板料激光弯曲成形的辅助装置设计

张雅晶 郎继胜 董文彬

摘要：为了降低板料激光弯曲成形过程中的边界效应现象，采用分析和计算的方法设计了一款能够在板料弯曲成形过程中施加外力的辅助装置。该装置由执行机构和动力机构两大部分组成，能够保证所施加的外力随时与板料保持垂直且朝向激光束方向，从而增大激光扫描线两端的弯曲角度，有效降低边界效应。

关键词：激光弯曲;边界效应;辅助装置

0  引言

板料成形是材料加工领域非常常见的一部分，广泛应用于汽车、船舶、航空航天等领域。传统的板料成形方法为冲压成形。然而，近年来随着新型材料的不断涌现，冲压成形对于对于一些高强度材料和脆性材料的成形显得格外吃力，例如，高强钢、镁铝合金、复合材料等。激光弯曲成形是一种非接触式的激光扫描热成形方法，与冲压成形相比，具有无需模具和无回弹的优点，且室温下可进行[1]。然而，由于板料在激光弯曲成形过程中存在不希望出现的“边界效应”现象[2]，会在很大程度上影响零件整体的成形精度，因此，激光弯曲成形的精度控制一直是该技术的应用难题。本文旨在设计一种用于板料激光弯曲成形加工的辅助装置，用以降低在成形过程中的边界效应现象，提高板料的成形精度。

1  总体设计

本设计以汽车零部件中常用的DP980双相高强度钢板为例，根据前期对该种材料进行有限元分析的结果得知，当在板料非固定端的两端点处同时施加一个方向垂直于板料指向激光光源，大小为40N的集中力时，对边界效应的抑制效果最好，如图1所示[3]。

由于所需的集中力不大，可采用气缸来实现。随着激光扫描次数的增加，板料会产生朝向激光束方向的弯曲，为了保证所施加外力的方向始终垂直于板料，此处设计一个转动副用来改变力的方向。动力源采用电机与减速器结合使用来提供。因此，本次设计的辅助装置共由步进电机、减速器、气缸、支撑板、连接板和底板几部分组成，如图2所示。其中，步进电机作为动力带动小带轮，带轮传动将动力传递给减速器，减速器的输出轴带动连接板转动，从而带动执行机构部分随之转动。气缸最为执行元件用来顶住板料的非固定端提供外力。

2  执行机构设计

由于作为执行元件的气缸需要竖直放置且需较大行程，因此设计了一个支撑架用来支撑和固定气缸。同时，为了使该执行机构能够适用于不同尺寸的板料加工，在支撑架上开出两道槽孔用来调节两气缸之间的距离。由于实验中所加工板料尺寸一般较小，因此，两气缸间的距离调节范围设置为缸体直径至160mm。用来固定气缸的是耳轴组件，它可以固定在缸筒的任意位置，方便气缸的拆装。

对于气缸的选用，根据其输出推力力来选的。本次设计气缸提供的力很小只有40N，因此，可选用单作用小型圆形气缸，初选缸径為16mm。计算气缸所需要的输出推力F=N·P·S=50.24N，因此，确定选用缸径为16mm，行程为50mm的单作用小型圆形气缸。

3  动力机构设计

动力机构主要用来控制气缸的旋转角度，使其能够随着板料的弯曲始终与板料保持垂直。由于板料在每次激光扫描之后的弯曲角度很小（通常在1°以下），因此需要气缸的转动十分缓慢。在这种情况下，单纯靠电机无法实现慢速旋转，因此，设计利用步进电机带动皮带轮，再通过一个减速器进行减速，将减速器的输出轴直接连接气缸执行件来实现气缸转动。

步进电机能把数字脉冲转变成旋转或者直线运动的元件，所以通过改变脉冲的频率就能改变电机的转速。它与直流电机和交流电机有所不同，电机的输出功率可以被改变。于是通常情况下，选择步进电机一般都是根据所需要的转矩大小来选择的。该设计中，负载为80N的力，气缸的行程最大为50mm，缸身长度约为110mm。减速器的减速比为50，传递效率为0.96。皮带传动的传动比为3，传递效率为0.98。因此，可计算出电机的转矩T1==0.09N·m，则可选择电机的型号为42及以下。又因本机构尺寸较小，故最终确定选择42步进电机比较合适。带轮采用的是圆弧齿同步带，与梯形齿同步带相比，它的寿命更高，传动效率也更高。

减速器选用行星齿轮减速器。因为它重量轻，体积小，运行平稳，传动比（减速比）较大，传动功率的范围也较大，可多面安装，适应性比较广。通过计算功率P2m=P2·KA·SA=0.01kw，可根据转速和功率查表选择NBD450-50型二级减速器[4]。该减速器水平放置，通过螺栓固定在支架上，再与下底板相连。图3为利用Solidworks软件建模完成的激光弯曲成形辅助装置三维实体装配图。

4  结语

本研究通过分析和计算设计了一款用于降低板料激光弯曲成形边界效应的辅助装置，并进行了三维实体建模。该辅助装置由动力机构和执行机构两大部分构成，能够在板料两端施加外力的同时随着板料角度的变化进行旋转，保证施加到板料上的力始终与板料垂直，最终实现降低激光弯曲成形边界效应的目的。

参考文献：

[1]张雅晶，董文彬，张华，等.双相高强钢板的激光弯曲成形数值模拟[J].塑性工程学报，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.激光弯曲成形边界效应的影响规律与实验研究 [D].上海：上海交通大学，2011.

[4]机械设计手册第五版编委会.机械设计手册[M].机械工业出版社，2004.

基金项目：安徽省教育厅重点项目：基于激光弯曲成形的汽车车身一体化成形技术研究（编号KJ2020A0071）。

作者简介：张雅晶（1985-），女，山东烟台人，安徽科技学院，讲师，博士，研究方向为金属塑性成形/智能制造。