（机械制造及其自动化专业论文）激光复合造型模具成形性能及工件表面质量的研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 在模具冲压成形过程中，成型件的质量是衡量模具加工优劣的关键因素，而 提高成型件质量必须对模具进行处理，以提高模具的塑性成形性能，从而提高成 型件的质量。大量的实践证明，高质量的模具在冲压成形过程中，不仅能提高成 型件的质量，降低废品率，还可以提高模具的加工性能，补偿模具在设计制造中 的缺陷，减少修模次数，提高模具寿命。 本研究是利用激光复合造型技术对模具进行处理，并对板料进行拉深成形。 本课题组近几年对激光毛化和激光微造型进行了一系列的深入探讨和研究，本文 即利用激光复合造型( 即激光毛化和激光微造型) 对模具进行处理，通过改变模 具表面的摩擦状况，实现对模具加工过程中材料流动的控制，从而改善模具的加 工性能，提高成型件的质量。 首先，为了更方便的对拉深成形过程进行分析，本文按照成型件的形状对受 力区域进行了划分，总共分成了五个区域：法兰区、凹模圆角区、锥壁区、凸模 圆角区、锥顶区。通过对各个区域的分析，得出了毛坯的各个部位在成形过程中 的应力与应变的变化规律。 其次，利用有限元分析软件对成形过程进行了模拟，对成型件的表面质量参 数也进行了模拟分析，通过对成型件厚度、应力、应变等的变化进行对比，得出 了复合造型模具成型件的变化规律，为后面的成形试验验证提供了理论的基础。 再次，利用前面的分析，对锥形模具的关键部位进行了激光复合造型处理， 并进行了拉深成形试验。根据前面的受力分析和模拟结果，利用激光对凸模圆角 区进行了毛化处理；对凹模圆角区进行了微造型处理。为了防止时效对成型件尺 寸的影响，对成型件厚度进行了测量，结果发现，复合造型模具成型件凸模圆角 区的危险断面厚度有所增加。 最后，利用各种检测设备对成型件回弹和表面质量进行了检测，并对模具毛 化区进行了金相组织的测量。通过试验检测结果可知，与未复合造型模具成型件 相比，复合造型模具成型件凸模和凹模处的两个角度的回弹得到了控制，两个圆 角区的残余应力都相应的得到改善，并且找出了模具毛化点处硬度高的原因。因 江苏大学硕士学位论文 此，复合造型模具不仅能提高成型件的质量，而且模具的拉深性能和寿命也相应 的得到提高。 关键词：激光复合造型，拉深成形，成型件，表面质量 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t i nt h ef o r m i n gp r o c e s so ft h em o l d ，t h e q u a l i t yo ft h ef o r m i n gp a r t sw h i c h m e a s u r em o l df o r m i n gi sak e yf a c t o r , w h i l ei m p r o v i n gt h eq u a l i t yo fm o l d e dp a r t s ，i t c a l lb ep r o c e s s e do nt h ed i e ，i m p r o v i n gp e r f o r m a n c eo fm o l df o r m i n g ，a n dt h e n e n h a n c et h eq u a l i t yo ff o r m e dp a n s al a r g en u m b e rt e s th a dp r o v e n ，i nf o r m i n g p r o c e s s ，h i g h - q u a l i t ym o l d sn o to n l yc a ni m p r o v et h eq u a l i t yo fm o l d e dp a r t s ，r e d u c e r e j e c t i o nr a t e ，a l s oc a ni m p r o v et h ep r o c e s s i n gp e r f o r m a n c eo fm o l d ，c o m p e n s a t e d e f e c t si nt h ep r o c e s so fm o l dd e s i g na n dm a n u f a c t u r e ，r e d u c et h en u m b e ro fm o l d r e p a i r , i n c r e a s et h ed i el i f e t h i sp a p e rs t u d yi st h eu s eo fc o m p l e xt e x