CN113579024B - 一种基于激光诱导的氨轴向槽道热管弯曲成形的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于激光诱导的氨轴向槽道热管弯曲成形的方法，采用激光切割方式对氨轴向槽道热管原材料进行下料并按照工艺图纸进行铣加工产品豁口、孔位及弯曲段翅片，得到氨轴向槽道热管试验件；试验件的表面涂覆烧蚀防热材料；对所述试验件激光诱导弯曲成形参数进行仿真模拟，确定激光诱导弯曲成形参数下试验件的弯曲成形角度、温度分布云图以及应力应变云图，通过仿真确定试验件表面质量及成形角度满足要求的激光诱导弯曲成形参数；按照上述确定的激光诱导弯曲成形参数对氨轴向槽道热管试验件进行试验，判断试验后氨轴向槽道热管弯曲成形是否满足要求，若不满足，则对激光诱导弯曲成形参数进行优化，重新对氨轴向槽道热管试验件进行试验，直至满足要求。

Description

一种基于激光诱导的氨轴向槽道热管弯曲成形的方法

技术领域

本发明涉及一种氨轴向槽道热管弯曲成形的方法。

背景技术

目前氨轴向槽道热管主要是手工弯制成形，成形后会存在截面畸变、壁厚减薄以及弯曲回弹等缺陷，一直影响氨轴向槽道热管产品合格率及质量，产品生产难以自动化、批量化、标准化。而激光诱导弯曲成形不依靠模具和人力，解决了成形的回弹及外侧壁厚减薄的问题，节省了大量的人力、物力和财力。在实际的工程应用中，激光诱导弯曲成形可以集激光切割、激光热处理及激光检测一体化，可以实现产品一体化成形，提高产品本身的成形精度，同时也可以提高产品合格率及质量稳定性。

而目前国内激光诱导成型主要应用在船舶、航空、航天的金属管材和板材上。相对于板材，管材的激光诱导弯曲成形研究较少。国外技术人员对管材的激光诱导弯曲成形进行了系列研究，但是没有深入的研究尤其针对氨轴向槽道热管没有研究。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种基于激光诱导的氨轴向槽道热管弯曲成形的方法。

本发明解决技术的方案是：一种基于激光诱导的氨轴向槽道热管弯曲成形的方法，包括如下步骤：

采用激光切割方式对氨轴向槽道热管原材料进行下料并按照工艺图纸进行铣加工产品豁口、孔位及弯曲段翅片，得到氨轴向槽道热管试验件；氨轴向槽道热管试验件的表面涂覆烧蚀防热材料；

对所述氨轴向槽道热管试验件激光诱导弯曲成形参数进行仿真模拟，确定激光诱导弯曲成形参数下试验件的弯曲成形角度、温度分布云图以及应力应变云图，通过仿真确定试验件表面质量及成形角度满足要求的激光诱导弯曲成形参数；仿真模拟过程中简化氨轴向槽道热管试验件上槽道的数量并采用约束位移的方式来模拟氨轴向槽道热管试验件弯曲成形过程中端部的固定形式；

按照上述确定的激光诱导弯曲成形参数对氨轴向槽道热管试验件进行试验，判断试验后氨轴向槽道热管弯曲成形是否满足要求，若不满足，则对激光诱导弯曲成形参数进行优化，重新对氨轴向槽道热管试验件进行试验，直至满足要求。

进一步的，涂覆烧蚀防热材料的厚度为0.3-0.5mm。

进一步的，铣加工产品豁口、弯曲段翅片铣加工留余量2-3mm。

进一步的，激光诱导弯曲成形参数包括激光扫描功率、扫描策略、扫描次数、速度、激光扫描间距以及激光扫描距离；所述的扫描策略为激光光束垂直热管直径方向进行扫描，以热管中心直径为零点，从-10到+30再回到-10为一次扫描。

进一步的，通过下述方式对激光诱导弯曲成形参数进行优化：

重新选取激光诱导弯曲成形参数进行试验，根据试验结果分析重要的影响因素，同时采取响应曲面法，对选取的重要影响参数进行工艺优化，并根据优化后的参数及结果进行试验，直至满足要求。

进一步的，针对管材截面的宽度和高度为30×10工字型、Ω槽道热管的激光诱导弯曲成形参数如下：

弯曲角度30°-90°，弯曲半径R70mm-R100mm，激光扫描功率850W-1400W，激光扫描速度30mm/s-50mm/s，同一位置激光扫描次数3-10次，激光扫描间距1.5-3mm，激光扫描距离10-25mm。

