本发明为一种利用激光热效应对发生微变形板材进行矫平的方法。根据板材的变形形式，规划不同的激光扫描路径，确定每条路径所需矫平角度，建立单次矫正角度、最高温度与激光功率、扫描速度、扫描间距之间的映射关系，根据所需弯曲角度选择合适的工艺参数，并进行快速预测验证矫平工艺有效性，确定所需有效工艺参数。将待矫平件置于三维数控平台，激光束以选择的工艺参数沿规划的扫描路径进行连续照射，使板材发生弯曲变形，最终实现微变形板材的矫平。该方法适用于形状复杂、高硬度及高脆性变形板材的矫平，在航空航天及微电子领域具有较大应用前景。
1.一种微变形板材激光矫平的方法，其特征是利用激光沿规划的扫描路径及工艺参数对发生微变形的板材进行连续照射，基于激光的加热作用使得板材厚度方向产生温度梯度，诱发热应变，使板材发生弯曲变形，进而实现板材矫平，具体实施步骤为：(1)根据板材的变形情况，确定其主要变形形式并根据变形形式进行扫描路径规划，确定每条扫描路径所需矫平角度
(2)路径规划完成后，确定各条扫描路径所需矫平角度，基于实验验证及有限元方法，建立单次矫正角度θ与激光功率P、扫描速度v、扫描间距s之间的映射关系，建立板材加工过程中最高温度T与激光功率P、扫描速度v、扫描间距s间的映射关系；
(3)根据板材所需矫平角度及建立的映射关系，选择多组可实现该矫平角度的激光功率P、扫描速度v、扫描间距s工艺参数，根据单次矫正角度θ与激光功率P、扫描速度v、扫描间距s间映射关系以及板材加工过程中最高温度T与激光功率P、扫描速度v、扫描间距s间的映射关系，选择单次矫正角度θ最大，且加工过程中最高温度T低于材料烧蚀温度Tl的工艺参数作为最终加工工艺参数；
(4)根据每条扫描路径所需矫平角度 计算出等效均布弯矩Mxa，利用有限元软件将等效均布弯矩Mxa施加于各条扫描路径，经弹性变形计算后得到最终变形，与目标平面进行比较，验证加工工艺有效性；
(5)得到有效工艺后，使用丙酮溶液对待矫平板材进行清洗，去除板材表面油污；将其置于三维数控平台上，在数控PC上设定控制程序使三维数控平台上的板材沿一定方向移动，激光器产生激光束，经反射镜和聚焦镜形成连续激光束照射至待矫平板材表面，按照选择的加工工艺参数沿规划的扫描路径进行扫描，并通过自然冷却或水冷对板材加热后的表面进行降温冷却，板材经加热后沿加热线方向及厚度方向产生不同程度应变，从而使板材发生弯曲，当板材所需矫平角度较大时，对板材进行多次多道扫描，最终矫平板材。
2.根据权利要求1所述的一种微变形板材激光矫平的方法，其特征在于将板材的变形形式分为V型变形、单曲率变形、双曲率变形。
3.根据权利要求2所述的一种微变形板材激光矫平的方法，其特征在于扫描路径的规划方案为：对于V型变形板材，利用激光沿V型面扫描路径进行扫描，确定V型面所需矫平角度 获得相应的变形，矫正为平面，对于单曲率变形板材，将其拟合为多个V型变形板材组合，确定单曲率面扫描路径间距，确定各条扫描路径处单曲率面所需矫平角度沿单曲率面扫描路径进行同向扫描，在不同扫描路径处获得一定程度的折弯变形，最后获得矫平板材，对于双曲率变形板材，将其视为两次单曲率变形的组合，先确定双曲率面i向扫描路径间距，沿双曲率面i向扫描路径按照单曲率曲面矫平方式将双曲率面矫正至单曲率曲面，再确定双曲率面j向扫描路径间距，沿双曲率面j向扫描路径重复一次单曲率矫平方式，将其最终矫正至平面，两组扫描路径夹角为i向路径与j向路径夹角。
一种微变形板材激光矫平方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种利用激光热效应对发生微变形板材进行矫平的方法，属于机械加工制造领域，可应用于复杂型面板材或易发生回弹板材的矫平加工。
背景技术
[0002] 在工业制造领域，由于运输条件、加工工艺及材料性质的影响，金属板材在使用时会发生不同情况的非期望微变形，这种变形会影响零件的装备精度，甚至影响整体机械装备的使用寿命。目前针对板类零件非期望变形所使用的矫平方法主要有机械矫平和热矫平两种方法。其中机械矫平主要是借用机械外力对板材进行冲压，只能矫平一些塑性较好的材料，对于一些回弹性较高或者高硬度、高脆性材料矫平效果不甚理想。与机械矫平方法相比，热矫平过程无需模具，对板材尺寸要求低，适用性较强。传统热矫平方法是氧-乙炔火焰矫平，矫平过程完全依赖工人操作熟练程度，且对于一些厚度较薄的板材，火焰矫平对板材可形成较大的热损伤。与氧-乙炔火焰相比，激光具有能量密度高，热影响区小，可控性好的技术优势，成形过程对材料性能影响较小。因此，可应用激光对板材的热效应对发生微变形的金属板材进行矫平。