t u r i n gt e c h n i q u eo fl a s e rt r e a t e df o r m o l do nt h eb l a n kd r a w i n g i nr e c e n ty e a r s ，t h er e s e a r c hg r o u ph a sas e r i e so fi n d e p t h s t u d ya n dr e s e a r c ho nl a s e rt e x t u r ea n dl a s e rm i c r o t e x t u r i n g ，t h i sp a p e rh a sa t r e a t m e n to ft h em o l d b y l a s e r c o m p o s i t et e x t u r i n g ( 1 a s e r t e x t u r ea n dl a s e r m i c r o t e x t u r i n g ) ，b yc h a n g i n gt h em o l ds u r f a c ef r i c t i o nc o n d i t i o n st or e a l i z et h e m a t e r i a lf l o wd u r i n gm o l dc o n t r o l ，s oa st oi m p r o v et h ep r o c e s s i n gp e r f o r m a n c eo f m o l da n di m p r o v et h eq u a l i t yo fm o l d e dp a n s f i r s t ，i no r d e rt of a c i l i t a t et h ed e e pd r a w i n gp r o c e s so ft h ea n a l y s i s ，t h i sa n i d ei n a c c o r d a n c ew i t ht h em o l d e ds h a p eo ft h ef o r c ea r e aw e r ed i v i d e di n t of i v er e g i o n si n t o t a l ：f l a n g e ，d i ec o m e ra r e a ，c o n ew a l la r e a ，c o m e rp u n c ha r e a ，c o n er o o fa r e a t h r o u g ht h ea n a l y s i so fe a c hr e g i o n ，i tc a nc o n c l u d et h a tt h el a wo ft h ef o r m i n g p r o c e s so ft h es t r e s sa n ds t r a i nv a r i a t i o ni nv a r i o u sp a n so f b l a n kd u r i n g s e c o n d l y ，f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r ei su s e dt os i m u l a t et h ef o r m i n gp r o c e s s a n df o r m i n gs u r f a c eq u a l i t yp a r a m e t e r sa l s ow e r es i m u l a t e d ，t h r o u g ha n a l y z e da n d c o m p a r e dt h et h i c k n e s so ft h em o l d i n gp a r t s ，r e s i d u a ls t r e s s e s ，s t r a i na n do t h e r c h a n g e s ，i ti sc o n c l u d et h a tt h el a wo ff o r m e dp a n so fc o m p o s i t et e x t u r i n gm o l d ，i t a l s op r o v i d e sat h e o r e t i c a lb a s i sf o rv e r i f i c a t i o n a g a i n ，u s i n gt h ep r e c e d i n ga n a l y s i s ，i tw a sl a s e rc