（材料加工工程专业论文）基于fea及pvd技术的细小凸模失效分析与优化.pdf

基于f e a 及p v d 技术的细小凸模失效分析与优化 摘要 本文主要利用f e a 及p v d 技术，针对细小凸模的断裂和磨损两种失效 形式，进行失效分析与优化。 针对断裂：首先，以细小圆凸模为例，运用d e f o r m 软件对其结构进行 分析，再利用其分析结果，采用a n s y s 进行优化设计，最终得到了细小 圆凸模的优化结果并在生产现场得到验证；其次，将理论同实践互相结合起来， 对细小异形凸模进行了优化设计，并最终得出较为理想的细小异形凸模结 构；最后，对与细小凸模有关的固定结构、导向结构、废料排出结构及快换结构 进行了优化设计。总之，本课题充分考虑了细小凸模断裂的内因及外因，较全面 地解决了细小凸模的断裂问题。 针对磨损：首先，系统地阐述了磨损理论及p v d 技术，得出了细小 凸模最主要的磨损方式为粘着磨损的结论，并采用p v d 复合渗镀技术沉 积t i n 或t i c n 硬质膜来解决此磨损难题；其次。在实验室里对a i s id 2 钢上的离子渗氮层、t i n 涂层及它们的复合涂层的抗磨性能进行了研究， 得出了复合涂层抗磨性能最好的结论；最后，将上述成果应用到细小凸模 的表面处理上，且在生产现场进行了验证，其结果同实验室的结果比较吻 合。总之，本课题运用复合渗镀技术在细小凸模表面沉积t i n 膜，得到了 内部韧性好外部硬度高的细小凸模，不但非常有效地解决了细小凸模的磨 损问题，而且对细小凸模断裂问题的解决也很有帮助。 关键词：细小凸模断裂f e a 磨损p v i ) 复合处理 a n a l y s i sa n do p t i m i z a t i o no f f a i l u r eo f p i np u n c h b a s e do nf e aa n dp v d a b s t r a e t i nt h i sp a p e r , t h ef a i l u r eo f p i np u n c h w a s a n a l y z e da n do p t i m i z e db a s e d o nf e aa n dp v d ，a c c o r d i n gt of a i l u r em e c h a n i s mo ff r a c t u r ea n dw e a ro f p i n p u n c h s o m e k e yt e c h n i q u e si ns o l v i n gt h ep r o b l e mo fp i np u n c h sf r a c t u r ew e r e a sf o l l o w s ：f i r s t ，a u t h o ra n a l y z e daf i n er o u n dp u n c hs e tb a s e do nd e f o r m ， a n dt h e ni t ss e tw a so p t i m i z e db yu s i n gt h ea n a l y t i cc o n c l u s i o nb a s e do n a n s y s ，a n dt h u si t so p t i m i z a t i o ns e tw h i c hw a sc o r r e c tt h r o u g ht e s t i n gi n s h o p s o l u t i o nw a sa c q u i r e d s e c o n d ，a n a l y z i n ga n d o p t i m i z i n g t h ef i n e a b n o r m a l p u n c h t h ea u t h o rf o u n di t s o p t i m i z a t i o n s e t b yt h e o r y i n c o m b i n a t i o nw i t hp r a c t i c e f i n a l l y , t h ep i np u n c hr e l a t i v es e tw a s o p t i m i z e d i naw o r d ，t h ea u t h o rf u l l yc o n s i d e r e dt h ei n t r i n s i ca n de x t e r n a lf a c t o ro ft h e p i np u n c h sf r a c t u r ei nt h es u b j e c ta n db a s i c a l l ys o l v e di t sf r a c t u r ed e f e c t s o m ek e yt e c h n i q u e si ns o l v i n gt h ep r o b l e m so f p i np u n c h sw e a l w e r ea s f o l l o w s ：o nt h eo n eh a n d ，t h ea u t h