（机械设计及理论专业论文）微观复合造型模具成形性能及工艺优化研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 在薄板冲压成形过程中，摩擦与润滑是一个不容忽视的因素，它不仅 影响成形力的大小和能量消耗，还直接影响板料的成形性能、零件的表面 质量和模具寿命。大量的实践表明，坯料与模具之间合适的摩擦状况，不 仅可以弥补材料本身成形性能的不足，也可在一定程度上补偿模具设计制 造上的欠缺，减少修模次数，降低废品率。 本研究是受到激光毛化技术在轧辊上成功应用与激光微造型技术润滑 减摩作用的启发，首次将激光毛化与微造型表面改形改性技术应用到金属 塑性成形模具的表面强化处理中。本文改变了传统意义上要求模具表面尽 可能光滑以减少摩擦磨损的观念，而建立一种激光毛化金属塑性成形模具 的新概念激光微观复合造型技术，它是一种将包括激光毛化技术和激 光微造型技术创造性结合的新技术。 论文通过在传统模具表面进行激光毛化及微造型处理，采用不同的形 貌设计，包括造型形貌、几何参数和分布设计，以建立形貌几何参数和分 布与摩擦行为的对应关系，在此基础上通过摩擦对板料作用来控制板料流 动和板材成形性能，进而通过复合造型形貌设计来主动控制板料成形。本 研究确定成形质量与造型工艺参数之间的关系，揭示了板料成形中激光复 合造型模具摩擦特性的改变对拉深成形性能影响，指出了通过对板料成形 的数值模拟与均匀设计相结合对方盒件成形工艺参数进行模拟仿真和优 化，优化后的仿真结果在提高板料流动性能和抑制厚度变化方面取得较理 想的效果。为进一步设置和优化复合造型工艺参数具有重要的指导意义。 最后，通过对锯片冲压成形进行模拟分析，并与实际成形结果进行对 比分析，验证了采用激光微造型技术来提高板料成形性能的可行性和优越 性，揭示了激光微造型参数设计与数值模拟相结合的设计方法的合理性、 有效性。 关键词：激光毛化，微造型，摩擦，板料成形，均匀设计 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t i ns h e e tm e t a lf o r m i n g ，f r i c t i o na n dl u b r i c a t i o ni saf a c t o rt h a tc a nn o t b e i g n o r e d ，d o e s n to n l y a f f e c tt h es i z eo ft h e f o r m i n gf o r c ea n dp o w e r c o n s u m p t i o n ，b u ta l s oh a sad i r e c ti m p a c to nt h es h e e tf o r m a b i l i t y ，t h es u r f a c e q u a l i t yo fp a r t sa n dd i e sl i f e al o to fp r a c t i c es h o wt h a tt h ea p p r o p r i a t ef r i c t i o n c o n d i t i o nb e t w e e nt h ed i ea n dt h eb l a n kc a n to n l ym a k eu pf o rt h ef o r m i n g s h o r t a g eb u ta l s oc o m p e n s a t et h ef l a wo fd i e d e s i g na n dm a n u f a c t u r et os o m e e x t e n ta n dr e d u c et h en u m b e ro fr e p a i ra n dr e d u c et h er e j e c tr a t e t h i ss t u d y ，i n s p i r e db yt h el a s e rt e x t u r i n gs u c c e s s f u la p p l i c a t i o no nt h er o l l s u r f a c ea n dl a s e rm i c r ot e x t u r e si nt h el u b r i c a t i o na n dr e d u c i n gf r i c t i o n ，p u t l a s e rt e x t u r i n ga n dm i c r o - t e x t u r et e c h n o l o g yo nt h ed i e ss u r f a c e p a p e rc h a n g e s t h et r a d i t i o n a lm e a n st h a tr e q u i r e sas u r f a c ea sf a ra sp o s s i b l es m o o t hi no r d e rt o r e d u c ef r i c t i o na n dw e a r ，a n de s t a b l i s h e san e