o m p o s i t et e x t u r i n gt r e a t m e n tt o i i i 江苏大学硕士学位论文 ak e yc o m p o n e n to fc o n em o l d ，a n dh a dd e e pd r a w i n gt e s t a c c o r d i n gt ot h ep r e v i o u s m e c h a n i c a la n a l y s i sa n ds i m u l a t i o nr e s u l t s ，u s i n gl a s e rp u n c hf i l l e ta r e ao ft e x t u r e p r o c e s s i n g ；o nt h ed i ec o m e ra r e ao ft h em i c r o c a s t i no r d e rt op r e v e n tt h ea g i n g e f f e c t so nt h ep a r td i m e n s i o n s ，t h et h i c k n e s so ft h em o l d e dp a r t sw e r em e a s u r e da n d f o u n dt h a tt h ec o m p o s i t es h a p ep u n c hc o m e rm o l d i n gp i e c e so ft h ed a n g e rz o n e s e c t i o nt h i c k n e s sh a si n c r e a s e d f i n a l l y , i ti st e s tt ot h em o l d i n gs u r f a c eq u a l i t yd e t e c t i o na n dm o l dt e x t u r i n gz o n e m i c r o s t r u c t u r em e a s u r e m e n t sb yu s et h et e s t i n ge q u i p m e n t t h r o u g ht h et e s tr e s u l t s ， c o m p a r e dw i t ht h en o c o m p o s i t et e x t u r i n g ，t w oa n g l e so fr e b o u n do ft h ec o m p o s i t e t e x t u r i n gf o r m i n gp a r t sp u n c h a n dd i ec a nb ec o n t r o l l e d ，t h er e s i d u a ls t r e s so ft h et w o r o u n d e da r e a sw e r ei m p r o v e d ，a n dm o l dt e x t u r i n gp o i n th a dac o r r e s p o n d i n gi n c r e a s e i nt h eh a r d n e s s t h i sr e s u l ti sc o n s i s t e n tw i t ht h es i m u l a t i o na n dm o l dt e x t u r i n gp o i n t ac o r r e s p o n d i n gi n c r e a s ei nh a r d n e s s t h u s ，c o m p o s i t et e x t u r i n gd i ec a nn o to n l y i m p r o v et h eq u a l i t yo fm o l d e dp a r t sb u ta l s od i el i f ea n dd r a w i n gp e r f o r m a n c eh a d i m p r o v e da c c o r d i n g y k e yw o r d s ：l a s e rc o m p o s i t et e x t u r i n g ，d e e pd r a w i n g ，m o l d i n gp a r t s ，s u r f a c eq u a l i t y i v 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 学位论文作者签名彦一k 葡 缈f9 年6 月c 1 日 指导教师签名： 砷年阳7 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，均己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： 日期：矽f 了年6 月 锣f 确 江苏大学硕士学位论文 1 1 研究背景 第一章绪论 随着现代模具工业的发展，对模具成型件的质量要求越来越高。