我國企業(yè)發(fā)展的一個嚴重約束點是新產(chǎn)品自主開發(fā)能力弱,尤其是制造能力弱。進入21世紀,市場競爭的加劇要求企業(yè)不僅能快速響應市場的變化,而且能不斷地通過技術創(chuàng)新,推出新產(chǎn)品去引導市場。如何快速、低成本和高質(zhì)量地開發(fā)出新產(chǎn)品,以滿足瞬息萬變的市場對小批量多品種產(chǎn)品的需求,是企業(yè)生存和發(fā)展的關鍵。金屬板料成形在制造業(yè)中有著廣泛的應用,但傳統(tǒng)的工藝必須使用模具,周期長,費用高,難以適應小批量多品種和樣品試制的需要。。所以,快速低成本的金屬板料無模成型新方法一直是人類經(jīng)久不衰的探索主題,并取得了豐碩的成果。從高級技師的手工錘擊成形、旋壓成形、成形錘漸進成形、多點成形、數(shù)字化漸進成形,到噴丸成形、爆炸成形、激光熱應力成形、激光殘余應力釋放成形、激光沖擊成形等。
激光沖擊成形是我們在激光沖擊強中逐漸形成的源頭創(chuàng)新。在研究中發(fā)現(xiàn)激光沖擊強化區(qū)表面光潔度明顯提高并形成光亮的凹坑,由此逐漸形成了金屬板材激光沖擊快速成形的新概念,由此逐漸形成了金屬板材激光沖擊快速成形的新概念,即用激光沖擊工件表面的能量轉(zhuǎn)換體,使光能轉(zhuǎn)變?yōu)闆_擊波機械能,利用沖擊波的壓力使板材發(fā)生冷塑性變形,通過逐點沖擊和有序的擊點分布實現(xiàn)復雜形狀工件的成形。在整板的沖擊成形過程中,是非接觸式的,塑性變形是超快的,如下圖所示。其有四個鮮明特點:1、超快,產(chǎn)生塑性變形的沖擊波作用時間僅幾十納秒,所以可忽略沖擊波發(fā)散對成形精度的影響;2、成形壓力高,達數(shù)GPa; 3、高應變率,達107s-1;4、由于柔性貼膜的保護,工件表面溫度低,屬冷沖壓成形。這使得鈑金激光沖擊成形具有如下技術優(yōu)勢:
1、拓寬了冷沖壓成形的材料范圍,使得高強度結鋼、鈦合金、塑料及復合材料等多種材料進行都能局部脹形、彎曲、拉伸、以及校平。
2、由于是高壓下的全塑性成形,解決了金屬薄板小曲率彎曲成形的回彈難題。
3、融材料改性強化和成形于一體,在工件表面形成了很高的殘余壓應力,特別適合于有抗疲勞及抗應力腐蝕要求的零部件。
4、實現(xiàn)凹模沖壓仿形并最終達到無模具板材沖壓精確成形,特別適合于多品種小批量的生產(chǎn)和新產(chǎn)品的開發(fā),大幅降低了成本,縮短了產(chǎn)品開發(fā)周期。
由此形成了全新的高應變率超塑性板金成形理論,開辟了新的成形技術。
激光沖擊成形技術的開發(fā),必將推動高壓高應變率超塑性成形理論的發(fā)展,并帶動激光控制軟件、有限元分析軟件、動態(tài)模擬軟件的發(fā)展,形成一個嶄新的理論空間。激光沖擊成形裝置開發(fā)與應用,必將是鈑金行業(yè)的一場具有重要意義的技術革命。本源頭創(chuàng)新的預期研究成果具有廣闊的應用前景,潛在巨大的經(jīng)濟效應和社會效益?,F(xiàn)分析如下:
(1)工業(yè)應用
航空航天工業(yè)。
在航空航天工業(yè)中的應用具有如下優(yōu)點:(1)金屬板材沖擊成形后表面形成了很深的高幅值殘余壓應力,可顯著提高疲勞壽命。如3mm厚的2024鋁合金沖擊成形后表面形成-235MPa至-300MPa的殘余壓應力,根據(jù)我們所做的激光沖擊強化實驗結果,此狀態(tài)可提高疲勞壽命4倍以上。這特別適合于制造有抗疲勞性能要求的鈑金件,如飛機機翼蒙皮等,可減去常規(guī)的強化工藝。(2)小曲率板材彎曲成形。由于是全塑性彎曲,無回彈,解決了常規(guī)工藝反復試模費工費事費錢的缺點。(3)難成形材料的成形,如鈦合金導彈尾翼的彎曲精密成形。(4)成形精確,成本低,速度快,特別適合于批量少的新品研制。假如僅估算激光沖擊凹模仿形,就可節(jié)約一半模具,僅此一項,對一個新型號的研究而言節(jié)省的經(jīng)費可達上億元。激光沖擊成形將是噴丸成形的替代技術。