进一步的，针对管材截面的宽度和直径为10×5圆形带翅片、矩形槽道热管的激光诱导弯曲成形参数如下：

弯曲角度30°-90°，弯曲半径R10mm-R70mm，激光扫描功率600W-1400W，激光扫描速度10mm/s-50mm/s，同一位置激光扫描次数3-10次，激光扫描间距1.5-6mm，激光扫描距离10-60mm。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)传统手工弯制成形后热管具有壁厚减薄、起皱、截面变形、回弹的缺陷，激光诱导弯曲成形是一种无模成形的方式，零件在激光辐射下产生温度梯度，使得材料内外侧的热应力不一致，从而两侧产生不同的变形量，可以通过调整激光参数以及激光扫描策略等途径实现目标弯曲角度与形状，同时改善了传统手工弯曲成形后的缺陷。

(2)传统氨轴向热管成形依靠手工弯制，同批次产品成形尺寸不同、产品质量存在差异，同时传统手工弯制成形产品周期长，无法按时交付。激光诱导弯曲成形改变手工弯制成形的现状，采用自动化成形在保证产品精度及性能的前提下，提升了产品稳定性及合格率，缩短了产品生产周期，提高了产品的经济效益。

(3)传统手工弯制成形在加工过程中需要经过下料、数控铣加工、激光刻、钣金成形、表面清洗、焊接等工序，工序相对繁琐，而激光诱导成形设备可以实现激光加工、激光清洗、激光焊接等功能，使得产品在加工过程中尽可能实现一体化成形，使得产品质量得到更好的保证。

(4)首次将激光诱导弯曲成形的方法应用于氨轴向槽道热管的弯曲成形上，在保证表面质量不发生烧蚀、划伤等基础上实现了氨轴向槽道热管的弯曲成形，摸索出工艺参数(激光输出功率、激光扫描次数以及同一位置扫描次数等条件)对弯曲角度的影响，为后激光诱导弯曲成形方法应用于各型号卫星、空间站用氨轴向槽道热管的加工奠定了基础。

(5)激光弯曲成形解决了手工弯制成形壁厚减薄、弯曲截面形变、起皱、弯曲角度回弹等缺陷，同时可以通过调整激光能量、聚焦方式等参数实现热管产品的切割，并通过设备带有的激光检测通道实现弯曲角度的检测，简化了槽道热管产品的生产工艺流程，进一步实现了产品的一体化成形。

(6)首次将激光诱导弯曲无模成形技术运用于氨轴向槽道热管的弯曲成形工艺中，减少了氨轴向槽道热管传统弯曲成形起皱，截面变形缺陷的发生，同时又节省了成形模具制造费用，激光诱导弯曲成形属于柔性成形方式，可以满足用户的个性需求。

附图说明

图1为本发明激光诱导成形装置简图；

图2为本发明方法流程图；

图3为30×10氨轴向槽道热管截面图；

图4为10×5氨轴向槽道热管截面图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步阐述。

本文提出了一种利用激光诱导成形技术成形氨轴向槽道热管的工艺方案。主要研究目前应用于各型号上的不同规格氨轴向槽道热管平面弯曲下不同弯曲半径以及弯曲角度的激光诱导弯曲成形的工艺参数，进而拓展三维弯曲下不同角度的激光诱导弯曲成形工艺参数。

氨轴向槽道热管激光诱导成形过程装置主要由激光装置、固定装置、工作台等几部分组成。试验前将热管机加去掉翅片(30×10及10×5氨轴向槽道热管截面左右两侧带有翅片，如图3及图4所示)，试验过程中对热管一端固定在固定装置上，固定装置置于工作台上，热管另一端悬空，试验前为了降低铝合金表面对激光的反射率，在热管表面涂覆一层均匀的石墨。本次试验目标为获得平面弯曲下的弯曲半径和弯曲角度，试验过程中激光光束沿箭头方向(垂直产品轴线方向)往复扫描。具体如下图1所示。

本例主要讨论了30×10(截面见附图3)热管和10×5(截面见附图4)热管在激光工艺参数(激光输出功率、激光扫描速度、同一位置激光扫描次数)对弯曲成形角度以及弯曲半径的影响，在试验之前运用Fortran语言编写代码并在Abaqus插入Dflux子程序，运用ABAQUS有限元软件模拟氨轴向槽道热管激光诱导弯曲成形过程。根据有限元模拟结果进行相关的试验，通过大量的工艺试验及理化性能检测试验，最终研究出30×10热管和10×5热管平面弯曲下不同角度激光诱导弯曲成形参数。在进行试验后，根据试验结果与目标之间的差距，选取相应的分析方法分析重要的工艺参数，并采用响应曲面法进行工艺参数优化，使试验结果达到目标值具体实施步骤如下：

