我国企业发展的一个严重约束点是新产品自主开发能力弱,尤其是制造能力弱。进入21世纪,市场竞争的加剧要求企业不仅能快速响应市场的变化,而且能不断地通过技术创新,推出新产品去引导市场。如何快速、低成本和高质量地开发出新产品,以满足瞬息万变的市场对小批量多品种产品的需求,是企业生存和发展的关键。金属板料成形在制造业中有着广泛的应用,但传统的工艺必须使用模具,周期长,费用高,难以适应小批量多品种和样品试制的需要。。所以,快速低成本的金属板料无模成型新方法一直是人类经久不衰的探索主题,并取得了丰硕的成果。从高级技师的手工锤击成形、旋压成形、成形锤渐进成形、多点成形、数字化渐进成形,到喷丸成形、爆炸成形、激光热应力成形、激光残余应力释放成形、激光冲击成形等。
激光冲击成形是我们在激光冲击强中逐渐形成的源头创新。在研究中发现激光冲击强化区表面光洁度明显提高并形成光亮的凹坑,由此逐渐形成了金属板材激光冲击快速成形的新概念,由此逐渐形成了金属板材激光冲击快速成形的新概念,即用激光冲击工件表面的能量转换体,使光能转变为冲击波机械能,利用冲击波的压力使板材发生冷塑性变形,通过逐点冲击和有序的击点分布实现复杂形状工件的成形。在整板的冲击成形过程中,是非接触式的,塑性变形是超快的,如下图所示。其有四个鲜明特点:1、超快,产生塑性变形的冲击波作用时间仅几十纳秒,所以可忽略冲击波发散对成形精度的影响;2、成形压力高,达数GPa; 3、高应变率,达107s-1;4、由于柔性贴膜的保护,工件表面温度低,属冷冲压成形。这使得钣金激光冲击成形具有如下技术优势:
1、拓宽了冷冲压成形的材料范围,使得高强度结钢、钛合金、塑料及复合材料等多种材料进行都能局部胀形、弯曲、拉伸、以及校平。
2、由于是高压下的全塑性成形,解决了金属薄板小曲率弯曲成形的回弹难题。
3、融材料改性强化和成形于一体,在工件表面形成了很高的残余压应力,特别适合于有抗疲劳及抗应力腐蚀要求的零部件。
4、实现凹模冲压仿形并最终达到无模具板材冲压精确成形,特别适合于多品种小批量的生产和新产品的开发,大幅降低了成本,缩短了产品开发周期。
由此形成了全新的高应变率超塑性板金成形理论,开辟了新的成形技术。
激光冲击成形技术的开发,必将推动高压高应变率超塑性成形理论的发展,并带动激光控制软件、有限元分析软件、动态模拟软件的发展,形成一个崭新的理论空间。激光冲击成形装置开发与应用,必将是钣金行业的一场具有重要意义的技术革命。本源头创新的预期研究成果具有广阔的应用前景,潜在巨大的经济效应和社会效益。现分析如下:
(1)工业应用
航空航天工业。
在航空航天工业中的应用具有如下优点:(1)金属板材冲击成形后表面形成了很深的高幅值残余压应力,可显著提高疲劳寿命。如3mm厚的2024铝合金冲击成形后表面形成-235MPa至-300MPa的残余压应力,根据我们所做的激光冲击强化实验结果,此状态可提高疲劳寿命4倍以上。这特别适合于制造有抗疲劳性能要求的钣金件,如飞机机翼蒙皮等,可减去常规的强化工艺。(2)小曲率板材弯曲成形。由于是全塑性弯曲,无回弹,解决了常规工艺反复试模费工费事费钱的缺点。(3)难成形材料的成形,如钛合金导弹尾翼的弯曲精密成形。(4)成形精确,成本低,速度快,特别适合于批量少的新品研制。假如仅估算激光冲击凹模仿形,就可节约一半模具,仅此一项,对一个新型号的研究而言节省的经费可达上亿元。激光冲击成形将是喷丸成形的替代技术。
A、 汽车制造业。
汽车改型主要是车身的变化,车身是汽车的重要组成部分,车身开发的关键在于模具的开发。一辆汽车上约有80%的零部件是用模具加工制造的。在"车型设计→模具设计与调试→投产"的整个周期中,模具设计和制造约占2/3的时间,成为车身改型的制约因素。模具的制造成本极为昂贵,一副模具达几十乃至上百万是常见的事,美国开发一款新型汽车的模具费就达1至2亿美圆。所以,激光冲击成形技术在汽车制造业中的应用将产生巨大的经济效益和社会效益。
B、 其他钣金加工业。
其他使用板金成形的行业也具有极大的市场。如电冰箱、洗衣机、导弹尾翼制造等。
薄板制造业。
采用先进的激光冲击成形技术,可降低对薄板质量的要求,这可为国家节约大量的外汇,为薄板制造业增产增效作出贡献。我国钣金冲压成形性能不过关,在国内用户中从未占有应有的地位。如几十年前从产生的第一个马灯起,直到现在都是采用国外钣金。电冰箱、洗衣机、缝纫机和汽车工业等,从一开始就是沿这一条老路走下来,这变成了为外国卖主创造利润。尤其90年代以来,薄板金进口逐年增加,如1996年进口约840万吨,较95年增长47%。与此同时,国产薄板销路不畅,库存增加,这种情况如不加以制止,问题将越来越严重。激光冲击成形技术适应性强,对板金的成形性能要求低,进而通过开发系列的激光冲击成形专用板材,为薄板制造业创造新的经济增长点。
C、 模具制造业
对高强度结构钢板直接激光冲击成某些拉深模阴模,外部加固后就可用于生产。
不可替代的特殊应用。
激光冲击成形除了可对薄板冲压成形外,还可对厚达20mm的金属厚板弯曲成形。此外还可对高强度结钢、钛合金、塑料及复合材料等多种材料冷冲压成形,甚至对脆性材料弯曲成形,实现脆塑的动态转变,如对镀TiN(5μm厚)的镜面不锈钢板进行冲击拉伸成形,TiN涂层表面形成塑性滑移线且附着良好,无裂纹。这些特殊的用途是其他成形方法无法替代的。
D、 高功率激光器的制造与应用
我国109W级的高功率固体激光器(solid laser)的制造水平和工业应用落后于国外,激光冲击成形的巨大应用市场究必将推动我国高功率激光器设计、制造及应用的发展。形成新经济增长点。
(2)科学研究
激光冲击成形设备为高应变率动态塑性理论的研究提供了新的实验手段,方便实用成本低。材料物性的非线性效应、复杂的本构行为注定塑性理论的研究必须以实验技术为依托,并涉及机械学、材料学、力学、热学等学科,是多学科的交叉研究。由于实验手段的缺乏造成动态塑性变形理论的发展缓慢,尤其是应变率高于105S-1,新实验手段的出现必将促进动态超塑性成形理论的发展。
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