[0003] 然而，由于板材的加工工艺及材料性质的影响，板材发生非期望微变形的形式不同。同时，对于不同材料、不同板厚的金属板材，不同激光加工工艺所获得的矫平角度也是不同的，此外，激光加热区域的温度也应避免超过材料熔化温度。因此，如何根据不同变形情况确定合理的加工工艺成为制约激光矫平工艺应用的主要问题。
发明内容
[0004] 为了克服传统矫平方法的低效率、低精度及对板材的热损伤问题，本发明提供一种利用激光热效应对发生微变形板材进行矫平的方法。
[0005] 本发明任务解决其技术问题所采用的技术方案是：根据板材的变形情况，确定其主要变形形式并根据变形形式进行扫描路径规划，确定每条扫描路径所需矫平角度 为对具有复杂变形曲面的金属板材进行合理的路径规划，经分析后认为复杂变形曲面是由规律变形曲面组合而成，因此将变形情况分为三种：V型变形、单曲率变形、双曲率变形。因此扫描路径的规划方案为：
[0006] 对于V型变形板材，利用激光沿V型面扫描路径进行扫描，确定V型面所需矫平角度获得相应的变形，矫正为平面；
[0007] 对于单曲率变形板材，将其拟合为多个V型变形板材组合，确定单曲率面扫描路径间距，确定各条扫描路径处单曲率面所需矫平角度 沿单曲率面扫描路径进行同向扫描，在不同扫描路径处获得一定程度的折弯变形，最后获得矫平板材；
[0008] 对于双曲率变形板材，将其视为两次单曲率变形的组合，先确定双曲率面i向扫描路径间距，沿双曲率面i向扫描路径按照单曲率曲面矫平方式将双曲率面矫正至单曲率曲面，再确定双曲率面j向扫描路径间距，沿双曲率面j向扫描路径重复一次单曲率矫平方式，将其最终矫正至平面，两组扫描路径夹角为i向路径与j向路径夹角。
[0009] 对于具有确定板厚及弯曲曲率的板材，其矫平角度主要取决于激光工艺参数，由于激光光斑d调整时需要较长工作时间，因此，不将其列为激光工艺参数，故影响激光矫平角度的工艺因素包括以下三者：激光功率P、扫描速度v、扫描间距s。基于实验验证及有限元方法，建立单次矫正角度θ与激光功率P、扫描速度v、扫描间距s之间的映射关系，建立板材加工过程中最高温度T与激光功率P、扫描速度v、扫描间距s间的映射关系。
[0010] 根据板材矫平所需矫平角度及建立的映射关系，选择多组可实现该矫平角度的激光功率P、扫描速度v、扫描间距s工艺参数，根据单次矫正角度θ、最高温度T与激光功率P、扫描速度v、扫描间距s间映射关系，选择单次矫正角度θ最大，且加工过程中最高温度T低于材料烧蚀温度Tl的工艺参数作为最终加工工艺参数。
[0011] 在选择好工艺参数后，对变形板材的矫平效果进行验证，有限元仿真方法是进行验证的有效方法。但变形板材的矫平可能需要对多条路径进行多次扫描，传统的热力耦合方式所需计算时间较长，不利于板材的快速有效矫平，因此采用一种快速预测路径规划结果的仿真方法。在进行激光矫平工艺规划之后，单条扫描路径所获得的矫平角度已经确定，为了快速的预测工艺规划之后的板材变形，将板材的激光扫描变形理解为扫描路径的板材弯曲成形，并且此弯曲成形是由均匀分布在扫描路径上的弯矩产生，可以将此弯矩标记为Mx。不考虑板材的塑性影响而只考虑板材材料的弹性行为，根据弹性力学的相关性知识，利用公式
[0012]
[0013] 计算得出每条扫描路径弯曲时所需的弯矩Mx，其中 为每条扫描路径所需矫平角度，E为弹性模量，d0为热影响区域的宽度，为方便计算我们可以将d0近似取光斑的直径d作为代表，B表示板材的宽度，h为板材的厚度。由公式(4)可以计算出单位长度的均布弯矩Mxa，表示为
[0014]
[0015] 式中，L为路径长度。验证时，根据每条扫描路径所需矫平角度 计算出等效均布弯矩Mxa后，利用有限元软件将等效均布弯矩Mxa施加于各条扫描路径，经弹性变形计算后得到最终变形，与目标平面进行比较，验证加工工艺有效性，如可以矫平，则选择该组工艺为矫平参数，如不能，则剔除该组工艺，重新进行选择。
[0016] 得到有效工艺后，使用丙酮溶液对待矫平板材进行清洗，去除板材表面油污等；将其置于三维数控平台上，在数控PC上设定控制程序使三维数控平台上的板材沿一定方向移动，激光器产生激光束，经反射镜和聚焦镜形成连续激光束照射至待矫平板材表面，按照选择的加工工艺参数沿规划的扫描路径进行扫描，并通过自然冷却或水冷对板材加热后的表面进行降温冷却。板材经加热后沿加热线方向及厚度方向产生不同程度应变，从而使板材发生弯曲，当板材所需矫平角度较大时，可以对板材进行多次多道扫描，最终矫平板材。