不仅要求模 具的耐磨性要好，而且要求在模具加工中成型件有着更好的外观质量。成型件质 量的好坏不仅对零件本身的寿命产生影响，而且会对零件装配使用后设备的工作 性能、使用寿命、稳定性等产生重大影响。因此，提高模具加工性能与成型件质 量已成为一项十分迫切的任务。 模具成形零件的尺寸精度比较高，表面质量好，应用很广泛，成为装备制造 业支柱之一。近年来，随着社会经济的发展，特别是汽车、家电工业、航空航天 的迅猛发展，对模具工业提出了更高的要求。如何提高模具成型件的质量、使用 寿命和降低生产成本成为当前迫切需要解决的问题。表面处理技术在模具制造中 的应用是提高模具质量和使用寿命，降低成本的非常有效途径。通过采用不同的 表面处理技术，只改变模具表层的成分、组织、性能，从而大幅度地改善和提高 模具的表面性能，如硬度、耐磨性、摩擦性能、耐腐蚀和高温抗氧化性能、提高 型腔表面抗擦伤能力、脱模能力、抗咬合等特殊性能，数倍或几十倍地提高模具 使用寿命。这对于提高模具质量大幅度降低生产成本，提高生产效率和充分发挥 模具材料的潜能都具有重要意义。 模具的表面强化处理是指用机械、物理或化学方法对模具工作表面进行改性 或覆层等处理【蚴，使模具在保证高的强韧性基础上，不仅具有更高的强度、硬 度、耐磨性，同时获得优异的抗疲劳、抗咬合、抗粘着、抗擦伤、耐腐蚀、抗高 温氧化等性能的处理方法，如表面淬火、化学热处理等。 随着激光技术的应用发展，改变了传统的模具表面处理方法，采用激光毛化 改性、改形处理的新方法，已经在轧辊中得到广泛应用【3 】，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【4 1 。 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，机械密封， 以及推力轴承等方面，摩擦副的润滑性能得到很大提高【5 1 。因此，激光复合造型 技术在模具上的应用变得非常紧迫。 江苏大学硕士学位论文 在金属塑性成形工艺中，拉深工艺是最常用的板料冲压加工方法之一，它是 利用模具使平板毛坯变成开口的空心零件的冲压加工方法。在各种板料冲压加工 方法中，拉深所占的地位十分重要，成形难度也较大。用拉深工艺可以制成筒形、 阶梯形、球形、锥形、抛物面形、盒形和其它不规则形状的薄壁零件。如果与其 它冲压工艺配合，还可制造出形状更为复杂的零件。因此在汽车、飞机、拖拉机、 电器、仪器、电子等行业生产中，拉深工艺均占有相当重要的地位。 拉深模具在模具加工中占有非常重要的地位，通过对它进行研究，可以更进 一步的了解激光复合造型技术在模具中的作用。拉深模具的表面一般都要通过平 磨加工来降低粗糙度，从而保证工件的质量和拉深工艺的正常进行。通过激光复 合造型处理技术把模具表面的粗糙度适当提高凸凹高度差，使模具表面形成一 些凸包并能够多存些润滑剂，同时又能够提高模具表面的硬度和强度，这样不 仅使产品不易产生拉痕、拉毛现象，有利于模具寿命的提高和产品质量的稳定， 并且可节约大量的模具费用。 1 2 激光复合造型技术以及在模具中应用的发展现状 1 2 1激光复合造型技术发展现状 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 o ，激光毛化示范设备开 始用于生产性工艺方法的试验研究【6 】。该中心率先采用大功率低阶膜c o ，激光， 经过机械调制器( c h o p p e r ) 产生高频脉冲激光，以此将轧辊表面打毛，并成功 的轧制出具有毛化效果的薄钢板【7 9 】。随着1 9 8 5 年激光毛化钢板在汽车厂的试用 成功，日本、法国、德国开始引进比利时生产的c o ，激光毛化技术并应用于生 产。1 9 9 0 年前后，日本、韩国一些企业和研究人员开始尝试用y a g 激光进行激 光毛化。1 9 9 0 年，日本的m i n a m i d a l l 0 】等在其论文中证实已经研制出一种调q 开 关的n d ：y a g 激光设备。此外，美国的克莱斯特( c r e s t ) 汽车公司也对激光毛 化技术十分关注，并于1 9 9 3 年底与美国的一家钢铁公司合作着手汽车用激光毛 化板产品的开发工作【1 1 】。