，打击力大，清理效果明显。但喷丸对薄板工件的处理，容易使工件变形，且钢丸打击到工件表面（无论抛丸或喷丸）使金属基材产生变形。
国内外的研究均表明，激光冲击强化对各种铝合金、镍基合金、不锈钢、钛合金、铸铁以及粉末冶金等均有良好的强化效果，除了在航空工业具有极好的应用前景外，在汽车制造、医疗卫生、海洋运输和核工业等都有潜在的应用价值。
金属板料激光冲击波成形涉及激光与材料的相互作用、冲击波传播及其对材料的加载机制、动态塑性成形理论以及冲压成形工艺等众多学科。受到激光器等硬件条件的制约，目前国内能开展激光冲击成形试验的研究机构尚且不多，并且试验费用也是不小的开支，而冲击成形又是一个极其复杂的过程，存在很多不确定性因素。以上原因大大限制了对于激光冲击成形技术的研究应用。在这种情形下，采用计算机数值模拟技术来获得板料变形与激波加载之间的规律不失为一种行之有效的方法。
激光喷丸成形也具有明显的局限性，如球面变形趋势、变形有限、限制条件苛刻、影响因素繁多等。然而喷丸成形优异的特点使人们不断寻求突破其局限性的新途径和新方法，不断挖掘喷丸成形技术内在潜力，持续满足以大中型客机复杂金属机翼整体壁板为代表、要求不断提高的构件成形与特殊使用性能要求。
参考文献
[1]张鹏,季忠,刘国强. 板材激光弯曲成形技术的研究现状与展望[J]. 山东机
械,2004,(5):13-16.
[2]方刚. 激光成形技术的特点及其应用[J]. 应用激光，2001(2)：107-111.
[3]郭为席. 金属板材激光弯曲成形及其机理研究[D]．武汉：华中科技大学，2006.
[4]张晓敏. 金属板材激光成形工艺参数及成形规律研究[D]. 秦皇岛：燕山大学，2009.
[5]管延锦、孙胜、季忠.Experimental study on laser forming technology of sheet metal.山东工业大学【刊名】光学技术 , OPTICAL TECHNOLOGY, 编辑部邮箱 2000年 03期
《金属塑性成形原理》 项目研究 题目：激光弯曲成形 班级：05011301 姓名：刘凯鹏 学号：2013301156 指导老师：王永军 日期：2016年1月6日
目录 摘要 (3) 1. 对象描述 (3) 2. 研究目标 (4) 3. 研究内容 (4) 4. 研究方案 (4) 5. 模拟过程 (7) 6. 后处理数据图表 (37) 7. 成型规律总结分析 (45) 8. 学习总结 (45) 9.参考文献 (46)
摘要：一些合金在室温下塑性差，冷成形困难，将激光成形技术用于金属板料成形，在航空航天产品，以及电子元件的研发和制造中发挥着重要作用。因此，了解激光弯曲成形的机理，激光功率、光斑直径、扫描速度、扫描次数以及能量密度等影响因素对板料激光弯曲角度的影响就显得十分必要，在其它参数一定的情况下，弯曲角度随着激光功率的增加先增大后减小，随着扫描速度、光斑直径的增大而减小；弯曲角度随着扫描次数和能量密度的增加而增大。 本文采用ABAQUS软件对激光弯曲成型过程进行数值模拟和分析。 1.对象描述: 1）激光弯曲简介：激光弯曲成形是一种利用高能激光束扫描金属板料表面时形成的非均匀温度场所导致的热应力来实现塑性变形的工艺方法。这是一种无模具，无外力的非接触式热态积累成型技术，具有生产周期短，柔性大，精度高等特点。所以不存在模具制作，磨损和润滑问题，也不存在贴膜，回弹现象，成形精度高，适合于精密仪器制造，其工业应用遍及航空航天，微电子行业等多个领域。 2）激光弯曲原理：激光弯曲成形的变形过程是通过激光加热金属板料所产生的弯曲应变（平面外应变）、平面内应变或两者的联合作用来实现的。弯曲应变或平面外应变使金属板料产生角变形,如图所示： 而平面内应变则使金属板料实现XY平面内成形,如图所示： 例如板料的缩短就是通过激光扫描在整个厚度方向上产生的类似应变来实现的。 而由于材料性能的差异以及所采用的工艺参数的不同，都会导致不同的变形机理，有时往往是几种机理的混合作用。目前可以较好的解释板料激光成形过程的机理主要有以下四种：温度梯度机理（TGM），屈曲机理（BM），增厚机理（UM）和内应力点机理。
板料成形CAE技术及应用 长期以来，困扰广大模具设计人员的主要问题就是较长的模具开发设计周期，特别是对于某些特殊复杂的板料成形零件，甚至制约了整个产品的开发进度，而板料成形CAE技术及分析软件的出现，有效地缩短模具设计周期，大大减少试模时间，帮助企业改进产品质量，降低生产成本，从根本上提高了企业的市场竞争力。 一、前言 计算机辅助设计技术以其强大的冲击力，影响和改变着工业的各个方面，甚至影响着社会的各个方面。它使传统的产品技术、工程技术发生了深刻的变革，极大地提高了产品质量，缩短了从设计到生产的周期，实现了设计的自动化。 板料成形是利用模具对金属板料的冲压加工，获得质量轻、表面光滑、造型美观的冲压件，具有节省材料、效率高和低成本等优点，在汽车、航空、模具等行业中占据着重要地位。由于板料成形是利用板材的变形得到所需的形状的，长期以来，困扰广大模具设计人员的主要问题就是较长的模具开发设计周期，特别是对于复杂的板料成形零件无法准确预测成形的结果，难以预防缺陷的产生，只能通过经验或类似零件的现有工艺资料，通过不断的试模、修模，才能成功。某些特殊复杂的板料成形零件甚至制约了整个产品的开发进度。 板料成形CAE技术及分析软件，可以在产品原型设计阶段进行工件坯料形状预示、产品可成形性分析以及工艺技术方案优化，从而有效地缩短模具设计周期，大大减少试模时间，帮助企业改进产品质量，降低生产成本，从根本上提高企业的市场竞争力。 板料成形CAE技术对传统开发模式的改进作用可以通过图1 和图2进行对比。