[0017] 本发明的有益效果是：无需特定模具对板材进行矫平，根据单次矫正角度θ最大及加工过程中最高温度T低于材料烧蚀温度Tl目标条件选择合理的工艺参数，即可精确矫形又避免加热温度过高对材料性能造成损害；确定工艺后利用快速预测路径规划结果的仿真方法对工艺参数进行验证，提高了矫平精度及效率；对于一些高硬度及脆性金属材料以及具有复杂结构的微变形金属板材，该方法可有效矫平此类金属板材变形，适用范围广，可应用于航空航天、医疗器械和微电子领域。
附图说明
[0018] 附图1是变形板材激光矫平装置示意图；
[0019] 附图2是微变形板材激光矫平流程图；
[0020] 附图3是V型变形形式板材的矫平过程；
[0021] 附图4是单曲率变形形式板材的矫平过程；
[0022] 附图5是双曲率变形形式板材的矫平过程；
[0023] 附图6是快速预测工艺路径规划结果的仿真方法；
[0024] 附图中标记：1.数控PC，2.激光器，3.数控平台，4.待矫平板材，5.反射镜，6.聚焦镜，7.激光束，8.V型面扫描路径，9.V型面所需矫平角度 10.单曲率面扫描路径，11.单曲率面扫描路径间距，12.V型面所需矫平角度 13.双曲率面i向扫描路径，14.双曲率面j向扫描路径，15.双曲率面i向扫描路径间距，16.双曲率面j向扫描路径间距，
17.i向路径与j向路径夹角。
具体实施方式
[0025] 结合附图1-6，对本发明作进一步的描述。微变形板材激光矫平装置主要由数控PC(1)、激光器(2)、三维数控平台(3)、待矫平板材(4)、反射镜(5)、聚焦镜(6)、激光束(7)组成，如图1所示。
[0026] 变形板材的激光矫平步骤如图2所示，具体说明如下：
[0027] 首先根据板材的变形情况，确定其主要变形形式，并根据变形形式进行扫描路径规划，确定每条扫描路径所需矫平角度
[0028] 扫描路径的规划方案为：对于V型变形板材，如图3所示利用激光沿V型面扫描路径(8)进行扫描，确定V型面所需矫平角度 获得相应的变形，矫正为平面；
[0029] 对于单曲率变形板材，将其拟合为多个V型变形板材组合，如图4所示沿单曲率面扫描路径(10)进行同向扫描，根据单曲率面扫描路径间距(11)，确定各条扫描路径处单曲率面所需矫平角度 在不同扫描路径处获得一定程度的折弯变形，最后获得矫平板材；
[0030] 对于双曲率变形板材，将其视为两次单曲率变形的组合，如图5所示先确定双曲率面i向扫描路径间距(15)，沿双曲率面i向扫描路径(13)按照单曲率曲面矫平方式将双曲率面矫正至单曲率曲面，再确定双曲率面j向扫描路径间距(16)，沿双曲率面j向扫描路径(14)重复一次单曲率矫平方式，将其最终矫正至平面，两组扫描路径夹角为i向路径与j向路径夹角(17)。
[0031] 路径规划完成后，确定各条扫描路径所需矫平角度，基于实验验证及有限元方法，建立单次矫正角度θ与激光功率P、扫描速度v、扫描间距s之间的映射关系，建立板材加工过程中最高温度T与激光功率P、扫描速度v、扫描间距s间的映射关系。
[0032] 选择多组可实现该矫平角度的激光功率P、扫描速度v、扫描间距s工艺参数，根据单次矫正角度θ与激光功率P、扫描速度v、扫描间距s间映射关系以及板材加工过程中最高温度T与激光功率P、扫描速度v、扫描间距s间的映射关系，选择单次矫正角度θ最大，且加工过程中最高温度T低于材料烧蚀温度Tl的工艺参数作为最终加工工艺参数。
[0033] 根据式(1)与式(2)由每条扫描路径所需矫平角度 计算出等效均布弯矩Mxa，利用快速仿真方法预测路径规划结果，如图6所示将Mxa沿扫描路径施加于有限元模型，计算最终变形后板材形状，如可以矫平，则选择该组工艺为矫平参数，如不能，则剔除该组工艺，重新进行选择。
[0034] 矫平时，使用丙酮溶液对待矫平板材(4)进行清洗，去除板材表面油污等；将其置于三维数控平台(3)上，在数控PC(1)上设定控制程序使三维数控平台(3)上的板材沿一定方向移动，激光器(2)产生激光束，经反射镜(5)和聚焦镜(6)形成连续激光束(7)照射至待矫平板材(4)表面，并按照所选择的工艺参数沿规划的扫描路径进行扫描，并通过自然冷却或水冷对板材加热后的表面进行降温冷却。板材经加热后沿加热线方向及厚度方向产生不同程度应变，从而使板材发生弯曲，最终矫平板材。
