張雅晶 郎繼勝 董文彬

摘要：為了降低板料激光彎曲成形過程中的邊界效應(yīng)現(xiàn)象，采用分析和計算的方法設(shè)計了一款能夠在板料彎曲成形過程中施加外力的輔助裝置。該裝置由執(zhí)行機(jī)構(gòu)和動力機(jī)構(gòu)兩大部分組成，能夠保證所施加的外力隨時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，近年來隨著新型材料的不斷涌現(xiàn)，沖壓成形對于對于一些高強(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，具有無需模具和無回彈的優(yōu)點，且室溫下可進(jìn)行[1]。然而，由于板料在激光彎曲成形過程中存在不希望出現(xiàn)的“邊界效應(yīng)”現(xiàn)象[2]，會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

本設(shè)計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處同時施加一個方向垂直于板料指向激光光源，大小為40N的集中力時，對邊界效應(yīng)的抑制效果最好，如圖1所示[3]。

由于所需的集中力不大，可采用氣缸來實現(xiàn)。隨著激光掃描次數(shù)的增加，板料會產(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)計一個轉(zhuǎn)動副用來改變力的方向。動力源采用電機(jī)與減速器結(jié)合使用來提供。因此，本次設(shè)計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)作為動力帶動小帶輪，帶輪傳動將動力傳遞給減速器，減速器的輸出軸帶動連接板轉(zhuǎn)動，從而帶動執(zhí)行機(jī)構(gòu)部分隨之轉(zhuǎn)動。氣缸最為執(zhí)行元件用來頂住板料的非固定端提供外力。

2 ?執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計

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)計了一個支撐架用來支撐和固定氣缸。同時，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，在支撐架上開出兩道槽孔用來調(diào)節(jié)兩氣缸之間的距離。由于實驗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。

對于氣缸的選用，根據(jù)其輸出推力力來選的。本次設(shè)計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 ?動力機(jī)構(gòu)設(shè)計

動力機(jī)構(gòu)主要用來控制氣缸的旋轉(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），因此需要氣缸的轉(zhuǎn)動十分緩慢。在這種情況下，單純靠電機(jī)無法實現(xiàn)慢速旋轉(zhuǎn)，因此，設(shè)計利用步進(jìn)電機(jī)帶動皮帶輪，再通過一個減速器進(jìn)行減速，將減速器的輸出軸直接連接氣缸執(zhí)行件來實現(xiàn)氣缸轉(zhuǎn)動。

步進(jìn)電機(jī)能把數(shù)字脈沖轉(zhuǎn)變成旋轉(zhuǎn)或者直線運動的元件，所以通過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)矩大小來選擇的。該設(shè)計中，負(fù)載為80N的力，氣缸的行程最大為50mm，缸身長度約為110mm。減速器的減速比為50，傳遞效率為0.96。皮帶傳動的傳動比為3，傳遞效率為0.98。因此，可計算出電機(jī)的轉(zhuǎn)矩T1==0.09N·m，則可選擇電機(jī)的型號為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，傳動效率也更高。

減速器選用行星齒輪減速器。因為它重量輕，體積小，運行平穩(wěn)，傳動比（減速比）較大，傳動功率的范圍也較大，可多面安裝，適應(yīng)性比較廣。通過計算功率P2m=P2·KA·SA=0.01kw，可根據(jù)轉(zhuǎn)速和功率查表選擇NBD450-50型二級減速器[4]。該減速器水平放置，通過螺栓固定在支架上，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體裝配圖。

4 ?結(jié)語

本研究通過分析和計算設(shè)計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)行了三維實體建模。該輔助裝置由動力機(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，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)律與實驗研究 [D].上海：上海交通大學(xué)，2011.

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

基金項目：安徽省教育廳重點項目：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KJ2020A0071）。

作者簡介：張雅晶（1985-），女，山東煙臺人，安徽科技學(xué)院，講師，博士，研究方向為金屬塑性成形/智能制造。