图1 传统板料成形模具开发模式 图2 CAE 技术模具开发方式 通过比较，就可发现板料成形CAE技术的主要优点。 (1)通过对工件的可成形工艺性分析，做出工件是否可制造的早期判断；通过对模具技术方案和冲压技术方案的模拟分析，及时调整修改模具结构，减少实际试模次数，缩短开发周期。 (2)通过缺陷预测来制定缺陷预防措施，改进产品设计和模具设计，增强模具结构设计以及冲压技术方案的可靠性，从而减少生产成本。 (3)通过CAE分析可以择优选择材料，可制造复杂的零件，并对各种成形参数进行优化,提高产品质量。 (4)通过CAE分析应用不仅可以弥补工艺人员在经验和应用工艺资料方面的不足，还可通过虚拟的冲压模拟，提高提高工艺人员的经验。 二、板料成形需要解决的问题 板料成形通过模具对板料施加压力，使板料产生永久性的塑性变形，以获得预期的产品形状。在这个过程中影响板材变形的因素非常多，要控制好变形的形状也非常困难。首先，金属受外力作用会发生变形，变形可分为弹性变形和塑性变形，弹性变形是可逆的，外力去除后变形体就会恢复成原来的形状；第二，材料的成分和组织对变形影响极大；第三，塑性变形有多种方式，再结晶温度下的塑性变形有晶内滑移和孪动、位错（位错分多种形式），再结晶温度上的塑性变形有晶间滑移、多晶体扩散和相变变形等；第四，变形温度、变形速度的影响；第五，变形体内部应力状态的影响；第六，摩擦与润滑的影响；第七，材料塑性变形后，当变形体内部各部分变形不一致时，
激光技术在先进制造业中的几例应用 XXX 【摘要】本文综合介绍了激光快速成型、激光焊接、激光切割、激光打孔等技术的原理、特点、应用现状以及发展趋势。借此论述了激光技术在先进制造业中的重要地位。 1引言 激光具有高亮度性、高方向性、高单色性、高相干性，这些特性是其它普通光源望尘莫及的。1960年美国休斯实验室的T.H.Mainman用直径6mm，长45mm的红宝石固体工作物质，成功地产生了波长为0.6493μm的脉冲激光这是世界第一台激光发生器，它受到科研领域的高度重视。激光技术推动了许多领域的迅速发展，应用范围越来越广，尤其在加工领域中的应用。激光加工是激光应用最有发展前途的领域之一，现在已开发出20多种激光加工技术。激光加工系指激光束作用于物体的表面而引起物体形状的改变或物体性能的改变的加工过程。激光加工已成为一种新型的高能束流激光加工技术，广泛应用于汽车、电子、电器、航空、冶金、机械制造等国民经济重要部门，对提高产品质量、劳动生产率、自动化、无污染、减少材料消耗等起到愈来愈重要的作用，为材料加工工艺提供，是当代具有代表性的先进制造技术。从激光加工技术在制造领域中取得的经验来看，激光加工的潜力是巨大的。 2 激光快速成型 2.1激光快速成型技术简介 80年代后期发展起来的快速成型技术(RPT，Rapid Prototyping Technology)是基于分层技术、堆积成型,直接根据CAD模型快速生产样件或零件的先进制造成组技术总称。RP技术不同于传统的去除成型、拼合成型及受迫成型等加工方法,它是利用材料累加法直接制造塑料、陶瓷、金属及各种复合材料零件。 激光快速成型技术，以激光作为加工能源的激光快速成型是快速成型技术的重要组成部分,它集成了CAD技术、数控技术、激光技术和材料科学等现代科技成果。激光快速成型(Laser Rapid Prototyping,LRP)原理是用CAD生成的三维实体模型,通过分层软件分层,每个薄层断面的二维数据用于驱动控制激光光束,扫射液体,粉末或薄片材料,加工出要求形状的薄层,逐层累积形成实体模型。快速制造出的模型或样件可直接用于新产品设计验证、功能验证、工程分析、市场订货及企业决策等,缩短新产品开发周期,降低研发成本,提高企业竞争力。以此为基础进一步发展的快速模具工装制造(Quick Tooling)技术,快速精铸技术(Quick Casting),快速金属粉末烧结技术(Quick Powder Sintering)等,可实现零件的快速成品。 2.2激光快速成型技术主要特点 (1)制造速度快、成本低,节省时间和节约成本,为传统制造方法注入新的活力,而且可实现自由制造(Free Form Fabrication),产品制造过程以及产品造价几乎与产品的批量和复杂
激光切割机适合应用在哪些行业 在激光切割机行业，金属激光切割机在工业制造中占有不少得的分量，对于大多数金属材料来说，无论它们是怎样的硬度，都能够进行无边形切割。今天我们来细数一下激光切割机在各行各业中的实践应用。 钣金加工行业 随着钣金加工工艺的飞速开展，国内的加工工艺也是一日千里，传统的钣金切割设备(剪床、冲床、火焰切割、等离子切割、高压水切割等等)，虽然在市场上占有相当大的市场份额，如今，已经满足不了现在的工艺要求;激光切割是钣金加工的一次工艺反动，是钣金加工中的“加工中心”，激光切割柔性化水平高，切割速度快，消费效率高，产品消费周期短，为客户博得了普遍的市场。激光切割无切削力，加工无变形;无刀具磨损，资料顺应性好;不论是简单还是复杂零件，都能够用激光一次精细快速成形切割;其切缝窄，切割质量好、自动化水平高，操作烦琐，劳动强度低，没有污染;可完成切割自动排样、套料，进步了资料应用率，消费本钱低，经济效益好。激光切割机在未来钣金加工的应用是必然的趋势。 农业机械行业 农业不断的发展，各种农用机械也不断更新。农机产品类型趋于多样化与专业化，按照加工功率、加工对象分类、加工类型分为几十种。这些产品的升级与更新也对农机产品的制造提供的新要求。激光切割机先进的激光加工技术、绘图系统和数控技术，加快了农机产品的制造发展，提高经济效益。降低了农机产品的制作成本。 激光加工逐渐成为农机设备加工生产的重要手段，推动农机行业的迅速发展，实现不同产业的双赢互惠发展。 