d d u 1 2 1 、x i a o l e iw a n g - 【1 3 】和g 【- l a l l e m a n d 1 4 】研究了激光 2 江苏大学硕士学位论文 工艺参数( 脉冲激光的能量密度、脉冲重复频率和脉冲宽度等) 和毛化表面微坑 形貌( 包括形貌尺寸、形状和分布) 的关系。y a n g m j 【1 5 】研究了如何利用y a g 激光进行毛化，并发展了二维可控分布毛化技术。y g e r b i g 1 6 l 进一步利用y a g 激 光对a i s im 3 钢板进行了毛化处理，并运用飞秒激光对工具钢表面的毛化效果和 金相组织作了初步分析。y o s h i k in a k a t a 1 7 】也用飞秒激光加工了各种形式和分布的 纳米级毛化表面，并提出了微模具表面毛化的研究课题。 我国也在激光毛化技术加工设备方面进行了大量的研究和发展，在发展方向 上，根据采用激光器的不同，主要有两种技术路线，一种是采用波长为1 0 6 a o n 的 y a g 固体激光器，利用声光调q 技术产生脉冲激光对轧辊表面进行毛化的加工 工艺【协1 9 】，由中科院力学所研究开发成功，在1 9 9 3 年将其投入生产并推广到钢 厂。自此我国成为继比利时、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。另一种技术路线是用大功率c o2 气体激光 器，采用斩光盘将连续激光束分割成高重复频率脉冲激光作用于轧辊表面，实现 毛化加工。此技术设备在国内首先由华中科技大学激光院研制成功 2 0 - 2 1 1 ，并将该 设备应用于武钢，取得了较好的经济效益。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。 到目前为止，轧辊毛化技术的发展大致经历了三个阶段【弘2 3 】：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 e t 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。 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 i 纠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 3 江苏大学硕士学位论文 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。e t s i o n 2 5 之7 l 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 能的影响。 德国的r w t ha a c h e n 大学的h o p p e r m a n na 和k o r d tm 等人【2 8 1 ，通过对多种 微细加工技术的研究，认为激光微细加工是最易控制的微细形貌造型技术。 h o p p e r m a n n 等对激光微造型加工工艺做了大量对比研究，分析了多种类型激光 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 n n 还通过试验验证了 激光微造型对润滑摩擦性能的改进。另外德国e r l a n g e n n u r e m b e r g 大学机械工程 学院的g e i g e rm 等人【2 9 l 对激光微细加工设备、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， 并对激光微造型在摩擦学性能、机械部件寿命等方面的影响做了研究。 国内对激光表面微造型的研究刚刚起步。2 0 0 2 年，华东理工大学的于新奇 等人【3 0 。1 】对激光a n ：i ：多孔端面机械密封在变载荷下的摩擦学特性做了试验研究。 2 0 0 3 年，于新奇在单个微坑上建立了激光加工多孔端面机械密封的理论模型。 清华大学汪家道【3 2 。3 3 】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1 3 4 - 3 6 ，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，在试验中发现，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【3 7 枷】教授，通过对贝壳、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 4 江苏大学硕士学位论文 的进展情况。 江苏大学在近几年通过激光毛化和激光微造型展开大量的理论与试验研究， 开发了激光微造型系统。