o re x p o u n d e dw e a rt h e o r ya n dp v d ，a n d a r r i v e da tt h ec o n c l u s i o nt h a tt h em a j o rw e a rm e c h a n i s mo fp i np u n c hw a s a d h e s i v ew e a r , a n dt h u ss o l v e dt h ew e a r p r o b l e mb yu s i n gd u p l e xt r e a t m e n to f p v dt od e p o s i tt i no rt i c no nt h en i t r i d i n gl a y e ro f p i np u n c h s o n t h eo t h e r h a n d ，i nt h el a ba u t h o rs t u d i e dt r i b o l o g yo fn i t r i d i n gl a y e r ，t i nc o a t i n g sa n d t h e i rc o m p l e xo na i s id 2s t e e la n da r r i v e da tt h ec o n c l u s i o nt h a tt h ew e a r r e s i s t a n c eo fc o m p l e xl a y e rw a st h e b e s t f i n a l l y , t h ea b o v ep r o c e s sw a s a p p l i e d t o p i np u n e h ss u r f a c et r e a t m e n ta n dt h er e s u l t o ft e s t i n gt h ef i n e p u n c h si nt h es h o ps o l u t i o ns h o w e dt h a tt h ec o n c l u s i o ni nt h el a bb a s i c a l l y m a t c h e dt h a ti nt h es h o ps o l u t i o n i ns h o r t ，i nt h es u b j e c tt h ea u t h o rd e p o s i t e d t i no nt h en i t r i d i n gl a y e ro fp i np u n c ha n do b t a i n e dt h ep i np u n c hw h o s e i n t e r n a lt o u g h n e s sw a sg o o de n o u g ha n dw h o s ee x t e r n a lh a r d n e s sw a sh i g h e n o u g h ，w h i c he f f i c i e n t l ys o l v e dn o to n l yf i n ep u n c h sw e a rp r o b l e mb u ta l s o i t sf r a c t u r ed e f e c t k e yw o r d s ：p i np u n c h f r a c t u r ec a ew e a rp v d d u p l e xt r e a t m e n t 合肥工业大学 本论文经答辩委员会全体委员审查，确认符合合肥工业大学 硕士学位论文质量要求。 答辩委员会签名：( 工作单位、职称) 主席： 奄邑犯 毛，之教授 委员： 套军 合上穴 法虹泰仑人 隔文洱参把啦戈哆 导师 _ 占p 刮教授 静1 取嘏 研及梭 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据 我所知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外。论文中不包含其他人已经发表或撰写过 的研究成果，也不包含为获得金a & 王些盍堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示 谢意。 学位论文作者签字：刁中炒量签字日期：以 年月，名日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金b 王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。允许论文被查阅或借阅。本人授权 盒匿王业盔堂可以将学位论文的全部或部分论文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、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：钥脞 签字日期：眄年6 月f 6 日 学位论文作者毕业后去向 工作单位： 通讯地址： 导师签名： 值 历扎私 毛 蜥黼 甜 瓤躺 致谢 在本文即将完成之际，首先向我的导师董定福副教授致以深深的 谢意! 