广告制作行业 对于广告制作行业，一般加工的产品有着金属跟非金属材质，因此，激光切割机的一种多行业应用技术给广告加工提供了很大的优势，对于广告传统的加工设备，采用的是一般加工广告字体等素材，由于加工精度，切割表面的不理想，导致返工概率相当的人，对于广告行业来讲是一种成本的浪费，大幅度的降低了工作效率。 然而采用激光切割机设备进行加工，能够有效的解决这一类型的问题，采用的是高精度的激光切割技术，切割表面，有着纯的辅助气体进行加工，能够完美的体现。另外激光切割机设备还能够进行一些复杂图形的加工，在传统技术部能完成的加工都能够完成，替广告公司壮大了加工产品，提高了市场，侧面的微企业增加了额外的利润，无需要进行二次返工，一次完成的操作留守了客户的心思，稳定了客户资源。 服装制造行业 作为我国经济的重要组成部分，未来服装行业将是激光切割设备推广和发展的重要下游市场。而目前服装行业大部分采取的仍是手工裁剪模式，只有少部分高端工厂采用电脑控制机械裁床进行自动化裁剪。 厨具制作行业 在厨具加工行业中，油烟机和燃具使用大量钣金面板，使用传统加工方式工作效率低、模具消耗大，使用成本高，制约这新产品开发。 激光切割机设备的出现，解决了一直困扰着厨具厂家的难题。使用激光切割机对面板进行加工试样，快速开发新产品，激光加工设备的切割速度极快，大大提高了加工效率。同时，激光加工设备切割精细度极高，提升了油烟机和燃具的成品率。对于一些异型成型的产品，激光切割机更是有着得天独厚的优势。 激光切割机打破了传统手工和电剪速度慢和难以排版,充分解决了效率达不到和浪费材料的难题。切割速度快，操作简单，只需把所要裁剪的图形及尺寸输入到电脑，机械就会把整张的材料裁剪成您所需要的成品，不用刀具、不需要模具，利用激光实现非接触式加工，简便快速。
激光板料成形技术的研究与应用 ——激光热应力成形与激光冲击成形 摘要： 激光加工技术是利用激光束与物质相互作用的特性对金属或非金属材料进行切割、焊接、表面处理、打孔以及微加工等的一门加工技术。随着激光技术的发展，特别是大功率工业激光器制造技术的日益成熟，激光作为一种“万能”工具，已应用于材料的切割、焊接、弯曲变形和表面改性处理等领域，其中板料激光成形技术已较为成熟，广泛应用于各种碳钢、不锈钢、合金有色金属以及金属基复合材料的弯曲成形，替代了部分零件的冲压工业。金属板料激光成形技术是近年来出现的一种先进柔性加工技术。金属板料成形作为薄板直接投入消费前的主要深加工方法，已在整个国民经济中占有十分重要的地位，广泛应用于航空航天、船舶工业、汽车覆盖件、家电等生产行业。传统的金属板料加工方法主要用模具在压力机上进行冷冲压成形，其生产效率高，适用于大批量生产。随着市场竞争的日趋激烈，产品的更新换代速度日益迅速，原有的采用模具加工的技术就表现出生产准备时间长，加工柔性差，模具费用大，制造成本高等缺陷，且模具冷冲压成形仅适用于低碳钢、铝合金以及铜等塑性较好的材料，其适用范围有限。为此国内外许多学者致力于板料塑性成形新技术的研究，实现金属板料的快速高效、柔性冲压和无模成形，以适应现代制造业产品快速更新的市场需要。本文介绍了激光热应力弯曲成形以及冲击成形的成形机理，分析了成形的主要因素，并对这两种成形技术的未来做出展望。 关键词：激光技术、板料成形、热应力弯曲成形、冲击强化技术 一、激光弯曲成形技术 激光弯曲成形是一种新兴的塑性加工方法，具有高效、柔性、洁净等特点。它是基于材料的热胀冷缩特性，利用高能激光束扫描金属板料表面时形成的非均匀温度场导致的热应力来实现塑性变形的工艺方法。与传统的金属成形工艺相比，它不需模具、不需外力，仅仅通过优化激光加工工艺、精确控制热作用区内的温度分布，从而获得合理的热应力分布，使板料最终实现无模成形。激光束的大小和能量精确可控，特别适用于冷加工难以成形的硬且脆，或刚性大的材料，比如陶瓷、钛合金等。 1、激光弯曲成形基本原理： 板材激光弯曲成形是近年来出现的一种板材柔性成形方法，究其根源，可以追溯到上百年前的火工矫形。它的基本原理是，在基于材料的热胀冷缩特性上，利用高能激光束扫描金属板材表面，通过对金属板材表面的不均匀加热，照射区域内厚度方向上会产生强烈的温度梯度，从而引起非均匀分布的热应力[6]。当这一热应力超过了材料相应温度条件下的屈服极限，就会使板材产生所需要的弯曲变形，激光弯曲成形的装置示意图如图1所示[7]。激光弯曲成形实际上就是这样一种基于材料的热胀冷缩特性、用热应力代替机械载荷的板料无模成形技术。
板料成形CAE分析 实验报告 班级： 学号： 姓名：
板料成形CAE分析 一、实验目的和要求： 通过本实验的教学，使学生基本掌握有限元技术在板料塑性成形领域的应用情况，拓宽学生的知识面，开阔视野，使学生对塑性成形过程的数值模拟技术有深刻的理解，预测板料弯曲成形的性能。 二、教学基本要求： 学会使用Dynaform数值模拟软件进行板料弯曲成形过程的仿真模拟，对模拟结果具有一定的分析和处理能力。 三、实验内容提要： 掌握前处理的关键参数设置，如零件定义、网格划分、模型检查、工具定义、坯料定义、工具定位和移动、工具动画、运行分析。了解后处理模块对模拟结果的分析，如读入d3plot 文件、动画显示变形和生成动画文件、成形极限图分析、坯料厚度变化分析等。 四、实验步骤 1、导入零件模型，保存文件 打开下拉菜单File->Import，如图2所示，在F:\dynaform\BLANK_CAE目录下分别导入文件punch.igs,binder.igs,die.igs和blank.igs。 图1 导入文件窗口
3、更改零件层名 打开下拉菜单Parts－>Edit,对应不同的零件更改层名，改好层名后保存文件。 图2 修改层名窗口 4、进行网格划分 以blinder为例进行说明。 （1）、点击，只选择binder1（红色），点击OK退出。 图3