wc o n c e p to f t h ed i e t m a n u f a c t u r e - - l a s e rm i c r o - c o m p o s i t et e x t u r et e c h n o l o g y ，w h i c hc o m b i n e sl a s e r t e x t u rt e c h n o l o g yw i t hl a s e rm i c r o t e x t u r e dt e c h n o l o g yc r e a t i v i t i l y t h i sp a p e r ，t h r o u g ht a k i n gl a s e rm i c r o c o m p o s i t et e x t u r eo nt h et r a d i t i o n a l m o l do ft h es u r f a c ea n da d o p t i n gd i f f e r e n tm o r p h o l o g y ，g e o m e t r i cp a r a m e t e r s ， d i s t r i b u t i o nd e s i g nt oe s t a b l i s hr e l a t o n s h i o pb e t w e e nf r i c t i o nb e h a v i o ra n d m o r p h o l o g y ，o nt h i sb a s i sm a k e su s eo ff r i c t i o nt oc o n t r o ls h e e tm a t e r i a lf l o w s a n df o r m i n gp r o p e r t i ys ot h a tt h em i c r o c o m p o s i t et e x t u r ed e s i g n e dt a k e st h e i n i t i a t i v et oe f f e c t i v e l yc o n t r o l i n gt h ed i es u r f a c ef r i c t i o nc o n d i t i o n si nd i f f e r e n t r e g i o n so fd i e ss u r f a c et oc o n t r o lt h es h e e tf o r m i n ga n di m p r o v et h es h e e t f o r m a b i l i t y t h i ss t u d yc o n f i r m sr e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h eq u a l i t ya n dt e x t u r e p r o c e s sp a r a m e t e r s ，r e v e a l st h a t c h a r a c t e r i s t i c so ft h el a s e rm i r o c _ c o m p o s i t e t e x t u r eh a v ea ni m p a c to fd e e pd r a w i n gp e r f o r m a n c e ，a n dp o i n t so u tt h a t n u m e r i c a ls i m u l a t i o nt e c h n o l o g yw i t ht h ec o m b i n a t i o no fu n i f o r md e s i g n s i m u l a t e sa n do p t i m i z a t e st h ef o r m i n gp r o c e s sp a r a m e t e r so ft h es q u a r eb o x t h e 江苏大学硕士学位论文 o p t i m i z e dr e s u l t ss h o w sab e t t e re f f e c to ns h e e tf o r m a b i l i t ya n dc h a n g e si nt h e s h e e tt h i c k n e s s i no r d e rt of u r t h e rs e tu pa n do p t i m i z et h em i c r o c o m p o s i t e t e x t u r ep r o c e s sp a r a m e t e r sh a v ea ni m p o r t a n tg u i d i n gs i g n i f i c a n c e f i n a l l y ，p a p e rc o m b i n e ss t i m u l a t i o na n a l y s i so fs a w b i tw i t he x p e r i m e n