在我三年的硕士研究生学习期间，始终受到导师的亲切关怀和 悉心指导。在学习上，导师严谨的工作作风、丰富的学识和非凡的敬 业精神时时激励着我，使我受益匪浅；在生活上，导师同样给予了我 热情的关怀和帮助。同时，也非常感谢我的第二导师张德元研究员在 学术研究方面给予我很大的帮助，特别是他在模具表面工程方面给予 我非常大的帮助，使我在此方面取得了较好的成绩，为我的硕士论文 圆满完成打下坚实的基础。 特别感谢刘全坤教授、薛克敏教授、王雷刚教授在学业和生活上 给予我的帮助和启迪，在此谨向他们表示诚挚的谢意与敬意! 衷心感谢洪深泽教授、陈文琳副教授、李萍副教授在学习和生活 上给予我的帮助和指导i 在本课题完成中，得到深圳怡景五金制品厂有限公司谢子勋董事 及深圳国家8 6 3 计划材料表面工程技术研究开发中心张德元部长的帮 助和大力支持，在此表示衷心的感谢! 感谢实验室李冬生、苏兆梁、王远钟、尹洁林、胡成亮、胡龙飞、 谢道才、孙宪萍、叶思珍等同学对我的关心和帮助! 在本论文的完成过程中得到了父母及家人的支持和帮助，在此向 他们表示崇高的谢意! 同时谨向所有帮助和支持我的人们致以衷心地 感谢! 作者：王可胜 2 0 0 5 年5 月 第一章绪论 1 1 冲压加工与应用 冲压行业是一个涉及领域极其广泛的行业，深入到制造业的方方面面。冲 压工艺是塑性加工的基本方法之一，它主要用于加工板料零件，所以有时也叫 板料冲压。在国外将冲压称为板料成形。冲压加工通常分为冷冲压加工和热冲 压加工。热冲压加工是将金属加热到一定的温度范围的冲压加工方法，优点为 可消除内应力，避免加工硬化，增加材料的塑性，降低变形抗力，减少设备的 动力消耗。冷冲压加工是在常温下，利用冲压设备( 压力机) 和冲模，使各种 不同规格的板料或坯料在压力作用下发生永久变形或分离，制成所需各种形状 零件的一种加工方法i l ，2 j ，一般适用于厚度小于4 m m 的坯料。冲压加工一般不 希望加热毛坯，所以通常情况下的冲压加工为冷冲压加工。冷冲压加工的优点 为【3 】： ( 1 ) 冷冲压是一种高效( 即高生产率) 低耗( 即材料利用率高) 的加工方 法。冷冲压工艺，适用于大批量零件或制品生产，便于实现机械化与自动化， 有较高的生产效率。同时，冷冲压不仅能努力做到少废料和无废料生产，而且 即使某些情况下有边角余料，也可以充分利用，使之不至造成浪费。 ( 2 ) 操作工艺方便，操作简单，便于组织生产。在大批量生产条件下，冲 压件的成本低。 ( 3 ) 在压力机简单冲压下，可以获得用其他加工工艺难以加工的各种形状 复杂的零件与制品。 ( 4 ) 冲压出的制品与零件，一般不需做进一步机械加工。冲压出的制品零 件具有较高的尺寸精度。如果采用某些特殊措施，尺寸精度还可以提高，可用 于精密零件加工。 ( 5 ) 冲压件有较好的互换性。冲压加工稳定性较好，同一批冲压件，可相 互调换使用，不影响装配和产品性能。 ( 6 ) 由于冲压件大多用板料作材料，所以它的表面质量较好，为后续的表 面处理工序提供了方便。 ( 7 ) 冷冲压加工可在耗费不大情况下，能够获得强度高、刚度大而重量轻 的零件。 ( 8 ) 冷冲压加工不需要加热，无氧化皮，表面质量好。 冲压加工因为有以上诸多优点，所以冲压工艺在航空、兵工、汽车、拖拉 机、电机、电器、电子、电子仪表以及日常生活用品的生产方面占据十分重要 的地位。 1 2 细小凸模的失效形式与失效分析 随着电器产品的快速发展，一类新的产业( 电器件冲压厂) 在中国南方迅 速发展起来。电器产品大多小巧玲珑，如数码相机，它的冲压配件的固定孔、 联接螺纹底孔多数小于巾2 m m ，冲这些小孔的凸模便成为细小凸模。冲小孔和 冲小孔的细小凸模，至今还没有标准衡量及数据界定，不少相关文献是依冲孔 真径d 及凸模总长l 的绝对值大小来笼统划定小孔、长凸模，既对冲压工艺和 冲模设计缺少实际指导意义，也欠科学。从冲模设计和冲压工艺性要求出发， 对冲小孔、细小凸模进行合理而科学的量化界定是十分必要的。根据德国工业 标准d i n l 5 4 3 的规定，将钢板按其厚度分为：薄板t 4 7 5 m m 三大类。在平钢板上冲孔，考虑料厚t 、孔形及制孔精 度按表1 1 指标进行界定【4 j 。 表1 - 1 平钢板冲孔时备类孔界定条件 圆孔异形孔 序 冲孔件料厚t ( m m )冲孔件料厚t ( m m l 号类别 4 7 5 4 7 5 冲小孔直径d ( m m )冲小孔面积f g ( m m 2 ) i小孔35852 05 6 2深孔( d t )l1 21 51 21 52 3高精度孔i t 7i t 8i t l 0i t 8r r l oi t l 2 1 2 1 细小凸模的失效形式 细小凸模在服役中产生断裂破坏、表面损伤、尺寸超差、形状改变等现象 后，将丧失原有的功能，达不到预期的要求，或变得不安全可靠，以致不能正 常地服役，这些现象统称为细小凸模的失效。即细小凸模的失效是指细小凸模 丧失了正常工作能力，其生产出的产品已成为废品的情况。 通常可将细小凸模的失效过程分为早期失效、随机失效、耗损失效三个阶 段【5 一。早期失效发生在模具的使用初期，主要是由于模具设计和制造上的缺陷 一经使用就显露出来，进而诱发失效。