（2）、选择Preprocess—>Element进入如图3界面。选择，在surf mesh中将max size 改为5. 图4 图5 （3）、依次选select surfaces—>displayed surf-->0k-->apply，然后依次退出各个页面。网格化后的零件如图6所示。 图6网格化后的零件 4、检查工具。 仍然以binder为例。
激光在生活中的应用摘要：本文介绍了几种激光的发展以及现阶段达到的成果等，以及在生活中的应用，如在医学生的应用、工业上的应用、在军事上的应用等。 关键词:激光焊接激光切割激光打孔加工微型仪器激光玻璃激光传感器激光冷却激光美容激光去除面部黑痣激光除皱激光切除肿瘤激光雷达激光测距仪激光制导激光侦察对抗激光武器 大家对于激光这个词并不陌生。激光唱机、激光视盘所提供的听觉享受，全息照片给与我们的三维视觉效果，以及“死光”武器、星球大战计划都是人们津津乐道的话题。但激光到底是什么东西？它是怎样产生的？它又有什么样的性质?这恐怕就没有多少人了解了。下面，我们一起来全面的了解一下激光。 一：什么是激光 激光镭射最初的中文名叫做“雷射”、“莱塞”，是它的英文名称LASER的音译，是取自英文Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation的各单词头一个字母组成的缩写词。意思是“通过受激辐射光扩大”。激光镭射的英文全名已经完全表达了制造激光的主要过程，激光的原理早在1916年已被著名的美国物理学家爱因斯坦发现。1964年按照我国著名科学家钱学森建议将“光受激辐射”改称“激光”。 二：激光的基本特性：
1. 受激吸收（简称吸收） 处于较低能级的粒子在受到外界的激发（即与其他的粒子发生了有能量交换的相互作用，如与光子发生非弹性碰撞），吸收了能量时，跃迁到与此能量相对应的较高能级。这种跃迁称为受激吸收。 2. 自发辐射 粒子受到激发而进入的激发态，不是粒子的稳定状态，如存在着可以接纳粒子的较低能级，即使没有外界作用，粒子也有一定的概率，自发地从高能级激发态（E2）向低能级基态（E1）跃迁，同时辐射出能量为（E2-E1）的光子，光子频率ν=（E2-E1）/h。这种辐射过程称为自发辐射。 3. 受激辐射、激光 1917年爱因斯坦从理论上指出：除自发辐射外， 处于高能级E2上的粒子还可以另一方式跃迁到较低能级。他指出当频率为ν=（E2-E1）/h的光子入射时，也会引发粒子以一定的概率。 4、定向发光 普通光源是向四面八方发光。要让发射的光朝一个方向传播，需要给光源装上一定的聚光装置，如汽车的车前灯和探照灯都是安装有聚光作用的反光镜，使辐射光汇集起来向一个方向射出。激光器发射的激光，天生就是朝一个方向射出，光束的发散度极小，大约只有0.001弧度，接近平行。1962年，人类第一次使用激光照射月球，地球离月球的距离约38万公里，但激光在月球表面的光斑不到两公里。若以聚光效果很好，看似平行的探照灯光柱射向月球，按照其光斑直径将覆盖整个月球。天文学家相信，外星人或许正使用闪烁的激光作为一种宇宙灯塔来尝试与地球进行联系。 5、亮度极高 在激光发明前，人工光源中高压脉冲氙灯的亮度最高，与太阳的亮度不相上下，而红宝石激光器的激光亮度，能超过氙灯的几百亿倍。因为激光的亮度极高，所以能够照亮远距离的物体。红宝石激光器发射的光束在月球上产生的照度约为0.02勒克斯（光照度的单位），颜色鲜红，激光光斑肉眼可见。若用功率最强的探照灯照射月球，产生的照度只有约一万亿分之一勒克斯，人眼根本无法察觉。激光亮度极高的主要原因是定向发光。大量光子集中在一个极小的空间范围内射出，能量密度自然极高。激光的亮度与阳光之间的比值是百万级的，而且它是人类创造的。 6、颜色极纯 光的颜色由光的波长（或频率）决定。一定的波长对应一定的颜色。太阳辐射出的可见光段的波长分布范围约在0.76微米至0.4微米之间，对应的颜色从红色到紫色共7种颜色，所以太阳光谈不上单色性。发射单种颜色光的光源称为单色光源，它发射的光波波长单一。比如氪灯、氦灯、氖灯、氢灯等都是单色光源，只发射某一种颜色的光。单色光源的光波波长虽然单一，但仍有一定的分布范围。如氖灯只发射红光，单色性很好，被誉为单色性之冠，波长分布的范围仍有0.00001纳米，因此氖灯发出的红光，若仔细辨认仍包含有几十种红色。由此可见，光辐射的波长分布区间越窄，单色性越好。 7、能量极大 光子的能量是用E=hv来计算的，其中h为普朗克常量，v为频率。由此可知，频率越高，能量越高。激光频率范围3.846×10^（14）Hz到7.895×10^（14）Hz。
激光技术在现代制造业中的应用
激光技术在现代制造业中的应用 激光：激光的最初的中文名叫做“镭射”、“莱塞”，是它的英文名称LASER的音译，是取自英文Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation的各单词头一个字母组成的缩写词。意思是"通过受激发射光扩大"。激光的英文全名已经完全表达了制造激光的主要过程。1964年按照我国著名科学家钱学森建议将“光受激发射”改称“激光”。 激光加工技术的原理和特点：激光加工技术是利用激光束与物质相互作用的特性对材料(包括金属与非金属)进行切割、焊接、表面处理、打孔、微加工以及做为光源，识别物体等的一门技术，传统应用最大的领域为激光加工技术。激光束作为一种特种加工能源(热源)，和传统的加工用热源相比，具有一系列特点〔“〕。激光束易于传输，其时间特征和空间分布容易控制;经过聚焦后，可以得到细的光斑，具有极高的功率密度;可以加热熔化以至汽化任何材料，可以局部区域的精细的快速加工;加工过程输入工件的热量小，热影响区和热变形小;加工效率高;容易实现自动化。激光加工有热加工[3]和“冷加工”两种。现在大量用于激光加工的COZ和YAG激光为红外光，它们辐射在金属或非金属工件上，基于热效应，使工件升温、熔化或汽化，以完成各种加工，称其为热加工。