利用该加工系统可以对零件表面进行各种形貌的微造型 处理，并通过与企业合作进行了一系列的产品生产加工，并取得了良好的摩擦润 滑效果，同时为下一步的理论研究提供了试验保障1 4 1 卅。 1 。2 2 激光技术应用在模具中的发展现状 自9 0 年代以来，激光表面强化处理技术在汽车工业、模具工业中得到了广泛 的应用【4 5 】。它主要包括两个方面：第一，利用激光束获得极高的加热速度和冷 却速度，实现金属材料表面淬火，在表面获得高碳极细马氏体晶体，硬度比常规 淬火层高1 5 2 0 ，而心部组织不发生变化；第二，利用激光进行表面重熔 或表面合金化，获得高性能的表面硬化层。例如，g c r l 5 冲孔模，把其硬度由5 8 - 6 2 h r c 降至4 5 - - 5 0 h r c ，并用激光进行强化处理，白亮层硬度为8 4 9 h v ，基体硬 度为4 9 0 h v ，硬化层深度为0 3 7 m m ，模具使用寿命提高2 倍以上。t 1 0 a 以c r 为激 光表面合金化元素时，合金化层硬度可达9 0 0 - 1 0 0 0 h v 。c r w m n 复合粉末激光 合金化，可获得综合技术指标优良的合金层，其使用寿命提高1 4 倍。 近2 0 年来，随着激光技术的迅速发展，激光表面处理技术越来越广泛的应 用于模具的表面处理中。由于激光表面处理技术无需考虑基体和涂层材料之间的 相互作用，通过表面造型、熔凝、表面淬火或表面合金化等改性或改形方法，可 以获得高性能的表面硬化层，显著提高了模具的性能和使用寿命。樊湘芳【蛔对 g c r l 5 钢冲模的凹模进行了激光淬火，提高了凹模的表面硬度，细化了金相组织， 增强了凹模型腔的抗冲击能力，使模具寿命提高了2 0 以上。周建忠等人【4 7 - 4 8 1 研究了激光相变硬化( 激光淬火) 模具表面的硬化层深度和耐磨性能与激光工艺 参数间的关系，表明，激光淬火可大幅度提高模具的使用寿命。徐洪烟等人【4 9 】 对激光相变硬化提高模具寿命的机理进行了研究，发现激光相变硬化过程中残余 奥氏体的极高位错密度和马氏体晶粒的晶格缺陷阻碍了疲劳源的萌生与裂纹的 扩展；材料内部的温差和马氏体形成时的体积膨胀，在表层形成的很大的残余压 应力能松弛材料内部的应力集中，从而改善了模具材料的抗疲劳性能。 但是，上述模具表面处理技术在应用范围、工艺可控性、可重复性、加工效 5 江苏大学硕士学位论文 率、环境污染、成本、结合强度等方面仍存在一定的缺陷。 本文采用激光复合造型的方式，对模具表面进行处理，在表面形成复合造型 点。通过控制工件上造型点的密度、尺寸、形状、分布等，从而达到控制模具表 面粗糙度的目的，从而改变加工过程中的摩擦阻力，同时由于模具表面毛化点对 成形坯件表面的钉压作用，使得钢板表面产生可以存润滑油的凹坑，有利于后续 加工的润滑，同时也提高了成型件表面的其他物理特性。因此，激光复合造型在 模具上的应用，不仅可以提高模具的使用寿命，而且提高了成型件的质量，增加 了产品的附加值。 1 3 本课题的研究特色 通过激光毛化在轧辊上的成功应用可以看出，激光毛化技术具有应用范围 广、工艺可控性好、有可重复性、加工效率高、环境污染低、成本适中等优点。 本课题提出利用毛化及激光微造型技术对模具实现表面结构的微观改形和改性， 从而达到对模具耐磨性以及寿命的提高，进而提高模具成型件的质量。 本文提出利用激光毛化和激光微造型处理新技术对模具表面进行改形改性 处理，主要是针对在塑性加工领域中应用比较广泛的拉深模具，通过利用激光毛 化和微造型表面处理技术，采用合理的激光加工工艺参数以及相对应的辅助工 艺，在模具表面的关键部位，进行激光毛化和激光微造型处理；通过拉深成形理 论、成形过程的数值模拟和实验验证的研究方法，对激光复合造型模具成形过程、 成型件的表面质量，以及成形后的光鲜度等进行研究；其最终的目的：一是实现 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；二是可以通过对成型件表面质量的研究， 改变模具成形过程中的摩擦润滑以及毛化点对成型件的表面强化作用，从而改善 成型工件的成形质量。 本课题首次提出对激光复合造型模具拉深成型件质量进行研究，通过对拉深 成型件的表面质量( 成型件的尺寸厚度、表面残余应力、硬度、金相组织等) 的 研究，能够进一步了解复合造型对成型件以及拉深模具的影响。由于锥形件比圆 筒形件更能反映出拉深过程中毛坯各个部分的成形规律，因此，本文采用锥形拉 深件进行模拟和实验分析。通过对拉深锥形件表面关键部位的残余应力、硬度等 6 江苏大学硕士学位论文 质量分析，得出激光复合造型模具对成型件质量的影响因素，从而为以后的复合 造型激光工艺参数的优化，模具耐磨性与成型件质量的提高提供理论和实验依 据。 