这失效在早期的几率甚高，随着使用时 间的延长而迅速减低。如果在模具交付使用前，对之进行可靠性实验或短时间 的试用，就能及时发现隐患，并进行补救或剔除，从而避免在正常服役时造成 损失。模具经过使用初期的考验而未发生失效，就进入了随机失效阶段。在理想 的情况下，未达到正常寿命的模具不应该发生失效现象。但由于环境的偶然变 化，操作者的人为差错，或者因为管理不善而造成的某些损伤，仍可能导致失 效。这种失效的发生几率很低，且随着使用时间的延长其增长也很缓慢。呈随 机分布。这一阶段为模具的最佳工作时期对模具的正确使用和精心维护是防 止模具发生随机失效的主要措施。模具经过了长期使用，由于损伤的大量积累， 2 致使发生失效的几率急剧增加，从而进入耗损失效阶段，即到了模具寿命的终 止期。在模具使用过程中，经常性的维护、保养，可延迟耗损失效期的到来。 细小凸模( 冲头) 、凹模的刃口是冲裁模的主要工作部位，它们在冲孔时对 板料施加压力，使板料发生弹性变形、塑形变形，直至被剪断。在板料弹性变 形阶段，细小冲头断面的中央部位与板料脱离接触，压力集中于刃口附近的狭 小范围内，使刃口上的单位面积压力增大。在板料塑性交形和剪裂阶段，冲头 切入板料，板料挤入凹模洞口，使模具刃口的断面和侧面产生挤压和摩擦。细 小冲头的压力通常大于凹模，尤其是在厚板上冲小孔时，冲头的单位压力很大。 设细小冲头工作部分的直径为d ，板料厚度为t ，则比值叭越小，冲头受力越 大，其寿命就越低。当比值叭较大时，冲头所受压力较小，细小冲头的失效形 式主要为磨损，这是因为当细小冲头在一次冲裁过程中经受两次摩擦( 冲入和 退出各一次) ，所以冲头的磨损较快；当比值d l t 较小时，冲头所受压力较大， 细小冲头的主要失效形式为断裂。综上所述，细小凸模的主要失效形式为断裂 及磨损。 1 2 2 细小凸模的失效分析 判断细小凸模失效性质，分析失效原函，研究预防失效的措施等一系列的 技术活动，称为细小凸模失效分析。其主要目的是避免或减少同类细小凸模失 效现象的重复发生，延长细小凸模的使用寿命，提高经济效益和社会效益。细 小凸模失效原因的分析和防护措施的提出，可以从以下几个方面入手1 5 , 6 1 ： ( 1 ) 结构优化设计。细小凸模的结构设计，应尽量使各部分均匀受载，使 应力流线均匀分布并平滑过渡，减小应力集中，强化薄弱环节。 ( 2 ) 合理加工与装配。细小凸模的加工与装配应选择合理的工艺方案，正 确按照技术要求和工艺规程实施，注意加工表面质量，减少应力集中。 ( 3 ) 合理选材。根据细小凸模的工作条件和失效形式，提出相应的评价材 料性能指标，选用合适的模具材料及热处理工艺，以满足使用要求。 ( 4 ) 表面处理。采用工艺先进的物理气相沉积技术( 如t a - c ，t i c n t n ) 对绍小凸模进行离子镀膜，减少细小凸模的磨损，提高细小凸模的寿命。 1 3 细小凸模结构优化、磨损及物理气相沉积技术的发展概况 1 3 1 国内外细小凸模结构优化技术的发展概况 模具行业体现了一个国家的制造水平，好的模具可以带给产品好的外观、 好的质量以及市场竞争力。目前国内模具设计、制造业水平相对落后。连续模 厂家生产的模具在精度、寿命上大多数低于国外同类模具。在板料冲压中，冲 小孔的细小凸模折断是冲孔模、带冲小孔工位的连续模以及具有小孔冲裁的复 3 合模失效的主要原因之一。生产线上的上述各类冲模，常常因为细小凸模的突 然折断或变形而不得不停产修理，甚至永久失效。根据多年的实践经验和国内 仪表行业国有大型骨干企业大量失效的冲模统计分析，这类冲模约占总数的5 8 ，是一个值得注意和十分主要的冲模失效因素，而造成细小凸模折断的 主要原因则源于冲模选型不良及凸模的结构形状设计失误。对于细小凸模的设 计一般都是只进行承压能力和稳定能力的校核，详细调查表明同行业在设计及 制造细小凸模大多凭借经验从众多的细小凸模结构中选择一种，很少有厂家利 用c a e 对细小凸模的结构进行分析及参数优化。许多厂家备用较多的细小凸模， 如断裂或磨损就更换。有的技术力量较强的厂家在细小凸模的快换结构上进行 了大量研究及大量实验，探索出适合自己工厂的细小凸模的快换结构，较大地 减少了更换细小凸模的时间 4 1 。 1 3 2 国内外细小凸模摩擦学和磨损理论的发展概况 关于磨损的理论，现在还没有一个完善的说法，在不同的情况下，问题也 很复杂。在冲压加工中，凸、凹模的表面磨损是不可避免的。随着冲压次数的 逐渐增加，凸模越来越小，凹模越来越大1 7 , 8 1 。 磨损的研究工作开展得较迟，本世纪5 0 年代初期在工业发展国家开始研究 “粘着磨损”理论，探讨磨损机理。1 9 5 3 年英国的阿查德( j f a r c h a r d ) 提出 了简单的磨损计算公式，1 9 5 7 年苏联的克拉盖尔斯基( h b k p a r e b e k h h ) 提出 了固体疲劳理论和计算方法，1 9 7 3 年美国的苏州p s u b ) 提出了有争论的磨损 剥层理论。从6 0 年代以后，由于电子显微镜、光电子谱仪、电子能谱仪、俄歇 电子谱仪以及电子衍射仪等测试仪器和放射性同位素示踪技术、铁谱技术等大 量和综合的应用，使得磨损研究在磨损力学、机理、失效分析、监测及维修等 方面有了较快的发展。