我國企業(yè)發(fā)展的一個(gè)嚴(yán)重約束點(diǎn)是新產(chǎn)品自主開發(fā)能力弱,尤其是制造能力弱。進(jìn)入21世紀(jì),市場競爭的加劇要求企業(yè)不僅能快速響應(yīng)市場的變化,而且能不斷地通過技術(shù)創(chuàng)新,推出新產(chǎn)品去引導(dǎo)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(guān)鍵。金屬板料成形在制造業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用,但傳統(tǒng)的工藝必須使用模具,周期長,費(fèi)用高,難以適應(yīng)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(jìn)成形、多點(diǎn)成形、數(shù)字化漸進(jìn)成形,到噴丸成形、爆炸成形、激光熱應(yīng)力成形、激光殘余應(yīng)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(qiáng)中逐漸形成的源頭創(chuàng)新。在研究中發(fā)現(xiàn)激光沖擊強(qiáng)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(jī)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(diǎn)沖擊和有序的擊點(diǎn)分布實(shí)現(xiàn)復(fù)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(gè)鮮明特點(diǎn):1、超快,產(chǎn)生塑性變形的沖擊波作用時(shí)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(dá)數(shù)GPa; 3、高應(yīng)變率,達(dá)107s-1;4、由于柔性貼膜的保護(hù),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(shù)優(yōu)勢:
1、拓寬了冷沖壓成形的材料范圍,使得高強(qiáng)度結(jié)鋼、鈦合金、塑料及復(fù)合材料等多種材料進(jìn)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(qiáng)化和成形于一體,在工件表面形成了很高的殘余壓應(yīng)力,特別適合于有抗疲勞及抗應(yīng)力腐蝕要求的零部件。
4、實(shí)現(xiàn)凹模沖壓仿形并最終達(dá)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(yīng)變率超塑性板金成形理論,開辟了新的成形技術(shù)。
激光沖擊成形技術(shù)的開發(fā),必將推動(dòng)高壓高應(yīng)變率超塑性成形理論的發(fā)展,并帶動(dòng)激光控制軟件、有限元分析軟件、動(dòng)態(tài)模擬軟件的發(fā)展,形成一個(gè)嶄新的理論空間。激光沖擊成形裝置開發(fā)與應(yīng)用,必將是鈑金行業(yè)的一場具有重要意義的技術(shù)革命。本源頭創(chuàng)新的預(yù)期研究成果具有廣闊的應(yīng)用前景,潛在巨大的經(jīng)濟(jì)效應(yīng)和社會(huì)效益。現(xiàn)分析如下:
(1)工業(yè)應(yīng)用
航空航天工業(yè)。
在航空航天工業(yè)中的應(yīng)用具有如下優(yōu)點(diǎn):(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(yīng)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(yīng)力,根據(jù)我們所做的激光沖擊強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)結(jié)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(jī)機(jī)翼蒙皮等,可減去常規(guī)的強(qiáng)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(fù)試模費(fèi)工費(fèi)事費(fèi)錢的缺點(diǎn)。(3)難成形材料的成形,如鈦合金導(dǎo)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(xiàng),對一個(gè)新型號的研究而言節(jié)省的經(jīng)費(fèi)可達(dá)上億元。激光沖擊成形將是噴丸成形的替代技術(shù)。
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(guān)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(shè)計(jì)→模具設(shè)計(jì)與調(diào)試→投產(chǎn)"的整個(gè)周期中,模具設(shè)計(jì)和制造約占2/3的時(shí)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(dá)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(fèi)就達(dá)1至2億美圓。所以,激光沖擊成形技術(shù)在汽車制造業(yè)中的應(yīng)用將產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)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(jī)、導(dǎo)彈尾翼制造等。
薄板制造業(yè)。
采用先進(jìn)的激光沖擊成形技術(shù),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(xiàn)。我國鈑金沖壓成形性能不過關(guān),在國內(nèi)用戶中從未占有應(yīng)有的地位。如幾十年前從產(chǎn)生的第一個(gè)馬燈起,直到現(xiàn)在都是采用國外鈑金。電冰箱、洗衣機(jī)、縫紉機(jī)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(jìn)口逐年增加,如1996年進(jìn)口約840萬噸,較95年增長47%。與此同時(shí),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(yán)重。激光沖擊成形技術(shù)適應(yīng)性強(qiáng),對板金的成形性能要求低,進(jìn)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(jì)增長點(diǎn)。
C、 模具制造業(yè)
對高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)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(yīng)用。
激光沖擊成形除了可對薄板沖壓成形外,還可對厚達(dá)20mm的金屬厚板彎曲成形。此外還可對高強(qiáng)度結(jié)鋼、鈦合金、塑料及復(fù)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(shí)現(xiàn)脆塑的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)變,如對鍍TiN(5μm厚)的鏡面不銹鋼板進(jìn)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(yīng)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(yīng)用落后于國外,激光沖擊成形的巨大應(yīng)用市場究必將推動(dòng)我國高功率激光器設(shè)計(jì)、制造及應(yīng)用的發(fā)展。形成新經(jīng)濟(jì)增長點(diǎn)。
(2)科學(xué)研究
激光沖擊成形設(shè)備為高應(yīng)變率動(dòng)態(tài)塑性理論的研究提供了新的實(shí)驗(yàn)手段,方便實(shí)用成本低。材料物性的非線性效應(yīng)、復(fù)雜的本構(gòu)行為注定塑性理論的研究必須以實(shí)驗(yàn)技術(shù)為依托,并涉及機(jī)械學(xué)、材料學(xué)、力學(xué)、熱學(xué)等學(xué)科,是多學(xué)科的交叉研究。由于實(shí)驗(yàn)手段的缺乏造成動(dòng)態(tài)塑性變形理論的發(fā)展緩慢,尤其是應(yīng)變率高于105S-1,新實(shí)驗(yàn)手段的出現(xiàn)必將促進(jìn)動(dòng)態(tài)超塑性成形理論的發(fā)展。
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