6.1试验准备

选用光纤半导体连续激光器，激光波长为1064nm，最大输出功率3000w，其光斑为能量均匀分布的矩形光斑，聚焦位置光斑尺寸为12mm×1.5mm，激光加工头搭载于龙门机床上能够实现X、Y、Z方向的进给运动，其主要组成部分为控制柜、激光发生器、水冷系统、数控移动控制台等。

6.2研制流程

基于激光诱导的氨轴向槽道热管弯曲成形的方法具体流程图2如下：

(1)工序料、钣、检：此三序为原材料准备阶段，首先按照设计要求选取所需规格原材料，然后按照工艺图纸进行激光切割下料，最后进行钣金校形，校形要求为平面度0.2/300，直线度0.2/500(校形时可以修锉零件表面上的局部磕伤或划伤)，在同一设备同工位选择激光切割模式替代原有的手工下料，进一步实现了激光加工一体化，缩短了产品生产周期，提高了产品的经济效益。

(2)工序数控铣加工、检序：在进行原材料准备工作后，操作人员需要按照工艺图纸进行铣加工产品豁口、孔位及弯曲段翅片，因为产品弯曲成形容易产生瞬时回弹及之后回弹，以往都需要加工一根试验件获得准确的弯曲段长度，采用激光诱导弯曲成形方法可以一次性准确加工弯曲段长度，降低了生产成本，提高了经济效益。

此步骤中检查弯曲前产品尺寸(含加工余量)是否满足图纸以及工艺技术要求。

(3)仿真模拟：在进行数控铣加工后，激光诱导弯曲之前需要运用ABAQUS有限元模拟软件对所选取的氨轴向槽道热管激光诱导弯曲成形参数进行仿真模拟，获得零件的弯曲成形角度、温度分布云图以及应力应变云图，以判断该选取参数下零件表面质量及成形角度是否满足要求，可节省运用实验手段获取此种结构设计要求的弯曲半径及角度下相关激光工艺参数的时间。

有限元模拟仿真步骤：

(1)根据阅读文献及厂内相关材料的产品的激光诱导弯曲成形试验经验，确定氨轴向槽道热管激光诱导弯曲成形有限元模拟的工艺参数(包括激光功率，激光扫描次数，激光扫描策略等等)，本文中氨轴向槽道热管的激光诱导弯曲成形工艺参数如下表所示：

(2)选取相应的材料本构，对试验过程中的模型、边界、载荷等进行简化，建立如下图所示的有限元模型。

(3)利用Fortran语言编写激光运动轨迹代码，并在Abaqus软件中插入Dflux子程序，Dflux子程序及编写的代码如下图所示：

(4)根据有限元模拟结果，分析激光作用区域的温度分布云图、应力应变云图，同时获取最后的弯曲角度及弯曲半径。

(5)激光诱导弯曲成形：在仿真模拟结果的基础上，选取合适的激光诱导弯曲成形参数进行试验，本试验选取材料结构为如图3及图4所示槽道形状管材，与现有国内外所采用的管材结构有较明显的区别并首次采用激光诱导成形技术进行此种结构的弯曲成形。试验之前，制作需要的固定工装，因为实际产品选用的氨轴向槽道热管为铝合金热管，反射率高，在编制数控程序并将设备调制工件位置后，在工件上表面涂一层石墨，降低反射率。试验准备完成后，针对特定弯曲半径和角度并结合模拟实验结果对零件进行不同激光扫描功率、不同扫描策略、不同扫描次数、速度以及不同扫描路径的激光诱导弯曲成形试验，若试验结果表明产品不满足要求，则根据试验结果与目标值之间的差距，选取相应分析方法得出重要的工艺参数，采用响应曲面法对工艺参数进行优化，并根据优化结果进行试验，最后得到设计要求的弯曲半径及弯曲角度。

(6)检：在进行激光诱导弯曲成形试验后，运用与成形配套的激光诱导检测设备或者多目测量设备对弯曲成形角度进行检测，在对零件成形角度后对零件表面质量进行检测。

经过上述步骤确定的30×10热管和10×5热管平面弯曲下不同角度激光诱导弯曲成形参数如下：

(1)30×10热管平面弯曲下激光诱导弯曲成形：

弯曲角度30°-90°，弯曲半径R70mm-R100mm，激光扫描功率850W-1400W，激光扫描速度30mm/s-50mm/s，例如选择30mm/s、40mm/s、或50mm/s，同一位置激光扫描次数3、7、或10次，激光扫描间距1.5-3mm，激光扫描距离10mm、15mm、20mm、25mm。