目前已把磨损试验机直接装在电子显微镜内以便进行观 察和电视录像，了解磨损的动态过程；而且研究磨损的表面，次表面及磨屑形 貌、成分、组织和性能的变化，以便搞清磨损机理，分析和监测磨损过程，从 而寻求提高机器寿命的可能途径。 细小凸模磨损的过程是非常复杂的，即不容易用数学方法来描述，也不容 易用现象模型或经验模型来描述。通常，细小凸模磨损受模具表面应力状态、 板材厚度、沿着冲压方向应力的变化、冲压速度、模具温度、模具的硬度和延 展性等的影响很大，个别参数对磨损的影响不是线性的或是相互独立的参数。 d o e g e 等学者所建立的磨损模型考虑了八个影响参数。该模型是用标准的统计 学获得，它可进行最大磨损的计算。从工具表面的机械角度看，如f e l d e r 和 m a h o u d 、s t a h l b e r g 和h a l s t r o n 、p a i n t e r 等学者计算磨损时常用的是a r c h a r d 模型及其修正模型【9 】。 4 1 3 3 国内外细小凸模的p v i ) 技术的发展概况 p v d ( 物理气相沉积) 和c v d ( 化学气相沉积) 两种技术是薄膜技术中两 个重要的分支。尤其是p v d 技术，随着真空电弧离子镀和非平衡磁控溅射离子 镀技术的出现，在工模具表面的强化镀膜方面的应用得到了长足的发展。离子 镀技术借助于等离子体，可以在低温或者常温下进行镀膜加工，加工后不会影 响工件本体材料的性能，工件无须进行二次热处理，而且，加工后表面细腻， 基本不改变工件的表面粗糙度和光亮度以及可用局部遮盖法对模具进行局部沉 积，因此，p v d 技术在近年来得到了充分的重视和广泛的应用。它是今后各种 模具、切削工具和精密机械零件等进行表面强化的主要技术，有着广泛的应用 前景 1 0 - 1 2 】。 ( 1 ) 世界p v d 技术的发展概况。p v d 中的离子镀技术出现在上世纪七十年 代末期，由于其工艺处理温度可控制在5 0 0 ( 2 以下，因此可作为最终处理工艺用 于高速钢类刀具、模具的涂层。p v d 技术可大幅度提高高速钢刀具的切削性能， 所以该技术在八十年代得到迅速推广应用。八十年代末工业发达国家复杂高速 钢刀具p v d 涂层比例已超过了6 0 。随着高速切削加工时代的到来，高速钢刀 具应用比例的下降，硬质合金、陶瓷刀具应用比例的上升已成为必然，因此工 业发达国家自九十年代初就开始致力于硬质合金刀具p v d 技术的研究，九十年 代中期，硬质合金刀具p v d 技术已取得了突破性的进展，并普遍用于硬质合金 立铣刀、钻头、阶梯钻、油孔钻、铰刀、丝锥、可转位铣刀片、异形刀具、焊 接刀具、车刀等的涂层处理。由于模具材料的多样性和服役条件的复杂性，模 具的表面镀膜技术的开发远远落后于刀具。近十几年来，由于大量采用新技术 和新工艺，如多层膜、梯度膜、复合处理等，使p v d 技术在模具和磨损零件的 应用上迈进了一大步，正在改变那种p v d 就是刀具上镀t 悄的传统概念。 ( 2 ) 我国p v d 技术的发展概况。我国p v d 涂层技术的研发工作始于八十 年代初，八十年代中期研制成功中小型空心阴极离子镀膜机及高速钢刀具t i n 涂层工艺技术。与此同时，由于对刀具涂层市场前景的看好，国内大型工具厂 有七家引进了大型p v d 涂层设备，并均以高速钢t i n 涂层工艺为主。进口技术 及设备的引进，调动了国内p v d 技术的开发热潮，国内各大真空获得设备厂及 众多的科研单位纷纷展开了大型离子镀膜机的研制工作，并于九十年代初开发 出多种p v d 设备。但由于大多数的设备性能指标差。刀具涂层工艺无法保证， 再加上预期的市场效益也未能实现，致使大多数单位放弃了p v d 刀具涂层技术 进一步的研究工作，因此导致近十年里国内刀具p v d 涂层技术处于徘徊不前的 局面。尽管九十年代末国内成功开发出了硬质合金t i n - t i c n - t i n 多元复合涂层 工艺技术，并达到了实用水平，c n x 涂层技术也有了重大突破，但总体技术工 艺装备、工艺水平和应用状况与国际水平相比，均有较大差距。 1 3 4 国内外细小凸模的p v d 技术的发展趋势 近年来，由于p v d 技术给工业带来了巨大的经济效益，符合绿色制造的概 念，因此得到迅速发展和推广应用，无论国际上还是国内，研究内容包罗万象， 非常广泛。下面对最新发展的部分概况作一介绍。 ( 1 ) 应用对象不断扩大【l ”。八十年代p v d 技术主要用于提高切削工具性能， 近十几年在模具的易损件上的应用得到了充分的重视。p v d 技术用于零件防腐 蚀抗磨损越来越多。例如，英国c a m b r i d g e 和t e c v a c 公司完善了加工黄铜、t i 和a l 的加工模具上的c r n 沉积法；德国d o r r e n b e r ge d e l s t a h l 公司开发了一种 使用电弧蒸发镀沉积法在冲压模具上镀具有高附着力的c r n 。 ( 2 ) 沉积的基体温度越来越低。由于应用对象的扩展，p v d 处理的材料也由 原来较单一的高速钢、硬质合金等材料不断向中低合金结构铜、模具钢，乃至 有色金属等其他材料类型拓宽。