t s r e s u l t st ov e r i f yt h ef e a s i b i l i t ya n ds u p e r i o r i t yt h a tt h eu s eo fl a s e rt e x t u r e t e c h n o l o g yc a ni m p r o v es h e e tf o r m a b i l i t y ，a n dr e v e a l st h er e a s o n a b l e n e s sa n d e f f e c t i v e n e s st h a tt h ep r o c e s sp a r a m e t e r sd e s i g nc o n b i n en u m e r i c a ls i m u l a t i o ni n t h ep r a c t i c a la p p l i c a t i o n k e y w o r d s ：c o m p o s i t et e x t u r e ，f r i c t i o n ，s h e e tf o r m i n g ，u n i f o r md e s i g n 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本 人授权江苏大学可以将本学位论文的全部内容或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密 、 学位论文作者签名：弛赴 炒7 年月锣日 彳名疋 指导教师签名： i 弘年厂月讨日 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外，本论文不包含 任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声 明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：彳炱彳蒸一 日期：矽7 年厂月罗日 江苏大学硕士学位论文 1 1 研究背景 第一章绪论 模具是现代工业发展的标志之一，它反映一个国家的工业发展水平和地位。世界各 国都非常重视模具工业的发展，采取了先进设计方法，以提高模具的质量。在我国，模 具行业成为新的支柱产业，但成形质量不高、寿命短一直是影响模具工业发展的重要因 素，提高成形质量与模具寿命已成为一项十分迫切的任务。 随着航空航天、汽车工业和3 c 产业的飞速发展，对复杂形状零件和难变形材料成 形的需求越来越大，零件的形状趋于复杂，许多新型材料也开始被采用，对拉深件精度 和表面质量要求也进一步提高，所有这些都对拉深工艺和模具设计提出更高要求。模具 性能和摩擦磨损是影响材料成形成败的关键因素之，因此迫切需要根据模具的使用性 能要求，对于表面处理来讲，主动设计表面结构和形貌( 包括宏观结构、亚微结构和微 结构) ，研究能够提高复杂模具耐磨减摩性能和板料成形性能的表面改形改性新方法。 影响模具使用性能的因素包括模具设计、制造工艺、使用维护状况和表面处理方式。 随着弹塑性理论、材料学和断裂力学的发展，对模具的变形、开裂行为和疲劳裂纹已进 行了深入的研究，提出了可用于指导模具设计的理论和强度准则。而作为主要失效形式 的模具磨损并非材料的固有属性，其与工况条件、材料、表面形貌、接触方式、润滑介 质和方式等多种因素有关，是一个能量消耗和材料损伤的动力学过程，难于控制。因此， 减少磨损、提高模具寿命是塑性加工领域急需解决的问题。在模具设计阶段，通过选择 材料或对模具表面进行表面处理，可以控制模具表面的磨损，从而提高模具表面的耐磨 性能。其中，表面处理是提高既有模具的使用性能和寿命的有效改性方法。表面处理通 过改变工件的表层成分、组织或在表面沉积镀层，可显著提高模具的硬度、耐磨性、疲 劳强度、耐热性、耐蚀性和抗咬合性等性能。 随着微观粗糙表面摩擦学研究的深入和在工程中的实际应用发现，光滑表面因无存 油区域而处于边界润滑状态，无法形成混合润滑或流体润滑，容易产生黏着磨损，易擦 伤。相反通过在表面设置一定的微观几何形貌，能够改善摩擦副的润滑减磨性能，提高 模具寿命。激光毛化技术改变传统的模具表面处理方法，采用激光毛化改性、改形处理 江苏大学硕士学位论文 的新方法，已经在轧辊中得到广泛应用【，该技术不仅提高了轧辊自身的耐磨性和使用 寿命，也使其轧制板料的成形性能和涂镀性得到提高。激光微造型技术已经被应用在一 些重要的摩擦副中，缸套活塞环1 2o + i ，机械密封【5 1 ，以及推力轴承 6 】等方面，摩擦副的润 滑性能得到很大提高。 在板金属成形中，板料与模具之间总要有相对移动，所以必然伴随有着摩擦行为。 摩擦足板料成形中的重要行为之一，并影响着板料的成形过程，影响着模具寿命和零件 质量。由于接触摩擦状态通常随加载时间的变化而变化，所以板料成形过程的接触摩擦 问题是一个典型的边界条件非线性问题。零件的曲面形状较复杂，各部位的冲压深度各 异，使板料变形流动不均匀，传统的冲压工艺不能满足覆盖件成形质量的要求，没有有 效地对成形各个不同工况区域区别控制，使得起皱、破裂和回弹等成形质量问题更加突 出。