准分子激光激光器输出紫外光，它有可有对聚合物等非金属材料进行基于化学作用的剥蚀加工，这种“冷加工”技术正在开发，并有可能在电子工业中得到较大程度的应用。但是，激光加工的主流还是基于热效应的加工。 1激光在切割方面的应用 激光切割是利用激光束聚焦形成高功率密度的光斑照射工件,材料吸收光能,温度急剧升高,将材料快速加热至熔化或气化温度,再用喷射气体吹化,以此分割材料。在这一过程中,当激光照射工件表面时,一部分光被工件吸收,另一部分光被工件反射。吸收部分转化为热能,使工件表面温度急剧升高,材料熔化或气化,同时,产生黑洞效应,使材料对光的吸收率提高,迅速加热熔化或气化切割区材料。此时吹氧可以助燃,并提供大量的热能,使切割速度提高等。切割宜用连续输出激光器。激光切割是激光加工应用最广泛的一项技术。它有很多特点:激光可切割特硬、特脆及特软材料、高熔点的难加工材料;切缝宽度很窄;切割表面光洁;切割表面热影响层浅,表面应力小;切割速度快,热影响区小;无机械变形、无刀具磨损,容易实现自动化生产。适合加工板材。在工业机械生产制造中,激光技术国家实验室和武汉法利莱联合研制的W AL C4020宽幅面数控激光切割机可以达到上述要求,除此之外,它还有直线电动机驱动、专有光束质量调整系统、自动聚焦、打孔切割双流量控制系统等结构,这些技术的创新使W AL C4020宽幅面数控激光切割机的切割技术性能超过同类产品,达到国际先进水平。 2激光在焊接方面的应用 激光焊接是把激光聚焦成很细的高能量密度光束照射到工件上,使工件受热熔化,然后冷却使工件得到焊接。激光焊结熔深大,速度快,效率高;激光焊烧区窄,热影响区很小,工件变形也很小,同时,焊缝小,可实现精密焊接;焊接结构均匀,品粒很小,气孔少,夹杂缺陷少,在机械性能、抗蚀性能和电磁学性能上优于常规焊接方法。目前,激光深熔焊接在粉末冶金材料加工领域中的应用也越来越多。激光焊接能量密度高,对高熔点、高导热率和物理特性相差很大的金属焊接特别有利。目前,汽车行业将不同材质的薄钢板实施激光拼接焊后冲压成型,激光拼接焊取代了电焊。同时,通过光纤传输的多路激光束进行多点或多组件焊接越来越普及。在远离装配区的位置装置一台中心激光器(Y AG),激光器产生的光束经由一根柔性的
板料成形有限元分析的发展综述 摘要：在参阅和分析大量有关文献的基础上，对有限元法的产生和弹塑性有限元的发展进行了总结，特别是对当前应用广泛的板料成形有限元数值模拟在国内外的发展概况和发展趋势进行了详尽的剖析，为深入了解板料成形有限元的发展提供了有益的参考。 关键词：板料成形；数值模拟；有限元法；有限元分析；弹塑性 引言 有限单元法是工程计算领域的一种主要的数值计算方法，其基本思想就是将连续区域上的物理力学关系近似地转化为离散规则区域上的物理力学方程。它是一种将连续介质力学理论、计算数学和计算机技术相结合的一种数值分析方法。此方法由于其灵活、快捷和有效，已迅速发展成为板料冲压成形中求解数理方程的一种通用的数值计算方法。 有限元法源于40年代提出的结构力学的矩阵算法。“有限元法”这一术语是R.W.Clough于1960年在论文“The finite element method in plane stress analysis”中首次提出来的，他用这种方法首次求解了弹性力学的二维平面应力问题。1963年，Besseling证明了有限元法是基于变分原理的Ritz法的另一种形式，从而使Ritz分析的所有理论基础都适用于有限元法，确认了有限元法是处理连续介质问题的一种普遍方法。 板料成形数值模拟涉及到连续介质力学中材料非线性、几何非线性、边界条件非线性等三非线性问题的计算，难度很大。随着非线性连续介质力学理论、有限元法和计算机技术的发展，通过高精度的数值计算来模拟板料成形过程已成为可能。从70年代后期开始，经过近二十年的发展，板料成形数值模拟逐渐走向成熟，并开始在汽车、飞机等工业领域得到实际的应用。 1 弹塑性有限元分析研究发展概况 有限元法建立之初，只能处理弹性力学问题，无法应用于金属塑性成形分析。1965年Marcal提出了弹塑性小变形的有限元列式求解弹塑性变形问题，揭开了有限元在塑性加工领域应用的序幕。1968年日本东京大学的Yamada推导了弹塑性小变形本构的显式表达式，为小变形弹塑性有限元法奠定了基础。但小变形理论不适于板料冲压成形这样的大变形弹塑性成形问题，因此人们开始致力于研究大变形弹塑性有限元法。1970年美国学者Hibbitt等首次利用有限变形理论建立了基于Lagrange格式（T.L格式）的弹塑性大变形有限元列式。1973年Lee 和Kabayashi提出了刚塑性有限元法。1973年Oden等建立了热-弹粘塑性大变形有限元列式。1975年Mcmeeking建立了更新Lagrange格式（U.L格式）的弹塑性大变形有限元列式。1978年Zienkiewicz等提出了热耦合的刚塑性有限元法。1980年Owen出版了第一本塑性力学有限元的专著，全面系统地论述了材料非线性和几何非线性的问题。至此，大变形弹塑性有限元理论系统地建立起来了。 2 板料成形有限元数值模拟国内外研究发展概况
