板料激光彎曲成形的輔助裝置設計

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現象，采用分析和計算的方法設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。該裝置由執行機構和動力機構兩大部分組成，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。

關鍵詞：激光彎曲;邊界效應;輔助裝置

0 ?引言

板料成形是材料加工領域非常常見的一部分，廣泛應用于汽車、船舶、航空航天等領域。傳統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，沖壓成形對于對于一些高強度材料和脆性材料的成形顯得格外吃力，例如，高強鋼、鎂鋁合金、復合材料等。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點，且室溫下可進行[1]。然而，由于板料在激光彎曲成形過程中存在不希望出現的“邊界效應”現象[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的應用難題。本文旨在設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現象，提高板料的成形精度。

1 ?總體設計

本設計以汽車零部件中常用的DP980雙相高強度鋼板為例，根據前期對該種材料進行有限元分析的結果得知，當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。隨著激光掃描次數的增加，板料會產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，此處設計一個轉動副用來改變力的方向。動力源采用電機與減速器結合使用來提供。因此，本次設計的輔助裝置共由步進電機、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，步進電機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動，從而帶動執行機構部分隨之轉動。氣缸最為執行元件用來頂住板料的非固定端提供外力。

2 ?執行機構設計

由于作為執行元件的氣缸需要豎直放置且需較大行程，因此設計了一個支撐架用來支撐和固定氣缸。同時，為了使該執行機構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節兩氣缸之間的距離。由于實驗中所加工板料尺寸一般較小，因此，兩氣缸間的距離調節范圍設置為缸體直徑至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，根據其輸出推力力來選的。本次設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 ?動力機構設計

動力機構主要用來控制氣缸的旋轉角度，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），因此需要氣缸的轉動十分緩慢。在這種情況下，單純靠電機無法實現慢速旋轉，因此，設計利用步進電機帶動皮帶輪，再通過一個減速器進行減速，將減速器的輸出軸直接連接氣缸執行件來實現氣缸轉動。

步進電機能把數字脈沖轉變成旋轉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的轉速。它與直流電機和交流電機有所不同，電機的輸出功率可以被改變。于是通常情況下，選擇步進電機一般都是根據所需要的轉矩大小來選擇的。該設計中，負載為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，可計算出電機的轉矩T1==0.09N·m，則可選擇電機的型號為42及以下。又因本機構尺寸較小，故最終確定選擇42步進電機比較合適。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，傳動比（減速比）較大，傳動功率的范圍也較大，可多面安裝，適應性比較廣。通過計算功率P2m=P2·KA·SA=0.01kw，可根據轉速和功率查表選擇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 ?結語

本研究通過分析和計算設計了一款用于降低板料激光彎曲成形邊界效應的輔助裝置，并進行了三維實體建模。該輔助裝置由動力機構和執行機構兩大部分構成，能夠在板料兩端施加外力的同時隨著板料角度的變化進行旋轉，保證施加到板料上的力始終與板料垂直，最終實現降低激光彎曲成形邊界效應的目的。

參考文獻：

[1]張雅晶，董文彬，張華，等.雙相高強鋼板的激光彎曲成形數值模擬[J].塑性工程學報，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的影響規律與實驗研究 [D].上海：上海交通大學，2011.

[4]機械設計手冊第五版編委會.機械設計手冊[M].機械工業出版社，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研究（編號KJ2020A0071）。

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