这种摩擦状态与板料及模具的材质、表面粗糙度、接触应力、变形温度、变形程度、 所用润滑剂的组成等诸多因素有关，是一种很复杂的非均匀分布的摩擦状态。对在板料 冲压成形中的摩擦进行研究，有许多新的成形方法是从改善和利用摩擦而提出的，目的 是为了更好地控制板料流动，使板料变形流动均匀。目前，运用在模具表面上改变板料 塑性流动有许多方法：如液压成形技术，强制润滑拉深，差温拉深，拉延筋，压边圈等 通过不同工艺和方法，改善材料流动状态、防止出现起皱和破裂等失效。这些方法在实 施过程中都存在一定的不足。因此迫切需要根据模具的使用性能要求，研究模具表面新 的处理方法。 1 2 激光复合造型技术研究发展现状 1 2 1 毛化技术研究发展现状 2 0 世纪8 0 年代，激光毛化技术最早开始于比利时o s b 冶金研究中心( c r m ) ，试 产于c o c r e r i ls a m b r e 钢厂。1 9 8 4 年，世界上第一台c 0 2 激光毛化示范设备开始用于生产 性工艺方法的试验研究吼在相关摩擦学研究方面，已从假想光滑表面进入微观粗糙表 面，即摩擦学研究进入微尺度领域，一些学者对毛化表面的润滑磨损机理进行了有益的 探索。j i nc h e n g l 8 】分析了毛化表面微机构的演化现象，但并未做出解释。qm a r e s t l 9 1 等人 在分析x e c l 激光毛化表面成分的基础上，获得了摩擦系数和磨损率均减小的有益结果。 y g e r b i g 1 0 】研究了a i s im 3 毛化钢板的摩擦现象。a n d r i yk o v a l c h e n k o 1 1 】利用一个带有球 形栓的圆盘实验装置，进行了激光毛化表面的摩擦磨损实验研究，并与未经激光毛化的 2 江苏大学硕士学位论文 表面进行了比较。g c b a r b e r 1 2 1 结合金属成形的实际过程，设计了种金属成形装置， 并研究了滑动速度和表面粗糙度对激光毛化板摩擦系数的影响。g r y k ”】和x i a o l e i w a n g l l 4 】通过进行滑动摩擦实验，用来验证利用接触表面上的微坑能否扩大流体润滑的碳 化硅的低摩擦范围。y o n gh u 1 5 】提出了简化的毛化模型，这很好的解释了j a x ux u a n 1 6 1 得到的现象。j m j o u v a r d 1 7 】耦合了热、流体和表面张力方程，建立了激光毛化的一维热 模型。 在我国，对激光毛化技术的研究始于1 9 9 0 年，主要集中在中科院力学所、清华大学 和首钢技术研究院钢研所。1 9 9 0 年3 月，中科院力学所在中国大恒公司、北京吉普汽车 有限公司、首钢技术研究院钢研所的协助下，开展了y a g 激光毛化冷轧辊技术及其装 备攻关，并研究成功轧辊激光毛化技术【堋。轧辊激光毛化技术又称激光织构化1 1 9 1 。1 9 9 2 年8 月y a g 激光毛化轧辊开始用于秦争岛龙腾精密带钢公司生产，具有特色的y a g 激 光毛化冷轧技术开始形成。1 9 9 4 年，中科院力学所三套大、中、小型y a g 激光毛化冷 轧辊成套装备在天津市冷轧薄板厂、鞍山市带钢厂、无锡远东带钢厂投产运行。使我国 成为继比利时、日本、德国之后，世界上第四个掌握激光毛化冷轧辊新技术并用于规模 化生产的国家。“八五”期间华中理工大学、武钢和武汉重型机床厂合作，在1 9 9 5 年夏成 功研制出我国自己的c 0 2 激光毛化冷轧辊装备，并成功试轧了3 0 0 吨c 0 2 激光毛化钢板 1 2 0 l 。2 0 0 0 2 0 0 2 年，y a g 激光毛化技术与装备应用到印刷包装陶瓷网纹辊精密刻蚀和有 色冶金铝板箔辊毛化。这些成果标志着我国在激光毛化技术研究和应用方面已进入世界 先进行列【2 1 1 。 彭林华、李正阳、杨明江【2 2 】在分析传统声光调q 波形缺陷的基础上，研制了具有特 殊声光调q 波形的y a g 激光毛化设备和工艺，但是只面向圆柱形轧辊的表面处理；同 时，他们还发现，板面微坑( 塑性变形区) 对材料表面的滑移运动有阻塞和弥散作用， 延缓了微裂纹的萌生和发展，从而提高了板材的延伸率。因此，如果将激光毛化技术应 用到金属塑性成形模具的表面强化处理中，可以有利于减轻模具表面残余应力的局部集 中，增强材料的抗破坏能力。杨淘【2 3 1 利用y a g 激光毛化轧辊装置成功对铝板、带箔进 行了轧制。林子光【刎在综合分析现有的毛化工艺、激光微精处理和表面形貌实验的基础 上，不仅给出了钢板激光毛化后所产生的环状微形油池( 凹坑) 的外径、宽度以及深度 等几何参数的范围，还给出了相应轧辊微凸肩的直径和高度等几何参数的范围。崔正方 圈等人利用激光毛化技术，成功的解决了传统喷丸方法毛化磨粉机磨辊表面存在的工作 环境恶劣、表面粗糙度难控制等问题，达到了预期效果。 3 江苏大学硕士学位论文 钢铁行业是国民经济的支柱产业，毛化设备是其中的重要设备。为了生产冲压或深 冲压用优质毛面薄板，轧钢厂需要对工作轧辊表面进行毛化处理【2 6 l 。激光毛化轧辊是世 界上近十几年来才发展起来的生产优质冷轧薄板的新技术。 