文章编号：!""#$!%&!（&""%）!%$!!’&$"% 板料激光曲线弯曲成形的数值模拟 陈敦军 博士 陈敦军 龙 丽 吴诗惇 郑有火斗 摘要：基于非傅立叶热传导方程建立了板料激光曲线弯曲成形过程的三维瞬态温度场以及形变场的有限元列式。在可以忽略材料因变形而产生内热的情况下，将板料激光曲线弯曲过程的温度场和形变场视为两个独立的子系统进行了分别求解，模拟了具有强烈瞬态非线性特征的板料激光曲线弯曲过程，从热力学角度揭示了板料激光曲线弯曲变形的内在机制。 关键词：板料；激光曲线弯曲；数值模拟；热弹塑性中图分类号：()%%’*’；(+&#, 文献标识码：-收稿日期：&""&—"#—&% 基金项目：国家自然科学基金资助项目（!,./&"’’） 板料激光弯曲成形是一种不需外力和模具而仅靠内部热应力来成形板料的工艺，是近十年发展起来的一种新的柔性成形技术，而板料激光曲 线弯曲技术近两年才开始着手研究［!，&］ 。与常规 成形相比，激光弯曲成形技术具有一些显著特点， 近几年受到了广泛关注［!01］。 由于板料激光弯曲成形是一种典型受温度控制的塑性变形过程，因此，对这种问题进行数值模拟时，必须同时求解在给定温度分布下的金属塑性变形速度方程和热传导方程，即进行传热和变形的耦合分析。一般来说，激光成形是小应变小变形区成形，材料因变形而产生的内热可以忽略不计。因此，本文在热力耦合分析时，将形变场的计算和温度场的计算视为两个独立的子系统进行求解，即求解温度场时，将物体视为刚体，在给定的条件下求解热传导方程，得到板料激光加热时的三维瞬态温度场；求解形变场时，将温度载荷转化为节点力，通过在定解条件下求解三维热弹塑性有限元方程，得到板料激光曲线弯曲成形的位移场、应力应变场。 !温度场的数值模拟 本文采用非傅立叶热传导方程来计算激光瞬 态加热的温度场，其热传导微分方程为 ［/］ ：!!（"）（""!& "!# &$!"!#）%!!&（’&!"!&）$!!(（’(!"!(）$!!) （’)!"!)）$*2（!）式中，!为材料密度； ""为材料松弛时间；"为温度；#为时间；!为材料的比热；’&、’(、’)分别为&、(和)方向上的导热系数；*2为单位体积的内部热生成量。 松弛时间""反映了热传导系统由原来的准静态趋于新的稳定状态的快慢程度，即温度场重新建立所用时间的长短。 根据板料激光成形实际情况可作如下合理假设："材料是各向同性的；#所有温度依赖的物 理参数可通过线性插值获得；$材料表面涂层薄而均匀，因此涂层的热传导可忽略不计；%由于激光扫描一次板料所获得的变形量很小，因此变形所产生的热量对温度场的影响也可忽略不计。则式（!）可简化为 !!（""!& "!#&$!"!#）%!!&（’!"!&）$!!(（’!"!(）$!!)（’!"!) ）（&） 这是一个双曲线微分方程。 设""为环境温度， 则温度场的初始条件为"+#%"%"" !"（&，(，)，#）!##%" %} " （%） 在光斑区域，光束能量作为一外加热流矢量 通过边界输入： ’!" !) %,#-./,""! 0!#（#）式中，#为材料的热吸收率；-为激光束功率；/为光斑面积；0为热流密度。 对其它边界条件如热辐射、热对流交换的处理及移动光斑加热源的简化处理可参见文献［.］。 这里，我们采用权余法中的伽辽金算法，取形状函数作为加权函数，将单元内各点温度的近似值代替严格值代入式（&）式（#）后产生的余量与 ? &’!!?中国机械工程第!#卷第!%期&""%年/ 月上半月 万方数据
板料冲压件螺纹底孔冲压成形技术 摘要：在板料冲压件上，按其料厚不同分别采用精冲小孔、变薄翻边、冷冲挤等工艺方法，成形螺纹底孔。本文论述了上述螺纹冲压成形工艺、冲模结构及其设计与制造技术。 主题词：冲件螺纹底孔冲小孔变薄翻边冷冲挤成形技术 螺纹联接结构，尤其紧螺纹联接结构，是各种机电与家电产品中零部件最主要的联接结构型式。薄板冲压件进行紧螺纹联接，需要有大于料厚的联接螺纹长度，以确保其联接可靠性，增强其负载能力，才能达到使薄板冲件联接牢靠、重量小的目的，从而使其成为结实、轻巧、紧凑的理想结构零件。 在仪器仪表、电子电器、各类家电、家用器具、玩具等产品的板料冲压件上，经常采用M2-M10的小螺纹紧联接结构。为提高效率并满足大量生产的需求，采用精冲小孔、变薄翻边、冷冲挤等工艺方法，冲压成形这些小螺纹底孔，不仅能以冲压制孔取代钻孔而大幅度提高生产效率，同时能获得尺寸精确、一致性好的底孔，并可使螺纹联接有足够的长度，从而确保其联接可靠性及设计要求的承载能力。所以，用冲压成形技术加工小螺纹底孔，具有优质高产的效果，也是一种成熟而值得推广的工艺技术。 1 螺纹底孔的计算 合适螺纹底孔的大小，不仅取决于螺纹直径，而且与其螺距有着密切的关系，通常可按下式计算： 当t L≤1时，取：d Z=d-t L
当t L>1时，取：d Z=d-～t L (2) 式中 t L-螺距，mm d z-螺纹底孔直径，mm d-螺纹直径，mm 表1 螺纹底孔直径的合理值(mm) 螺纹直径d 螺 距 t L 底 孔 直 径d z M1 M2 M3 M4 M5 M6 M8 M10 M12 1 5
M14 M16 M18 M20 M22 M24 M27 M302 2 3 3 2 冲制螺纹底孔的基本工艺方法 用冷冲压冲制板料冲压件上螺纹底孔的主要工艺方法有如下几种： (1)厚料冲小孔与精冲孔 当冲件厚t可以满足螺纹联接所需长度时，可用冲压制孔工艺解决。通常在这种情况下，多为厚料冲小孔，即冲制螺纹底孔的直径dz≤t或稍大于t，见表2。螺纹联接的最小有效长度取决于螺纹直径、螺距并与联接件的材料种类密切相关。