1 4 课题来源 本课题来源于： 国家自然科学基金资助项目( 5 0 4 7 5 1 2 2 ) ； 江苏省高技术重大项目( b g 2 0 0 7 0 2 3 ) ； 江苏省“六大人才高峰 项目( 0 8 一b 一0 4 ) ； 兵总创新基金项目； 教育部留学回国人员科研启动基金( 2 0 0 7 11 0 8 ) ； 江苏省高校自然科学研究计划( 0 7 k j d 4 6 0 0 3 5 ) 。 1 5 研究的主要内容 本文主要研究经过激光复合造型前后锥形拉深模具的成形试验，以及拉深成 型件质量的检测试验，并通过模拟软件对成形后工件的一些表面物性参数进行了 验证性的理论分析。 1 利用数学解析方法对锥形模具成形过程进行了应力与应变的分析，在成 形过程中把毛坯分成了五个区域，分别是：法兰区、凹模圆角区、锥壁区、凸模 圆角区、锥顶区。并且对每个区域在成形过程中的受力和变形进行了详细分析， 最后找出了容易产生破裂的危险断面的部位。 2 利用有限元软件对锥形模具拉深过程进行了数值分析，并对激光复合造 型前后成型件表面质量的一些物性参数进行了模拟，通过对比，得出了激光复合 造型前后模具成型件的一些变化规律，为以后的实验验证提供了理论基础。 3 以锥形拉深模具为实验模具，对拉深模具表面进行了有选择的激光复合 造型，并进行了拉深成形试验。 4 成型件表面质量的检测。对拉深模在激光复合造型前后的成型件进行了 表面物性参数的检测，通过与模拟结论对比分析，得出了复合造型对模具寿命以 及成型件表面质量好坏的影响规律。最后，对成型件表面涂漆光亮度、鲜映性等 7 江苏大学硕士学位论文 进行了初步的探讨与研究。 1 6 本课题的研究意义 模具成型件质量的好坏是衡量模具生产最重要的指标，而板料成形的的成败 关键也是看模具的好坏，因此，迫切的需要提高模具的成形加工性能。本文利用 研究激光复合造型模具成型件表面质量参数来对模具成形进行研究，通过有限元 分析和实验相结合，更进一步的了解了模具的生产加工过程和影响成型件质量的 因素，也为以后的模具成形研究提供了重要的理论依据和实验基础。 1 本研究对拉深锥形模具成形过程的数值模拟有了更进一步研究，并首次 对复合造型模具成型件物性参数进行了模拟分析。 2 本研究对满足模具表面质量要求、丰富表面处理技术、提高模具的使用 寿命和成形性能等方面具有重要意义，为其它塑性成形模具的设计制造和表面改 形改性提供了思路和依据。 3 本研究为以后影响成型件质量因素的研究提供了试验基础，并为提高模 具成型件质量的方式提供了新方法。 8 江苏大学硕士学位论文 2 1 引言 第二章锥形件拉深过程中的受力分析 圆锥形拉深件是冲压件的一种典型零件，在生产中经常遇到。目前，国内对 拉深成形的研究主要集中在圆筒形件与盒形件，而对锥形零件的研究并不是太 多，特别是对锥形成型件的力学分析研究更少。因为圆锥形零件的冲压成形受模 具参数、压边力等工艺参数、材料冲压性能参数、零件几何参数等多种因素的综 合影响，使变形问题的理论分析工作变得十分复杂。本文为了更进一步研究拉深 加工，采用了锥形拉深的成形方式，并对锥形成形过程中的成型件各个部位的受 力进行了系统的分析。如下图2 1 所示为圆锥形零件图，图2 2 所示为圆锥形件 拉深方法。 图2 1 圆锥形零件图 图2 2 浅圆锥形件的冲压方法 圆锥形件拉深成形是在模具作用下由平板料变形成为圆锥形件的过程。由于 9 江苏大学硕士学位论文 在成形过程中，成形载荷使凸模向下移动而迫使板料产生变形，在板料的各部分 内产生不同的应力和应变，所以板料的各部分具有不同的变形性质、受力情况、 应力和应变分布，并且板料各部分的变形性质、受力情况、应力和应变分布不断 变化。以变形力学为基础，根据板料变形时的应力状态( 或应变状态) ，可以将 所有的冲压成形方式归纳为四种情况并概括为：伸长类成形和压缩类成形。伸长 类成形和压缩类成形在变形力学上有本质差别，在冲压过程中出现的问题和解决 问题的方法完全不同。因此，分析成形过程中板料各部分的变形性质、受力情况、 应力和应变分布及其变化规律是解决圆锥形件拉深成形过程中所出现各种问题 的基础。 板料的各部分在成形过程中起着不同的作用，法兰流经凹模圆角成形为锥 壁，锥壁在传递成形载荷的同时不断靠模成形，凸模圆角区承担着成形载荷并且 本身也产生变形。成形载荷产生将法兰拉入凹模口内的拉力使法兰成形为锥壁， 但是成形载荷产生的拉力需经锥壁的传递，如果拉力过大，锥壁可能在承载能力 最弱的部位产生破裂，导致成形过程不能继续进行。为了防止在法兰成形为锥壁 的过程中，锥壁发生破裂，必须知道法兰拉入凹模口内而成形为锥壁的最大拉力 ( 即最大法兰成形应力) 和锥壁的极限承载能力。而且由于成形载荷作用在锥壁 各质点处的拉力还必须产生使锥壁各质点靠模的变形，锥壁才能够成形。