到目前为止，轧辊毛化技术的发展大致经历了三个阶段f 2 7 1 ：第一代是2 0 世纪6 0 7 0 年代的喷丸毛化技术( s h o tb l a s tt e x t u r i n g ，简称s b t ) ，它是使用高速旋转的离心轮 将高硬度的冲压材料( 一般为钢丸) 高速喷向辊面实现轧辊表面毛化；第二代是2 0 世纪 7 0 - 8 0 年代的电火花毛化技术( e l e c t r i c a ld i s c h a r g et e x t u r i n g ，简称e d t ) ，它是使用多 头电极对辊面进行毛化，这是目前欧、美各国大钢厂采用的生产技术；第三代是激光毛 化技术( l a s e rb e a mt e x t u r i n g ，简称l b t 或l t ) ，它是采用高能量密度、高重复频率的 脉冲激光在冷轧辊表面按预定形貌和几何分布进行熔凝造型，以生产高品质冷轧薄板。 激光毛化技术是冶金行业生产高附加值钢材的高新技术，与传统的喷丸、电火花技术相 比，经激光毛化轧辊轧制或平整的薄板，表面有储油作用，具有优良的成形性能和表面 涂镀性能，能生产出深冲性能好、具有高附加值的镜面钢板。 虽然激光淬火和激光毛化都属于激光热处理，但又存在本质区别。激光淬火仅仅使 工件表面发生相变硬化，即表面改性处理；而激光毛化不但使工件的表面性能发生改变， 也使表面微观形貌产生改变，即表面改形改性处理。与其它表面改性方法相比，这种新 型的激光毛化表面结构由无数微小均布的硬化点对表面材料微观上硬化、宏观上钉扎强 化，在作用表层刚柔相济。因此毛化表面强度极高而且韧性不降低，表面粗糙度均匀可 控。在薄板的轧制和平整过程中，轧辊面上的微坑凸台在冷轧薄板板面上被压延成若干 变形硬化质点( 微坑) ，从而形成激光毛化板。 激光毛化轧辊的优越性能具体表现在以下几个方面 2 7 , 2 8 , 2 9 ： ( 1 ) 在轧制中，由于毛化后的轧辊改变了辊与板之间的接触状态，由光面对光面转 变成毛面对光面，在轧制力的作用下，摩擦系数明显提高，且激光毛化后的轧辊表面是 通过激光熔融、造型、急冷形成的，能使轧辊的表面硬度高达1 0 0 0 h v 。也就是说激光 毛化技术不仅有毛化功能，还有强化功能，能明显提高轧辊的耐磨性能。 ( 2 ) 激光毛化在轧辊表面所形成的高硬度区呈点状均匀分布，提高了辊面的硬度， 缓解了辊面残余压应力的集中，改善了辊面的韧性，减少了辊表面的变形，防止辊面产 生崩裂现象，从而延长了轧辊的使用寿命。 ( 3 ) 在轧制过程中，轧辊表面均布的微坑改善了轧辊与板间的摩擦润滑、接触条件 和冷却状态，有利于轧制工艺的顺利进行，减少了擦伤和粘连，提高了钢板的延展性和 4 江苏大学硕士学位论文 深冲性能，从而提高了钢板的表面质量。 ( 4 ) 用激光毛化辊轧制的钢板，在板材成形过程中，板面的微坑具有储油、收集磨 粒和冷却作用，改善了板材与模具问的摩擦和接触条件，有利于材料的流动，使成形工 艺易于进行。 ( 5 ) 由于激光毛化轧辊轧制的板表面分布有许多均匀的互不相通的小凹坑，在后续 机械加工中能形成一个个密密麻麻的小油池，十分有利于降低挤压力、拉伸力和剪切力。 在后续的深加工中，由于激光毛化技术能有效的控制板面的毛面和光面的比例，同时毛 面能增大板面的表面面积( 特别是凹坑带来的表面面积) ，有利于提高用户的产品合格率 ( 特别是深冲和超深冲产品) 。 ( 6 ) 使钢板具有很好的映像清晰性，增强了钢板表面对涂层的附着力，有利于后续 的镀铬、彩绘等工艺的进行，提高了成形件表面的涂漆光亮度，增加了产品的附加值。 1 2 2 激光规则微造型技术研究发展现状 对表面微细形貌在润滑摩擦中的作用的研究可以追溯到上世纪5 0 年代。1 9 5 2 年， s a l a m a l 3 0 l 在对推力轴承的试验中发现，在平行表面上的微细形貌，即表面粗糙度对轴承 的性能有很大的影响，由于表面微细形貌的存在，能够在平行的相对滑动的轴承表面形 成支撑载荷的流体动力压强。1 9 6 6 年，h a m i l t o n 3 1 】采用了不同表面粗糙度的炭石磨定子 和光滑透明的转动体进行试验。试验发现在两平行表面间的油膜能够承受外部载荷。 h a m i l t o n 同时采用一维数值模型分析微细形貌对动压润滑的影响。解析求解的结果和试 验结果相当吻合，并认为在密封环表面微细形貌的凹陷区内存在对称的局部压强分布； 微细形貌所产生的油膜压力，即使是在两表面相对平行的条件下，也能提供足够的油膜 压力支撑外载荷，隔离相对摩擦的表面，起到降低摩擦磨损的作用。e t s i o n 从上世纪8 0 年代就开始研究人工微细形貌即微造型对机械零部件润滑摩擦性能的影响。e t s i o n 主要 从理论和实验角度研究了凹坑形貌对活塞环一汽缸摩擦副、机械密封面的摩擦性能的影 唰3 2 1 。2 10 9 1 。 f e n s k e 等人在机械密封面的激光微细造型一文i 加】中，通过三维微型轮廓测定仪以及 电子显微镜定性s i c 和钢表面凹坑的尺寸、深度和密度；通过实验得出表面凹坑可以降 低摩擦力矩4 0 - - 6 0 ，在单向等角接触滑行的情况下，激光微细造型可以大大减小钢 密封件的摩擦系数，特别是在边界润滑或是混合润滑的情况下，激光微细造型可以扩大 动压润滑在低速高载下的接触参数。 