板料激光彎曲成形的輔助裝置設(shè)計(jì)

張雅晶 郎繼勝 董文彬

摘要：為了降低板料激光彎曲成形過(guò)程中的邊界效應(yīng)現(xiàn)象，采用分析和計(jì)算的方法設(shè)計(jì)了一款能夠在板料彎曲成形過(guò)程中施加外力的輔助裝置。該裝置由執(zhí)行機(jī)構(gòu)和動(dòng)力機(jī)構(gòu)兩大部分組成，能夠保證所施加的外力隨時(shí)與板料保持垂直且朝向激光束方向，從而增大激光掃描線兩端的彎曲角度，有效降低邊界效應(yīng)。

關(guān)鍵詞：激光彎曲;邊界效應(yīng);輔助裝置

0 ?引言

板料成形是材料加工領(lǐng)域非常常見(jiàn)的一部分，廣泛應(yīng)用于汽車、船舶、航空航天等領(lǐng)域。傳統(tǒng)的板料成形方法為沖壓成形。然而，近年來(lái)隨著新型材料的不斷涌現(xiàn)，沖壓成形對(duì)于對(duì)于一些高強(qiáng)度材料和脆性材料的成形顯得格外吃力，例如，高強(qiáng)鋼、鎂鋁合金、復(fù)合材料等。激光彎曲成形是一種非接觸式的激光掃描熱成形方法，與沖壓成形相比，具有無(wú)需模具和無(wú)回彈的優(yōu)點(diǎn)，且室溫下可進(jìn)行[1]。然而，由于板料在激光彎曲成形過(guò)程中存在不希望出現(xiàn)的“邊界效應(yīng)”現(xiàn)象[2]，會(huì)在很大程度上影響零件整體的成形精度，因此，激光彎曲成形的精度控制一直是該技術(shù)的應(yīng)用難題。本文旨在設(shè)計(jì)一種用于板料激光彎曲成形加工的輔助裝置，用以降低在成形過(guò)程中的邊界效應(yīng)現(xiàn)象，提高板料的成形精度。

1 ?總體設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)以汽車零部件中常用的DP980雙相高強(qiáng)度鋼板為例，根據(jù)前期對(duì)該種材料進(jìn)行有限元分析的結(jié)果得知，當(dāng)在板料非固定端的兩端點(diǎn)處同時(shí)施加一個(gè)方向垂直于板料指向激光光源，大小為40N的集中力時(shí)，對(duì)邊界效應(yīng)的抑制效果最好，如圖1所示[3]。

由于所需的集中力不大，可采用氣缸來(lái)實(shí)現(xiàn)。隨著激光掃描次數(shù)的增加，板料會(huì)產(chǎn)生朝向激光束方向的彎曲，為了保證所施加外力的方向始終垂直于板料，此處設(shè)計(jì)一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副用來(lái)改變力的方向。動(dòng)力源采用電機(jī)與減速器結(jié)合使用來(lái)提供。因此，本次設(shè)計(jì)的輔助裝置共由步進(jìn)電機(jī)、減速器、氣缸、支撐板、連接板和底板幾部分組成，如圖2所示。其中，步進(jìn)電機(jī)作為動(dòng)力帶動(dòng)小帶輪，帶輪傳動(dòng)將動(dòng)力傳遞給減速器，減速器的輸出軸帶動(dòng)連接板轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)部分隨之轉(zhuǎn)動(dòng)。氣缸最為執(zhí)行元件用來(lái)頂住板料的非固定端提供外力。

2 ?執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于作為執(zhí)行元件的氣缸需要豎直放置且需較大行程，因此設(shè)計(jì)了一個(gè)支撐架用來(lái)支撐和固定氣缸。同時(shí)，為了使該執(zhí)行機(jī)構(gòu)能夠適用于不同尺寸的板料加工，在支撐架上開(kāi)出兩道槽孔用來(lái)調(diào)節(jié)兩氣缸之間的距離。由于實(shí)驗(yàn)中所加工板料尺寸一般較小，因此，兩氣缸間的距離調(diào)節(jié)范圍設(shè)置為缸體直徑至160mm。用來(lái)固定氣缸的是耳軸組件，它可以固定在缸筒的任意位置，方便氣缸的拆裝。

對(duì)于氣缸的選用，根據(jù)其輸出推力力來(lái)選的。本次設(shè)計(jì)氣缸提供的力很小只有40N，因此，可選用單作用小型圓形氣缸，初選缸徑為16mm。計(jì)算氣缸所需要的輸出推力F=N·P·S=50.24N，因此，確定選用缸徑為16mm，行程為50mm的單作用小型圓形氣缸。