为保证p v d 表面处理后被处理件整体材料性能 不下降，降低p v d 处理温度，在较低温度下获得性能优良的沉积层，已成为一 个主要技术问题 1 3 - 1 6 j 。 ( 3 ) 向新型、复合及多层化涂层发展。p v d 技术应用于模具和摩擦副零件比 用于切削刀具的摩擦学系统要求高，为此，沉积层的类型也要进一步改进，以 满足更高的性能要求。选用新型镀层、复合镀层( 多元镀层) 以及多层镀层是 进一步提高结合强度、基体承载能力以及基体和涂层匹配性等性能的有效途径， 从而极大地改善其可靠性和使用寿命 1 3 , 1 7 - 1 8 】。 ( 4 ) 改变制备工艺，提高摩擦学性能。英国近期的研究表明，为了提高p v d 方法处理工具的耐磨性，应注意底层的制备，即机加工和热处理、工具的几何 形状及表面质量，这对t i c n 镀层具有很大意义i l3 1 。 ( 5 ) 脉冲技术在p v d 技术上的最新运用。近年来，随着电子和控制技术的 发展，脉冲技术逐渐应用到三种传统的薄膜的蒸发源上，各种粒子源都进行了 脉冲化探索。蒸镀尝试采用激光脉冲作为蒸发源；溅射技术和多弧离子镀也采 用脉冲的方式。 ( 6 ) 溅射沉积磁结构改进和p v d 技术的混合运用。通过改进磁控溅射的磁 结构，达到增加中性原子电离的目的，提高溅射的空间和效率，即所谓的非平 衡磁控溅射技术。各种沉积手段的混合运用也是p v d 技术的最新发展之一，经 过多种粒子源的组合运用，如真空阴极电弧与非平衡磁控溅射的复合，霍尔等 离子体源与平衡磁控溅射的复合，离子束辅助沉积技术等，可以消除单一沉积 手段的缺点，获得良好的效果。 ( 7 ) 复合处理技术。对于基体材料硬度不高或重载的模具，提高基体材料对 表面膜层的支撑是十分必要的，所以渗镀复合处理已应用于这种场合。 6 1 4 课题的来源、目的、意义和主要研究内容 1 4 1 课题的来源、目的及意义 本课题来源于深圳怡景五金厂有限公司。同时，本课题表面工程部分是国 家8 6 3 计划项目“模具表面的复合表面强化集成技术及工业化应用 ( n o 。2 0 0 1 a a 8 8 3 0 1 0 ”和深圳市政府科技项日“渗注镀复合材料表面强化技术开 发与应用”的一个子课题，该项目已经完成并正在准备通过专家技术鉴定。 2 0 0 3 年9 月怡景公司使用1 6 5 米长连续模生产数码相机支架，在料厚 t = i 0 m ms u s 3 0 4 c p 不锈钢全软板料上冲妒1 5 竺”的小孔或其它异型孔时，每冲 3 0 0 - 2 0 0 0 个产品，细小凸模就断裂或磨损，更换时因模具较大，耗时达4 个小 时，生产效率极低，无法满足每天至少8 0 0 0 个的定单要求。同时，在冲定单量 较大( 如每个月3 0 万) 带有小孔的产品时也面临同样的难题。本课题正是在此 背景下产生的。本课题的目的是找到细小凸模断裂、磨损的真正原因以便延长 所有细小凸模乃至整个连续模的寿命。本课题涉及理论范围较大，从模具的失 效形式入手，将断裂与磨损、模具结构、金属材料及热处理、表面工程技术等 理论结合起来，从理论角度优化细小凸模结构及材料：特别是将细小圆凸模通 过模拟仿真进行结构优化及较早地将p v d 技术批量地运用到冷冲压模具易损件 上，具有重要理论价值。本课题通过对细小凸模及其它相关结构的优化设计及 对细小凸模的表面运用复合渗镀技术进行表面强化，预计将细小凸模寿命提高 2 0 倍以上，而且将其技术推广应用到其它模具设计制造上。提高模具寿命，极 大地提高了生产效率，降低生产成本，具有很大的实践意义。 1 4 2 课题的主要研究内容 本文的主要包括以下几个内容： ( 1 ) 通过对细小凸模的失效形式的分析，找到了细小凸模的主要失效形式 为断裂、磨损，针对此失效形式提出了解决方法及预防措施。综述了国内外细 小凸模结构优化技术的发展概况，国内外细小凸模摩擦学和磨损理论的发展概 况，细小凸模的p v d 技术的国内外发展概况及发展趋势。 ( 2 ) 针对细小凸模的主要失效形式一断裂，基于有限元理论，利用 d e f o r m 、a n s y s 软件，以细小圆凸模为例，对此结构进行了详细分析与优化 且在实践中得到验证。运用推理手法推导出细小异形凸模的优化结构。 ( 3 ) 简单地分析及优化了与细小凸模断裂有关的其它结构，如细小凸模的 固定结构、细小凸模的导向结构、细小凸模所冲废料的排出结构、为了方便更 换细小凸模，精心优化设计了一种新型的快换结构。 ( 4 ) 针对细小凸模的另一主要失效形式一磨损，详细地介绍了冲裁模的磨 损理论以及解决细小凸模磨损难题的p v d 理论。 7 ( 5 ) 通过对无涂层、渗氮层、t i n 涂层、复合涂层( 先渗氮再镀t i n 涂层) 的a i s id 2 试样进行耐磨实验、耐冲击实验，从而得出t i n 涂层、复合涂层能 显著提高滑动磨损及复合涂层比t i n 涂层更能提高冲击磨损的结论。利用统计 方法，在生产现场比较无涂层、渗氮层、t i n 涂层、复合涂层的细小圆凸模的 在相同工作状况下的使用寿命，并对实验室的结果与生产现场的结果进行比较。 ( 6 ) 对全文进行总结，阐述了完成的任务，指出了存在的问题，并展望本 课题的研究前景。 第二章细小凸模结构分析与优化设计 在一般情况下，凸模的强度和刚度是足够的，无需进行结构分析与优化设 计。