5 江苏大学硕士学位论文 k e n t u n c k y 大学的l s s t e p h e n s 利用l i g a 技术在轴承和密封环表面加工出正六 边型形貌，通过摩擦磨损试验，得出在全油膜润滑的状态下，止推坏上摩擦系数可以减 少1 4 2 2 ，进一步通过理论研究，优化微造型参数，摩擦系数减小量可以达到6 0 。 同时在另外一篇论文【4 2 1 中，简单比较了l i g a 和u v 光刻技术，通过建立理论模型比较 方形，菱形，圆形，六边形，三角形的性能，得出结论：对于外凸的形貌，摩擦系数不 受形貌的形状和走向影响，但是对于内凹的形貌却相反；泄漏和油膜厚度依赖于造型形 状、走向和尺寸等；总的来说，微造型有利于形成动压润滑。 根据陶瓷的特性，s i c 被证明为水润滑条件下密封环的最佳材料之一。x a o l e i w a n g 等人1 4 3 1 主要研究水润滑下的s i c 密封环表面微造型，通过激光加工技术，在密封环表面 加工出规则凹坑，研究凹坑对引起动压润滑向边界润滑过度的主要载荷的影响，得出存 在一个面积占有率，使得表面能够承受最大的载荷，对于s i c 而言，r = 2 8 ，此时经过 造型的面比未造型的面载荷提高2 0 。x a o l e i w a n g 等人在另外一篇文章1 4 4 1 里研究r i e 加工出的微造型技术，还是着力从承受载荷角度入手，得出结论：载荷变化曲线图表明 存在一个最优的深径比，面积占有率使得承受载荷增大比未造型面提高两倍。凹坑微造 型除了可以提高载荷外，还可以减少摩擦系数。 p e t t e r s s o n u 等采用规则金刚石微细排列的表面，应用压刻工艺( 这个在前一章节 中已经介绍) 。根据研究这种表面微造型技术可以用于表面材料的硬度的研究1 4 5 卅。 p e t t e r s s o n ，j a c o b e o n 并将压刻技术应用于液压马达的活塞滚筒摩擦副在起止低速高压工 况下的摩擦磨损试验中。得出结论：微型槽可以容纳磨屑，作为储油槽，减少表面接触 面积，得到更稳定的摩擦系数。p e t t e r s s o n u 同时还研究了p v d t t n 镀层和d l c 镀层。 t i n 镀层与钢对磨，可以降低摩擦，但是造型面相比较未造型面，低摩擦持续的时间短； d l c 镀层与钢对磨，在干摩擦的情况下，明显降低磨损，减小摩擦，在边界润滑情况下， 对摩擦性能的影响主要由镀层厚度决定。 德国h o p p e r m a l m 等对激光微细造型j n i 工艺做了大量对比研究，分析多种类型激 光器，对不同激光器的不同参数进行了试验对比。h o p p e r m a r m 还通过试验验证了激光 微细造型对润滑摩擦性能的改进。另外德国e f l a n g e n n u r e m b e r g 大学机械工程学院 g e i g e rm 等人 4 s l 对激光微细a n t _ 设备、工艺开展了大量的研究。g e i g e r 采用受激分子激 光( e x c i m e rl a s e r ) 和光掩膜投影技术在工件表面加工微细形貌，并对激光微细造型对 摩擦学性能、机械部件寿命等影响做了研究。 国内对表面微细造型的研究刚刚起步。2 0 0 3 年，于新奇在单个微坑上建立了激光加 6 江苏大学硕士学位论文 工多孔端面机械密封的理论模型。在雷诺方程上采用有限差分法求解。分析结果表明， 密封面上的微孔可产生明显的动压效应。清华大学 4 9 - s 0 1 研究活塞环一汽缸的摩擦磨损居 多，但是主要研究的是温度，载荷，转速和供油对摩擦磨损的影响。并没有涉及到表面 形貌上，但是它设计的实验设备可以借鉴利用。实验设备可以测量摩擦系数，磨损量， 以及动态电阻值( 自行设计的) 。测量动态电阻值主要是用来测量润滑油膜厚度的存在 和变化。此外还研究了活塞环离子镀膜的摩擦学性能。采用离子镀技术在活塞环表面制 备了c r n 硬质膜，并利用s r v 高温摩擦磨损试验机考察了硬质膜的摩擦学特性，用扫 描电子显微镜观察了摩擦副的磨损表面形貌，分析了磨损机理。清华大学汪家道采用三 销环试验研究规则凹坑对表面摩擦性能的影响。实验是在面接触情况下，得到凹坑的不 同尺寸对摩擦性能有着不同的作用。实验设备f a l e x 多功能摩擦磨损试验机用于试件在 室温或加温条件，有润滑或干摩擦条件下摩擦磨损性能测试，以及润滑介质的摩擦学性 能评定。 天津工业大学激光应用研究所的林子光等【5 1 巧3 】，通过s r v 试验、t i m k e n 试验和发 动机挺杆的台架试验，发现了试件尽管很光滑，甚至是淬硬后精磨的表面抗擦伤能力并 不高。激光微精处理后的试件表面轮廓有明显的凹坑，试验结果这种形貌赋予工件优越 的支承面并兼备众多的”微油池”，具有较高的抗擦伤能力。在林子光的试验中发现，经 激光微精处理后的铸铁表面在抗擦伤、抗磨损及摩擦系数等发面都有所改善。在s r v 抗擦伤试验中，几种不同激光微精处理的表面图案( 断续条纹、人字形、网纹形等) 做 了分析对比。结果表明，激光微精处理所选择的图案及处理参数很重要，表面形貌对于 润滑零件表面的抗擦伤能力有着重要影响。 2 0 0 5 年，吉林大学生物与农业工程学院的任露泉教授从仿生角度，通过对蜕螂、壁 虎、贝壳、牙齿等天然生物耐磨表面几何形貌特征进行分析，指出生物非光滑表面现象 的普遍性，认为对生物非光滑技术的研究，主要集中于非光滑表面的减阻、脱附和耐磨 方面。