A、 汽車制造業(yè)。
汽車改型主要是車身的變化,車身是汽車的重要組成部分,車身開發(fā)的關鍵在于模具的開發(fā)。一輛汽車上約有80%的零部件是用模具加工制造的。在"車型設計→模具設計與調(diào)試→投產(chǎn)"的整個周期中,模具設計和制造約占2/3的時間,成為車身改型的制約因素。模具的制造成本極為昂貴,一副模具達幾十乃至上百萬是常見的事,美國開發(fā)一款新型汽車的模具費就達1至2億美圓。所以,激光沖擊成形技術在汽車制造業(yè)中的應用將產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟效益和社會效益。
B、 其他鈑金加工業(yè)。
其他使用板金成形的行業(yè)也具有極大的市場。如電冰箱、洗衣機、導彈尾翼制造等。
薄板制造業(yè)。
采用先進的激光沖擊成形技術,可降低對薄板質(zhì)量的要求,這可為國家節(jié)約大量的外匯,為薄板制造業(yè)增產(chǎn)增效作出貢獻。我國鈑金沖壓成形性能不過關,在國內(nèi)用戶中從未占有應有的地位。如幾十年前從產(chǎn)生的第一個馬燈起,直到現(xiàn)在都是采用國外鈑金。電冰箱、洗衣機、縫紉機和汽車工業(yè)等,從一開始就是沿這一條老路走下來,這變成了為外國賣主創(chuàng)造利潤。尤其90年代以來,薄板金進口逐年增加,如1996年進口約840萬噸,較95年增長47%。與此同時,國產(chǎn)薄板銷路不暢,庫存增加,這種情況如不加以制止,問題將越來越嚴重。激光沖擊成形技術適應性強,對板金的成形性能要求低,進而通過開發(fā)系列的激光沖擊成形專用板材,為薄板制造業(yè)創(chuàng)造新的經(jīng)濟增長點。
C、 模具制造業(yè)
對高強度結構鋼板直接激光沖擊成某些拉深模陰模,外部加固后就可用于生產(chǎn)。
不可替代的特殊應用。
激光沖擊成形除了可對薄板沖壓成形外,還可對厚達20mm的金屬厚板彎曲成形。此外還可對高強度結鋼、鈦合金、塑料及復合材料等多種材料冷沖壓成形,甚至對脆性材料彎曲成形,實現(xiàn)脆塑的動態(tài)轉(zhuǎn)變,如對鍍TiN(5μm厚)的鏡面不銹鋼板進行沖擊拉伸成形,TiN涂層表面形成塑性滑移線且附著良好,無裂紋。這些特殊的用途是其他成形方法無法替代的。
D、 高功率激光器的制造與應用
我國109W級的高功率固體激光器(solid laser)的制造水平和工業(yè)應用落后于國外,激光沖擊成形的巨大應用市場究必將推動我國高功率激光器設計、制造及應用的發(fā)展。形成新經(jīng)濟增長點。
(2)科學研究
激光沖擊成形設備為高應變率動態(tài)塑性理論的研究提供了新的實驗手段,方便實用成本低。材料物性的非線性效應、復雜的本構行為注定塑性理論的研究必須以實驗技術為依托,并涉及機械學、材料學、力學、熱學等學科,是多學科的交叉研究。由于實驗手段的缺乏造成動態(tài)塑性變形理論的發(fā)展緩慢,尤其是應變率高于105S-1,新實驗手段的出現(xiàn)必將促進動態(tài)超塑性成形理論的發(fā)展。
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