3 ?動(dòng)力機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

動(dòng)力機(jī)構(gòu)主要用來(lái)控制氣缸的旋轉(zhuǎn)角度，使其能夠隨著板料的彎曲始終與板料保持垂直。由于板料在每次激光掃描之后的彎曲角度很?。ㄍǔＴ?°以下），因此需要?dú)飧椎霓D(zhuǎn)動(dòng)十分緩慢。在這種情況下，單純靠電機(jī)無(wú)法實(shí)現(xiàn)慢速旋轉(zhuǎn)，因此，設(shè)計(jì)利用步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)皮帶輪，再通過(guò)一個(gè)減速器進(jìn)行減速，將減速器的輸出軸直接連接氣缸執(zhí)行件來(lái)實(shí)現(xiàn)氣缸轉(zhuǎn)動(dòng)。

步進(jìn)電機(jī)能把數(shù)字脈沖轉(zhuǎn)變成旋轉(zhuǎn)或者直線運(yùn)動(dòng)的元件，所以通過(guò)改變脈沖的頻率就能改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速。它與直流電機(jī)和交流電機(jī)有所不同，電機(jī)的輸出功率可以被改變。于是通常情況下，選擇步進(jìn)電機(jī)一般都是根據(jù)所需要的轉(zhuǎn)矩大小來(lái)選擇的。該設(shè)計(jì)中，負(fù)載為80N的力，氣缸的行程最大為50mm，缸身長(zhǎng)度約為110mm。減速器的減速比為50，傳遞效率為0.96。皮帶傳動(dòng)的傳動(dòng)比為3，傳遞效率為0.98。因此，可計(jì)算出電機(jī)的轉(zhuǎn)矩T1==0.09N·m，則可選擇電機(jī)的型號(hào)為42及以下。又因本機(jī)構(gòu)尺寸較小，故最終確定選擇42步進(jìn)電機(jī)比較合適。帶輪采用的是圓弧齒同步帶，與梯形齒同步帶相比，它的壽命更高，傳動(dòng)效率也更高。

減速器選用行星齒輪減速器。因?yàn)樗亓枯p，體積小，運(yùn)行平穩(wěn)，傳動(dòng)比（減速比）較大，傳動(dòng)功率的范圍也較大，可多面安裝，適應(yīng)性比較廣。通過(guò)計(jì)算功率P2m=P2·KA·SA=0.01kw，可根據(jù)轉(zhuǎn)速和功率查表選擇NBD450-50型二級(jí)減速器[4]。該減速器水平放置，通過(guò)螺栓固定在支架上，再與下底板相連。圖3為利用Solidworks軟件建模完成的激光彎曲成形輔助裝置三維實(shí)體裝配圖。

4 ?結(jié)語(yǔ)

本研究通過(guò)分析和計(jì)算設(shè)計(jì)了一款用于降低板料激光彎曲成形邊界效應(yīng)的輔助裝置，并進(jìn)行了三維實(shí)體建模。該輔助裝置由動(dòng)力機(jī)構(gòu)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)兩大部分構(gòu)成，能夠在板料兩端施加外力的同時(shí)隨著板料角度的變化進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，保證施加到板料上的力始終與板料垂直，最終實(shí)現(xiàn)降低激光彎曲成形邊界效應(yīng)的目的。

參考文獻(xiàn)：

[1]張雅晶，董文彬，張華，等.雙相高強(qiáng)鋼板的激光彎曲成形數(shù)值模擬[J].塑性工程學(xué)報(bào)，2019，26（3）：119-124.

[2]ZHANG Y J， DONG W B， QIAO Y H， et al. Edge effect investigation of DP980 steel sheet in multiple laser scanning process [J]. International Journal of Precision Engineering and Manufacturing， 2019， 20（3）： 319-326.

[3]曹倩倩.激光彎曲成形邊界效應(yīng)的影響規(guī)律與實(shí)驗(yàn)研究 [D].上海：上海交通大學(xué)，2011.

[4]機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)第五版編委會(huì).機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

基金項(xiàng)目：安徽省教育廳重點(diǎn)項(xiàng)目：基于激光彎曲成形的汽車車身一體化成形技術(shù)研究（編號(hào)KJ2020A0071）。

作者簡(jiǎn)介：張雅晶（1985-），女，山東煙臺(tái)人，安徽科技學(xué)院，講師，博士，研究方向?yàn)榻饘偎苄猿尚?智能制造。