同时介绍了生物非光滑耐磨技术在缸套、轧辊、耐磨涂层等方面应用研究的进展 情况。仿生非光滑耐磨缸套试验结果指出，在油润滑条件下，仿生非光滑形貌的摩擦副 的抗粘着磨损性能明显优于光滑形貌，其主要原因是在有润滑条件下，仿生非光滑形貌 具有较强的储存润滑油及形成油膜的能力【5 4 】。 在国内外学者对微细造型技术及其摩擦学性能的研究不断深入的同时，各个国家也 对微细造型的理论研究、加工技术及其工业应用等加大了投资力度。江苏大学近年来也 投入人力，物力研究表面微观形貌对摩擦学性能的影响。 7 江苏大学硕士学位论文 综上所述，目前表面微细造型和摩擦磨损润滑研究是国内外学者研究的热点。在对 激光表面微造型加工技术的研究中存在以下几个等待解决的问题： ( 1 ) 在激光微造型的加工方法研究中，纳秒激光加工的应用比较普遍，而对短脉宽 的激光加工方法研究较少，不同激光加工之间的性能差异没有得到充分的研究。 ( 2 ) 在激光微造型的形貌选择中，对点状凹坑形貌的研究最多，对其它的形貌研 究较少，有待进一步研究不同表面微观形貌对摩擦副表面摩擦性能的影响。 ( 3 ) 日前大多数研究集中在表面微观形貌对摩擦副表面产生的动压润滑和弹流润 滑效果，对微观形貌在干摩擦的状态下对表面摩擦副的摩擦性能的影响研究得较少。 ( 4 ) 目前大多数研究都是以高载或高速为主要工作条件，对于微细器件上的低载 工况研究得较少。 1 3 金属拉深成形摩擦模型研究 两个物体表面在外力作用下发生相互接触并作相对运动( 或运动趋势) 时，在接触 面之间产生的切向运动阻力称为摩擦力，这种现象就是摩擦。影响摩擦阻力的因素有： 接触表面的运动情况、外载荷、环境条件( 温度、润滑等) 、表面形貌和材料性质。产 生摩擦和摩擦阻力的原因主要是：接触点的粘着作用、表面微凸体间啮合的机械作用、 表面间边界膜的剪切作用、表面问流体的剪切作用和滚动接触中的弹性迟后作用等。 目前，对板料成形摩擦研究主要分为：板料成形摩擦模型研究和板料成形摩擦实验 测定研究。在板料成形摩擦模型研究方面，由于对摩擦过程机理尚有许多不明之处，加 之动态摩擦过程十分复杂，近年来进展不大，主要仍采用库仑摩擦定律表述摩擦力与正 压力间的关系，摩擦系数多按常数处理【5 5 1 。板料成形摩擦模型研究主要包括： ( 1 ) 主应力法。该方法主要是从应力应变角度来分析金属塑性变形及破坏。切取 包括接触面在内的典型单元体，认为仅在接触面上有币应力和切应力( 摩擦力) ，而在 其它截面上仅有均匀的正应力( 忽略切应力作用) 。列出单元体的平衡方程，与塑性条 件联解，可求得变形区各主应力的分布情况1 5 6 1 。 ( 2 ) 功平衡法。变薄拉深时，变形区金属除受到轴向应力影响外，同时还受到凸 模和凹模对变形金属的径向压力以及摩擦力的影响。其中，凸模与工件之间的摩擦力与 拉深方向相同，即有利于拉深的进行，而凹模与工件间的摩擦力这与拉深方向相反，根 据功平衡原理推导得正压力和拉应力【5 7 5 8 j 。用功平衡法求解变薄拉深时，同时考虑了工 8 江苏大学硕士学位论文 件内外摩擦的影响，从理论上讲应该是较完善的变薄拉深的计算方法，但用此法求得的 变形极限与实际值偏差较大。 ( 3 ) 反推法。采用塑性力学模型控制原理，在拉深的初始阶段对工件的材料参数 和工件与模具之间的摩擦系数进行反推，然后随着行程变化对压力进行可变控制，从而 实现最佳的成形条件【5 9 1 。为了精确的反推材料性能参数，必须采用实验方法确定压边力 最佳适用区间。以实验结果为基础，根据材料特性及摩擦系数的反推结果，在拉深过程 中对工艺参数进行可变控制嗍。 ( 4 ) 有限元分析法。接触摩擦力的计算是有限元分析的关键技术之一，在模拟拉 深变形过程、预测板料在模具中的流动、分析模具的受力状态、预测成形缺陷以及优化 工艺参数等方面起着不可替代的作用【6 1 6 2 1 。在变形过程中，由于工件表面连续的变化， 接触温度也在变化，所以摩擦是一个复杂的现象。由于摩擦力随拉深过程滑动速度的变 化会出现阶跃型突变，容易导致有限元模拟的稳定性下降。为了提高有限元计算的稳定 性，应修f 库仑滑动摩擦定律【6 3 1 。但实际上摩擦阻力随摩擦速度的改变而变化，因此常 摩擦系数是不切实际的，应以接触摩擦屈服函数代入摩擦本构关系中，确定由摩擦力导 致的能量耗散率，采用流动法则来描述摩擦定律 6 4 1 。 1 3 1 金属拉深成形摩擦性能试验 除了理论建模以外，摩擦阻力对金属成形参数影响的研究工程应用价值在很大程度 上仍然取决于实验。在板料成形摩擦实验测定研究方面有代表性的研究成果有四个： ( 1 ) 平板滑动实验【6 5 1 ，该方法实验装置简单，可在一定程度上模拟法兰处压边力 作用下的摩擦条件，缺点是没有考虑拉深弯曲作用下的实际变形摩擦条件； ( 2 ) 拉弯实验 6 6 1 1 6 7 1 。主要用于单纯模拟拉深成形中凹模压边圈处、圆角处或冲头 角处的摩擦条件； ( 3 ) 拉延成形摩擦实验【硎。可以模拟更接近于实际拉延成形条件并伴有拉深弯曲 成形状态的成形摩擦过程，此方法通过改进可直接测力，得到摩擦系数； ( 4 ) 探针法实验1 6 9 7 0 1 。