激光技术在材料制备与加工中的应用 激光技术发展概述 激光最大的应用领域之一就是材料加工，，主要是1kW级到10kW级CO2激光器和百瓦到千瓦级YAG激光器实现对各种材料的切割、焊接、打孔、刻划和热处理及微加工等，激光器已成为一种不可缺少的工业工具，CO2、Nd：YAG和准分子激光器是当前用于材料加工的三种主要激光器。半导体激光技术的迅速发展使得二极管激光器、二极管泵浦全固态激光器、光纤激光器和超短脉冲激光器在工业应用中有了光明的前景。除了材料加工外，医用激光器是国外第二大应用。激材料加工用激光器常采用气体激光器和固体激光器两类，如表1所示。 表 1用于材料加工的激光光束的基本特征 类别激光名称波长光子能量能量范围激活介质工作方式 气体激光器CO2激光器10.6μm0.117ev 1~105W CO2连续、脉冲XeCl激光器308μm 4.03ev 1~102W XeCl 脉冲XeF激光器351μm 3.53ev 1~102W XeF 脉冲ArF激光器193μm 6.42ev 1~102W ArF 脉冲KrF激光器248μm 5.00ev 1~102W KrF 脉冲 固体激光器YAG激光器 1.06μm 1.17ev 1~103W Nd3+连续、脉冲激光是一种亮度高、方向性好、单色性好的相干光。由于激光发散角小和单色性好，理论上可通过一系列装置把激光聚焦成直径与光的波长相近的极小光斑，在焦点处达到很高的能量密度（焦点处的功率密度可达107~1011w/cm2），其光热效应产生极高的高温，在此温度下任何坚硬或难加工的材料都将瞬时急剧熔化和气化，并产生强烈的冲击波，使熔化的物质爆炸式地喷射出去。激光加工是将激光束照射到工件的表面，利用激光束与物质相互作用的特性，以激光的高能量来切除、熔化材料以及改变物体表面性能，实现对材料的切割、焊接、表面处理、打孔及微加工等的一系列的加工，是一门涉及到光、机、电、材料及检测等多门学科的综合技术。与传统加工方法相比，采用激光加工具有如下特点： （1）激光加工为无接触加工，且激光束的能量高及移动速度可调，工艺集成性好，同一台机床可完成切割、打孔、焊接、表面处理等多种加工； （2）适应性强，激光可对多种金属、非金属材料进行加工，特别是高硬度、高熔点、高强度及脆性材料； （3）激光加工过程中激光头与工件表面不接触，不存在加工工具磨损问题，工件不受应力，所以激光加工的速度极快、加工对象受热影响的范围较小而且不会产生噪音，还可以通过透明介质对密闭容器内的工件进行各种加工； （4）激光束易于导向、聚焦实现各方向的变换，极易与数控系统配合对复杂工件进行加工，实现加工的高度自动化和达到很高的加工精度，是一种极为灵活的加工方法；（5）激光束的发散角可小于1毫弧，光斑直径可小到微米量级，作用时间可以短到纳秒和皮秒，同时大功率激光器的连续输出功率又可达千瓦至十千瓦量级，因而激光既适于精密微细加工，又适于大型材料加工。 （6）加工效率高，加工质量好、精度高，经济效益好，可降低材料的加工费用。
板料成形CAE技术 贵州风华机器厂童春桥 一、前言 计算机辅助设计技术以其强大的冲击力，影响和改变着工业的各个方面，甚至影响着社会的各个方面。它使传统的产品技术、工程技术发生了深刻的变革，极大地提高了产品质量，缩短了从设计到生产的周期，实现了设计的自动化。 板料成形是利用模具对金属板料的冲压加工，获得质量轻、表面光滑、造型美观的冲压件，具有节省材料、效率高和低成本等优点，在汽车、航空、模具等行业中占据着重要地位。由于板料成形是利用板材的变形得到所需的形状的，长期以来，困扰广大模具设计人员的主要问题就是较长的模具开发设计周期，特别是对于复杂的板料成形零件无法准确预测成形的结果，难以预防缺陷的产生，只能通过经验或类似零件的现有工艺资料，通过不断的试模、修模，才能成功。某些特殊复杂的板料成形零件甚至制约了整个产品的开发进度。 板料成形CAE技术及分析软件，可以在产品原型设计阶段进行工件坯料形状预示、产品可成形性分析以及工艺方案优化，从而有效地缩短模具设计周期，大大减少试模时间，帮助企业改进产品质量，降低生产成本，从根本上提高企业的市场竞争力。 板料成形CAE技术对传统开发模式的改进作用可以通过图1 和图2进行对比。
图1 传统板料成形模具开发模式 图2 CAE 技术模具开发方式 通过比较，就可发现板料成形CAE技术的主要优点。 (1)通过对工件的可成形工艺性分析，做出工件是否可制造的早期判断；通过对模具方案和冲压方案的模拟分析，及时调整修改模具结构，减少实际试模次数，缩短开发周期。 (2)通过缺陷预测来制定缺陷预防措施，改进产品设计和模具设计，增强模具结构设计以及冲压方案的可靠性，从而减少生产成本。 (3)通过CAE分析可以择优选择材料，可制造复杂的零件，并对各种成形参数进行优化,提高产品质量。 (4)通过CAE分析应用不仅可以弥补工艺人员在经验和应用工艺资料方面的不足，还可通过虚拟的冲压模拟，提高提高工艺人员的经验。 二、板料成形需要解决的问题 板料成形通过模具对板料施加压力，使板料产生永久性的塑性变形，以获得预期的产品形状。在这个过程中影响板材变形的因素非常多，要控制好变形的形状也非常困难。首先，金属受外力作用会发生变形，变形可分为弹性变形和塑性变形，弹性变形是可逆的，外力去除后变形体就会恢复成原来的形状；第二，材料的成分和组织对变形影响极大；第三，塑性变形有多种方式，再结晶温度下的塑性变形有晶内滑移和孪动、位错(位错分多种形式)，再结晶温度上的塑性变形有晶间滑移、多晶体扩散和相变变形等；第四，变形温度、变形速度的影响；第五，变形体内部应力状态的影响；第六，摩擦与润滑的影响；第七，材料塑
激光在生活中的应用 摘要：本文介绍了几种激光的发展以及现阶段达到的成果等，以及在生活中的应用，如在医学生的应用、工业上的应用、在军事上的应用等。 关键词:激光焊接激光切割激光打孔加工微型仪器激光玻璃激光传感器激光冷却激光美容激光去除面部黑痣激光除皱激光切除肿瘤激光雷达激光测距仪激光制导激光侦察对抗激光武器 大家对于激光这个词并不陌生。激光唱机、激光视盘所提供的听觉享受，全息照片给与我们的三维视觉效果，以及“死光”武器、星球大战计划都是人们津津乐道的话题。但激光到底是什么东西？它是怎样产生的？它又有什么样的性质?这恐怕就没有多少人了解了。下面，我们一起来全面的了解一下激光。 一：什么是激光 激光镭射最初的中文名叫做“雷射”、“莱塞”，是它的英文名称LASER的音译，是取自英文Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation的各单词头一个字母组成的缩写词。意思是“通过受激辐射光扩大”。激光镭射的英文全名已经完全表达了制造激光的主要过程，激光的原理早在1916年已被著名的美国物理学家爱因斯坦发现。1964年按照我国著名科学家钱学森建议将“光受激辐射”改称“激光”。 二：激光的基本特性： 1. 受激吸收（简称吸收）