但对特别细长的凸模或凸模的截面尺寸很小而冲裁的板料厚度较厚时，则 必须考虑其承压能力和抗弯曲能力。其目的是防止凸模纵向失稳和折断，保证 凸模的危险断面尺寸和自由长度满足使用要求1 1 9 , 2 0 l 。传统的实验方法可以对不 同结构的细小凸模的可行性进行验证，但需要花费相当的人力与物力，同时也 很难找出满足使用需求的最优解。有限元方法的出现使得传统方法难以实现的 问题变得简单可行。 有限单元法( f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ) 是随着计算机技术、软硬件技术的不 断发展，以及数值分析方法在工程中的广泛应用而发展起来的一种实用数值分 析的仿真方法。有限元的基本思想是把连续体视为离散单元的几何体来考虑。 在应用有限元法分析问题时，首先采用“化整为零”的方法，将连续体分解成 有限个形态比较简单的“单元体”，对这些单元体进行分别分析；然后采用“积 零为整”的方法，将各单元重新组合为原来的连续体的简化了的“模型”，通过 求解这个模型得到问题的基本未知量在若干离散点上的数值解；最后，根据得 到的数值解再回到各个单元中计算其它物理量【2 l 】。 2 1 细小凸模结构受力分析 冲裁过程中细小凸模的受力是在与板料相互作用过程中表现出来的，所以 说细小凸模的结构受力与叛料塑性变形过程密切相关的。因此，冲针力结构学 性能模拟的重点和难点主要是建立合理的模型，采用合理的有限元方法来反映 冲孔过程中细小凸模的弹性变形与材料塑性变形、剪切断裂同时并存的复杂状 态。 2 1 。l 线弹性有限元法的计算流程 有限单元法利用在每一个单元内假设的近似函数来分片表示全求解域上待 求的未知场函数，单元内的近似函数通常用未知场函数及其导数在单元的各个 结点的数值和其插值函数来表达，因此，未知场函数及其导数在各个结点上的 数值就成为新的未知量，从而使一个连续的无限自由度的问题变成离散的有限 自由度问题。线弹性有限元法的计算流程由以下几个部分组成【2 l 】： ( 1 ) 定义形函数n ( x ) ，进而通过单元节点变量a 描述单元域内连续的变量 ( x ) = n ( x ) a ( 2 ) 定义单元材料的响应，如应力、应变等： 9 ，= l 【m ( x ) 】= b a 。 口= 1 7 ( s ) = d s ( x ) ( 3 ) 形成单元矩阵，建立单元与外界环境的平衡关系： k 。矿+ f 。= 0 其中k 。为单元刚度矩阵。，。为单元节点上的等效外力，口。为单元节点位 移。剐度矩阵按照以下公式计算： 世。= 胁7 d b d v 矗 节点等效外力为： 一f 。= o ) 7 b d v + f n ( x ) 7 t d s + f 矗i 单元刚度矩阵代表了结构单元的刚性，节点外载荷代表了单元内体力、面 力和节点集中力的贡献。 ( 4 ) 将覆盖结构全域的所有单元的刚度矩阵和节点外力对平衡的贡献集 成，建立整体结构的平衡方程： k = k 。 f = 厂 勋+ f = 0 ( 5 ) 求解平衡方程。指定节点位移后，将平衡方程按照已知节点位移和未 知的场变量分解为两部分： k k u u 乏 牛阴 口。= 一足：( 正+ k = a ，) ，= 一( 足。口。+ k 。口。) 其中d 。为未知节点变量，以为已知节点变量，正为外加的节点力，f 为节 点反作用力。因此，求解变成获得己知位移的节点反作用力和已知的载荷节点 位移。 ( 6 ) 根据计算出的节点变量，代x ( 2 ) 的表达式中，进而获得所求的单元 应变、应力和其他力学变量。 2 1 2 有限元在金属塑性成形中的应用 金属的塑性成形技术是指金属在模具外力作用下发生塑性变形。在金属塑 性成形过程中，工件发生很大的塑性变形，在位移与应变的关系中存在几何非 l o 线性，在材料的本构关系( 应力一应变关系) 存在物理非线性。 ( 1 ) 几何非线性。金属的塑性成形过程是一种大位移变形以及有限应变的 弹塑性问题。除了考虑材料的非线性外，还要考虑几何非线性问题。在这种情 况下，位移和应变之问的关系是非线性的；另外，在小变形中经常忽略刚体转 动的影响，在大变形过程中包含了刚体的转动。在建立弹塑性有限变形的有限 元方程时有两种描述方法：一种是l a g r a n g e 描述方法，以材料的初始位置为参 考来描述，又称为质点坐标系描述，有限元网格随材料的变形而变化；另一种 是e u l e r 描述方法，以材料的变形后的位置为参考来描述，又称流动坐标系描述， 在e u l e r 法中，有限元网格不随材料的变形而变动。边界条件的非线性，这里主 要是接触问题，在冲裁加工的模拟中，材料的所有边界条件不是在计算开始前 就可以给出，材料与模具的接触是通过计算得到的，并且是动态变化的。 ( 2 ) 材料的非线性。在金属的变形进入到塑性阶段，材料的应力应变关 系不再遵守h o o k e 定律，而且与应变速率、温度等有关。在弹塑性有限元分析 中，一般采用的是p r a n d t l r e u s s 假设和m i s e s 屈服准则。同时，在金属的冲裁 加工中，还要考虑加工硬化的影响。 除了以上特性外，塑性成形所用的模具型面的几何形状往往比较复杂，工 件与模具的接触状态不断改变，摩擦规律也难以描述。