通过在拉深模具上安装探针传感器的方法，直接测试变形 剧烈区压边圈下的摩擦力和j 下应力在拉深过程中的变化，以及测试总变形力、压边力和 拉深深度等，并由计算机测试系统采集实验数据，计算摩擦系数和有关参数，绘制出各 力与凸模行程的关系曲线，通过对实验数据的分析，研究各种拉深成形影响因素的不同 作用。在每组实验中，尽可能地保持其他各种影响因素不变，而仅使一种需要研究的拉 9 江苏大学硕士学位论文 深成形影响因素循序渐进地变化，从而来定量分析这种因素对拉深成形的作用。实验坯 料的形状和尺寸是根据薄板拉深成形后的零件形状选用，实验工况吻合薄板拉深成形工 况，能相对真实的反映拉深过程中法兰处的摩擦与润滑变化规律。 以上研究工作为深入研究金属拉深成形过程中摩擦机理打下了良好的基础。但还存 在许多有待决的问题： ( 1 ) 在理论模型研究方面，迄今为止，金属拉深形过程中的摩擦系数多按常数处 理1 7 l 】。然而，由金属拉深成形过程中材料界面变形的受控因素很，如工况、材料组织、 润滑剂及工况与模具间相对运动的稳定性，使得拉深界面存在附加的微观滑移，从而导 致拉深过程中摩擦系数的不稳定性。因此，如何寻找表征拉深过程的摩擦模型，使其能 预测拉深过程中摩擦的不稳定性，对拉深质量的影响将有其重大的工程意义。 ( 2 ) 在实验研究方面，国内具有代表性的研究主要集中在对于变形区压边圈下的 摩擦力的在线测定i 碉和该处摩擦特性的研究【7 3 1 。然而，由于金属拉深成形过程中各处的 摩擦特性具有很大的差异，其摩擦机理随工况参数的变化而改变。因此如何测定拉深过 程中个别微区( 如折弯处) 的摩擦性能，是一个需要重点研究的问题。 ( 3 ) 基于工程实践，材料的拉深变形过程及拉深表面质量在很大程度上取决于润 滑剂，因此进一步探讨在拉深过程中的界面润滑与摩擦机理显得十分重要。 1 4 本课题的创新思想 从广义上讲，金属塑性成形模具加工工件的过程和轧辊轧制工件的过程极其相似， 又由于目前模具的各种表面处理技术在应用范围、工艺可控性、可重复性、加工效率、 环境污染、成本、结合强度和密度等方面存在一定的缺陷。受激光毛化技术在轧辊上和 激光微造型在摩擦副减磨效果成功应用的启发，本文首次提出将激光复合造型表面改形 改性技术应用到金属塑性成形模具的表面强化处理中，以实现模具工作表面结构的微观 改形和改性，并首次提出了新型激光复合造型模具的概念。 本课题首次提出的针对模具使用性能的模具表面激光毛化和激光微造型改形改性 处理新技术，其主要创新思想是针对塑性加工领域中的拉延模，运用激光毛化和微造型 技术，采用合理的激光参数和特定的辅助工艺，在模具的关键部位，实现优化的激光毛 化和激光微造型的微观形貌、合理分布和强化改性；并通过塑性理论、模拟和实验相结 合的研究方法，对激光复合模具表面的设计方法、摩擦模型、毛化模具作用下的板料成 1 0 江苏大学硕士学位论文 形性能数值模拟与分析等进行研究；其最终目的是实现根据材料变形特点和成形性能要 求，优化设计制造出具有多尺度效应、特殊激光毛化和激光微造型的新型高性能模具。 所谓新型激光复合造型模具，是指根据金属塑性成形模具的结构特征、材料性能、 成形工艺以及成形工件的材料、结构特点等，在模具表面相关的部位，通过控制激光功 率密度、脉冲宽度、脉冲频率等激光参数，实施不同形貌方案，在需增大摩擦的区域进 行激光毛化，在需减小摩擦的区域进行微造型处理，以期在金属塑性成形模具表面形成 高硬度、呈疏密不等分布的、由凹坑和凸台组成的微观几何形貌，以显著的提高模具表 面的耐磨抗磨、润滑减磨性能，延长模具的使用寿命，优化成形工艺，提高成形工件的 深冲性、韧性、涂漆光亮度等表面质量和性能。 1 5 课题来源 本研究来源于江苏省高校自然科学研究计划“新型毛化模具表面摩擦学优化设计及 其应用研究”( 0 7 k j d 4 6 0 0 3 5 ，2 0 0 7 年) 。 1 6 研究的主要内容 ( 1 ) 阐述了塑性成形中摩擦的分类、摩擦机理和摩擦特点，摩擦对板料成形性能 的影响。 ( 2 ) 利用通用有限元软件的子程序二次开发，对板料成形过程进行模拟，根据模 具与板料之间的动态接触状态的变化及不同的区域采用不同的摩擦模型，编写相应子程 序。并把模拟结果与成形实验结果进行了对比，证明模拟的可行性。 ( 3 ) 研究在毛化模具中的摩擦对板料成形性能和力学性能的影响规律和机制。对 拉深成形过程进行了模拟计算，分析板料成形过程中摩擦对应力、应变和板料厚度变化。 在此基础上，分析板料拉深成形过程中不同区域的摩擦行为及其对应的摩擦模型，更好地 指导数值模拟研究。 ( 4 ) 基于数值模拟方盒件冲压成形工艺参数的优化通过引入均匀设计实验方法与 有限元数值模拟集成，对板料冲压成形的工艺参数进行优化，给出各工艺参数的合理范 围。 ( 5 ) 通过对锯片进行成形模拟和实验分析，验证了将激光造型技术对板料成形性 能提高的可行性和优越性。 1 1 江苏大学硕士学位论文 1 7 本课题研究意义 模具表面摩擦磨损性能是影响材料成形成败的关键因素之一，因此，迫切需要根据 模具的使用性能，研究能够提高模具耐磨抗磨、润滑减摩性能和板料成形性能的模具表 面处理新方法。本文提出的将激光复合造型技术应用到模具表面处理的思想是适应这一 迫切需求的有效解决方案，具有重要的理论意义和工程价值。 ( 1 )