(2)10×5热管平面弯曲下激光诱导弯曲成形工艺参数：

弯曲角度30°-90°，弯曲半径R10mm-R70mm，激光扫描功率600W-1400W，激光扫描速度10mm/s-50mm/s，例如选择10mm/s、20mm/s、30mm/s、40mm/s、或50mm/s，同一位置激光扫描次数3、7、或10次，激光扫描间距1.5-6mm，激光扫描距离10-60mm。

目前研制的激光诱导弯曲成形方法可以满足矩形氨轴向槽道热管以及圆形氨轴向槽道热管的平面弯曲成形，解决了传统手工弯制成形的缺陷，提升了产品质量和合格率，后续可以进行集氨轴向槽道热管激光切割、弯曲、热处理以及角度检测一体化成形，实现氨轴向槽道热管批量化、标准化生产，同时为一些三维复合弯曲角度的产品加工提出了新的思路，进一步提高了产品合格率和质量稳定性，后续针对各型号卫星、空间站等热控系统用氨轴向槽道热管的加工过程具有很大的指导意义。

本发明通过调整激光辐射能量、激光扫描速度以及重复扫描次数等参数，已应用于30×10矩形氨轴向槽道热管以及10×5圆形氨轴向槽道热管产品工艺试验件的加工，并掌握了不同弯曲角度下试验参数的相关设置。本发明可以为各型号卫星、空间站等热控系统用氨轴向槽道热管的生产加工提供保障。

本发明未详细说明部分属于本领域技术人员的公知常识。

Claims (5)

1.一种基于激光诱导的氨轴向槽道热管弯曲成形的方法，其特征在于包括如下步骤：

采用激光切割方式对氨轴向槽道热管原材料进行下料并按照工艺图纸进行铣加工产品豁口、孔位及弯曲段翅片，得到氨轴向槽道热管试验件；氨轴向槽道热管试验件的表面涂覆烧蚀防热材料；

对所述氨轴向槽道热管试验件激光诱导弯曲成形参数进行仿真模拟，确定激光诱导弯曲成形参数下试验件的弯曲成形角度、温度分布云图以及应力应变云图，通过仿真确定试验件表面质量及成形角度满足要求的激光诱导弯曲成形参数；仿真模拟过程中简化氨轴向槽道热管试验件上槽道的数量并采用约束位移的方式来模拟氨轴向槽道热管试验件弯曲成形过程中端部的固定形式；

按照上述确定的激光诱导弯曲成形参数对氨轴向槽道热管试验件进行试验，判断试验后氨轴向槽道热管弯曲成形是否满足要求，若不满足，则对激光诱导弯曲成形参数进行优化，重新对氨轴向槽道热管试验件进行试验，直至满足要求；

针对管材截面的宽度和高度为30×10工字型、Ω槽道热管的激光诱导弯曲成形参数如下：

弯曲角度30°-90°，弯曲半径R70mm-R100mm，激光扫描功率850W-1400W，激光扫描速度30mm/s-50mm/s，同一位置激光扫描次数3-10次，激光扫描间距1.5-3mm，激光扫描距离10-25mm；

针对管材截面的宽度和直径为10×5圆形带翅片、矩形槽道热管的激光诱导弯曲成形参数如下：

弯曲角度30°-90°，弯曲半径R10mm-R70mm，激光扫描功率600W-1400W，激光扫描速度10mm/s-50mm/s，同一位置激光扫描次数3-10次，激光扫描间距1.5-6mm，激光扫描距离10-60mm。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：涂覆烧蚀防热材料的厚度为0.3-0.5mm。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：铣加工产品豁口、弯曲段翅片铣加工留余量2-3mm。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：激光诱导弯曲成形参数包括激光扫描功率、扫描策略、扫描次数、速度、激光扫描间距以及激光扫描距离；所述的扫描策略为激光光束垂直热管直径方向进行扫描，以热管中心直径为零点，从-10到+30再回到-10为一次扫描。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：通过下述方式对激光诱导弯曲成形参数进行优化：

重新选取激光诱导弯曲成形参数进行试验，根据试验结果分析重要的影响因素，同时采取响应曲面法，对选取的重要影响参数进行工艺优化，并根据优化后的参数及结果进行试验，直至满足要求。