所以说，由于以上种种 原因，金属塑性成形问题难以求得精确解。 2 1 3 冲裁过程中板料的断裂准则 在模拟过程中，要很好的反映细小凸模的真实受力情况，材料断裂准则的 选取很重要。目前应用在材料加工中的韧性断裂中，符合冲裁断裂的准则有 c o c k r o t t & l a t h a m 准则、m c c l i n t o c k 准则等，这些准则都是基于应力、应变累计 破坏计算，根据材料的最大破坏值是否达到了临界值来判断材料的断裂与否 【2 2 埘l 。临界破坏值虽然会受到加工条件的影响，但是还是将其视为像屈服应力、 强度极限一样的材料常数。在本模拟中，选择c o e k r o f t & l a t h a m 模型 c j = f e 玲 作为材料断裂的准则。式中，仃为等效应力；仃为最大应力，当最大主应力0 1 0 时，仃= q ，当吼 0 。 根据对以上优化变量的分析，可以得出冲针结构分析的优化数学模型： ，( 工) ： m a j x o 2 i m i n ，( 工) = j 一 【 p j x = 而，x 2 ，x 3 ，x 4 】= r o ，r l ，l o ，b j 】 s t 8 r o 1 5 ；8 s r l 1 5 1 5 l o 3 ：0 8 b l 1 5 l ， 0 图2 一1 3 为优化设计流程图，从图中可以看出，分析文件是优化设计过程中的 关键部分，运用分析文件构造循环文件，进行循环分析。在分析文件中，模型 的建立必须是参数化的( 通常是优化变量为参数) ，结果也必须是用参数来提取 ( 用于状态变量和目标函数) 。分析文件是一个命令流输入文件，包括一个完整 的分析过程( 前处理，求解，后处理) ，它必须包含一个参数化的模型，给出分 析的边界条件，载荷工况。 2 l 图2 一1 3 优化设计流程图 下面给出了冲针优化设计的完整命令流文件： ! + 冲针结构优化设计分析模型 伊r e p 7 1 定义冲针材料模型 m p , e x ，1 ，2 1 5 e 5 ， m p , n u x 、1 ，0 3 0 0 0 0 0 0 0， ! 定义冲针材料单元类型：轴对称8 2 单元 e t ，l ，p l a n e 8 2 1 k e y o p t ，l ，3 ，l k e y o p t ，l ，5 ，o k e y o p t 1 ，6 ，0 g o ! 定义设计过程中的参数 + s e t b 0 ，0 8 + s e t ，b 1 ，1 + s e t b 2 ，1 5 + s e t ，l o ，2 ： + s e t ，r 1 ，1 0 + s e t d h 0 ，( r 0 + + 2 - ( r 0 - ( b i - b o ) ) + + 2 ) “0 5 + s e t , d h i ，( r 1 + + 2 ( r 1 - ( b 2 - b 1 ) ) + + 2 ) ”0 5 + s e t , l 3 l 1 一l o d h o d h l k l ，o ，o ，0 ， k 2 ，b o ，0 ，o ， ： k ，7 ，b 2 ，l 2 ，0 ， k ，8 o ，l 2 ，o ， l s t r ，1 ， 2 ： l s t r ，8 ， l k ，9 ，b o + r o ，l o ，o ， l a r c ，3 ，4 ，9 ，r o ， k ，1 0 ，b 1 + r 1 ，l o ，0 ， l a r c ，5 ，6 ，1 0 ，r l ， a l a l l ! + 划分网格 s m r t , 1 m s h k e y , 0 m s h a p e 0 a m e s h , a l l n s e l ，s ，l o c ，x ，- 1 ，2 n s e l ，r , l o c ，y - 1 ，l o + d h o n r e f i n e ，a l l ! + 局部网格细化 n s e l ，a l l n s e l ，s ，l o c ，x ，一1 ，b 1 n s e l ，r , l o c ，y , l 1 一d h 0 - 2 ，l 1 n r e f m e ，a l l + 局部网格细化 n s e l a l l n s e l ，s ，l o e ，x ，b 0 - 0 2 ，b l n s e l ，r , l o c ，y ，- 1 ，l 0 + d h o n r e f i n e ，a l l 局部网格细化 f l n i s h s o l + d i m ，y p r c s s u r c ，t a b l e ，l ，1 4 ，1 ，t i m e ，x ，y ! + 对冲针施加边界条件 + s e t , y p r e s s u r e ( 0 ，1 ，1 ) ，01 + 正压力曲线定义 + s e t , y p r e s s u r e ( 0 ，2 ，1 ) ，0 0 9 8 4 + s e t , y p r e s s u r e ( 1 ，1 4 ，1 ) ，2 1 9 3 + d i m ，x p r e s s u r e ，t a b l e ，1 ，1 4 ，1 ，t i m e ，x , y ! + 侧压力曲线定义 + s e t , x p r e