处于较低能级的粒子在受到外界的激发（即与其他的粒子发生了有能量交换的相互作用，如与光子发生非弹性碰撞），吸收了能量时，跃迁到与此能量相对应的较高能级。这种跃迁称为受激吸收。 2. 自发辐射 粒子受到激发而进入的激发态，不是粒子的稳定状态，如存在着可以接纳粒子的较低能级，即使没有外界作用，粒子也有一定的概率，自发地从高能级激发态（E2）向低能级基态（E1）跃迁，同时辐射出能量为（E2-E1）的光子，光子频率ν=（E2-E1）/h。这种辐射过程称为自发辐射。 3. 受激辐射、激光 1917年爱因斯坦从理论上指出：除自发辐射外， 处于高能级E2上的粒子还可以另一方式跃迁到较低能级。他指出当频率为ν=（E2-E1）/h的光子入射时，也会引发粒子以一定的概率。 4、定向发光 普通光源是向四面八方发光。要让发射的光朝一个方向传播，需要给光源装上一定的聚光装置，如汽车的车前灯和探照灯都是安装有聚光作用的反光镜，使辐射光汇集起来向一个方向射出。激光器发射的激光，天生就是朝一个方向射出，光束的发散度极小，大约只有0.001弧度，接近平行。1962年，人类第一次使用激光照射月球，地球离月球的距离约38万公里，但激光在月球表面的光斑不到两公里。若以聚光效果很好，看似平行的探照灯光柱射向月球，按照其光斑直径将覆盖整个月球。天文学家相信，外星人或许正使用闪烁的激光作为一种宇宙灯塔来尝试与地球进行联系。 5、亮度极高 在激光发明前，人工光源中高压脉冲氙灯的亮度最高，与太阳的亮度不相上下，而红宝石激光器的激光亮度，能超过氙灯的几百亿倍。因为激光的亮度极高，所以能够照亮远距离的物体。红宝石激光器发射的光束在月球上产生的照度约为0.02勒克斯（光照度的单位），颜色鲜红，激光光斑肉眼可见。若用功率最强的探照灯照射月球，产生的照度只有约一万亿分之一勒克斯，人眼根本无法察觉。激光亮度极高的主要原因是定向发光。大量光子集中在一个极小的空间范围内射出，能量密度自然极高。激光的亮度与阳光之间的比值是百万级的，而且它是人类创造的。 6、颜色极纯 光的颜色由光的波长（或频率）决定。一定的波长对应一定的颜色。太阳辐射出的可见光段的波长分布范围约在0.76微米至0.4微米之间，对应的颜色从红色到紫色共7种颜色，所以太阳光谈不上单色性。发射单种颜色光的光源称为单色光源，它发射的光波波长单一。比如氪灯、氦灯、氖灯、氢灯等都是单色光源，只发射某一种颜色的光。单色光源的光波波长虽然单一，但仍有一定的分布范围。如氖灯只发射红光，单色性很好，被誉为单色性之冠，波长分布的范围仍有0.00001纳米，因此氖灯发出的红光，若仔细辨认仍包含有几十种红色。由此可见，光辐射的波长分布区间越窄，单色性越好。 7、能量极大 光子的能量是用E=hv来计算的，其中h为普朗克常量，v为频率。由此可知，频率越高，能量越高。激光频率范围3.846×10^（14）Hz到7.895×10^（14）Hz。
板料成形回弹特征及其控制技术 1 前言 回弹是板材冲压成形过程的主要缺陷之一．严重影响着威形件的威形质量和尺寸精度，是实际工艺中很难有效克服的成形缺陷之一，它不仅降低了产品质量和生产效率．还制约了自动化装配生产线的实施，是我 国汽车制造工业中亟待解决的关键性问题。 从理论上说，板材冲压成形过程可以被看作是板材经过塑性变形变为想要获得的形状的过程。然而实际上．板料尺寸．材料特性和环境条件使冲压成形过程的预测性和可重复性变得困难。以韧性金属板材为主的冲压成形件从模具上取出后，必然产生一定量的回弹。回弹是板材冲压成形的3种主要缺陷(起皱．破裂和回弹)中最难控制的一种，因为它涉及到对回弹量的准确预示．不同的材料和尺寸的零件其回弹规律大不相同，单凭经验和工艺过程类比是很难进行准确的回弹补偿的．这就使得一个模具设计的周期变长．因此在板材冲压成形中回弹变形是使模具设计明显变复杂的一个基本参数。在大多数板材冲压成形中．强烈的非线性变形过程致使板料产生很大的弹性应变能．在模具与板料动态接触过程中存在于板料中的这种弹性应变能会随着接触压力的消除而自动释放掉，回弹的驱动力一般是朝着板料原始形状变形。因此，冲压成形中的最终产品形状不但依赖于凹模形状．而且依赖于成形后存储在板料中的弹性应变能。弹性应变能与许多诸如材料特性．接触载荷等参数有关，因此在成形过程中预测回弹变得很复杂．这也就给那些必须精 确评估回弹量的设计者提出了很重要的问题。 近40年来，有许多研究人员一直在对回弹行为进行着研究．并提出了很多解决方法和计算机仿真算法．发表了大量相关论文。就有限元仿真方法而言．在众多仿真算法模拟应用中，采用显式算法模拟成形过程．用隐式算法模拟回弹过程的方法最多；其次是冲压成形和卸载回弹过程都采用隐式算法。而G．Y-L．等学者提出一种新算法，冲压成形和回弹过程全部采用显式算法。U．Abdelsalam等学者还提出了采用一步成形算法模拟冲压成形过程，再用隐式算法计算卸载回弹过程．并应用该算法模拟了3个复杂冲压件的卸载回弹过程．这种算法的模拟精度虽然不高．但计算速度很快．可以为模具在设计阶段提供一个定性的参考方案。T-C．Hsu等学者采用隐式TL(Total Lagrangian)算法，引入Hill--次方屈服函数模拟了轴对称问题的冲压成形和回弹过程。M．Kawka等学者采用静态显式有限元(实际上也是隐式算法)算法软件ITAS3D模拟了轿车顶盖和轮毂的多阶段成形过程，以及卸载回弹和切边回弹过程．并与试验结果进行了比较。 以上这些对于回弹的研究只限于理论方面．其与实际试验的对比验证还鲜有涉及。对于如何补偿所产生的