如果拉 力过大，锥壁将发生破裂，锥壁不能成形；如果拉力过小，锥壁各质点处的变形 又不能使锥壁各质点靠模，锥壁上将发生起皱( 内皱) ，锥壁也不能成形。因此， 确定最大法兰成形应力和锥壁的极限承载能力，研究锥壁各质点在拉力作用下的 位移和锥壁各质点的靠模位移，是分析圆锥形件成形极限参数的基础【5 1 。5 6 1 。 2 2 毛坯板料应力区域划分 在图2 3 所示的带压边装置的模具结构形式中，图2 3 a 是其中一种最简单 和最经济的形式。在这种模具的作用下，板料的变形最能反映圆锥形件拉深成形 时板料的变形特点。如图2 3 b 所示，随着凸模的向下运动，j 点以内的板料与 凸模下端面相接触，而随凸模一起向下运动，从而使圆形平板板料逐渐成形为圆 锥形件。在成形过程中，j 点与m 点之间的板料在悬空状态下逐渐成形为圆锥形 件的侧壁，而m 点与w 点之间的板料处于压边圈作用之下，其外径收缩，并且 1 0 江苏大学硕士学位论丈 不断地流经凹模圆角也成形为圆锥形件的侧壁。 凸曩 毫坯 a 成形初始阶段b 成形过程中 图2 3 成形过程示意图 在成形过程中，变形板料各部分的形状和面积不断变化，但是从本质上看各 种冲压成形过程是板料变形区在力的作用下产生变形的过程。对于圆锥形件成 形，通常可以将变形板料分成五个区：锥顶区、凸模圆角区、锥壁、凹模圆角区、 法兰区。如图2 4 所示 图2 4 毛坯应力分区示意图 除了锥顶之外，其余各区都是变形区。由于至今仍不清楚变形板料表面上的 受力情况，而且一般情况下变形板料表面上不受力或受数值不大的力，所以可以 认为使板料产生塑性变形的应力是板料平面内相互垂直的两个主应力。除了弯曲 变形外，在大多数情况下可以认为这两个主应力在厚度方向上的数值不变。因此， 在板料随着凸模向下运动的过程中，各区之间的分离面上作用着拉应力。 江苏大学硕士学位论文 由于锥顶相当于四周受均匀拉力作用的圆板，其变形特点和受力情况简单， 所以下面主要分析法兰区、凹模圆角区、锥壁和凸模圆角区在分离面上拉应力作 用下的变形特点和受力情况。 2 3 法兰区变形与受力分析 2 3 1法兰区的应变分析 应变分布可以通过网格实验法在板料上划线直接观察到，测量法兰上网格法 所画的小圆变形前后的尺寸变化和小圆处板料厚度的变化，设在拉深的某一阶 段，板料半径由尺。变为尺，时，小圆径向，切向和厚向的三个主应变分量分别为占，、 岛、占，。测量表明：法兰变形区各处的应变并不相等，切向和径向主应变由外 向内逐渐递增，厚度方向的增厚由外向内逐渐减少。切向主应变是绝对值最 大的主应变占一，因此法兰上某处切向应变岛的大小可以作为衡量该处材料变形 程度的近似指标。 如图2 5 所示，是锥形件拉深成形法兰区变形分析示意图。 2 r o 一i i i i i i 1 - ： 鎏羔 。 ，+ 2 r l 图2 5 法兰区变形示意图 当板料半径由j r 。变为r 时，平板料上半径为r 的点转移到法兰上半径为r 处。根据体积不变条件，忽略板厚的变化，圆环r r 的面积和圆环r _ r 的面 积相等。由此可以求得法兰上r 处的切向应变为 1 2 江苏大学硕士学位论文 旷1 1 1 云乩南 q 1 ) 按2 1 式求得岛的分布规律如图2 6 r t 2 3 2 法兰区应力分布 图2 6 法兰区应变分布示意图 + 2 0 + 1 0 0 一 一 在成形开始时法兰区是m 点与w 点之间的环形板料。在m 点处分支面上 拉应力的作用下，法兰不断流经凹模圆角而成形为锥壁，法兰的面积与外径不断 减小( 图2 3 和图2 4 ) 。在圆锥形件拉深成形时法兰的变形与圆筒形件拉深时相 同，而在圆筒形件拉深时法兰的变形规律是板料冲压成形理论的重要研究内容。 拉深时法兰区的应力状态为切向受压，径向受拉。板厚方向受到压边圈施加 的力的作用，上下平面受到压边圈和凹模施加的摩擦力作用，由文献 5 1 儿s t l 得微分平衡方程式为 盟+ 篮+ a r - - o 0 ：o o r0 zr ( 2 2 ) 丝+ 竺+ 量：o 盯，、盯，分别为法兰上三个正应力即径向应力、切向应力、厚向应力，f 。为 剪切应力，其中盯r 、分别为代数值最大和最小。故屈服条件可取为 式中 盯，- - ( 7 p2 p 仃f 1 3 ( 2 3 ) 江苏大学硕士学位论文 仃。后续屈服应力 1 3 应力状态系数 对于板材而言，多数材料的拉伸应力应变曲线符合幂指数规律，即 仃，= b 手“( 2 4 ) 式中 享等效应变 n 材料硬化指数 由法兰的变形分析可知，法兰变形过程中，厚度方向的变形沿径向是不均匀 的，边缘增厚多，里边增厚少，因此压边圈与板料的接触摩擦力在边缘处大。随 半径的减小而减小。 由 2 鲁万 ( 2 5 ) 得 叩面t o ( 一r 2 皤) ml i l 鲁 ( 2 6 ) 式中 f o 初始拉深时的剪应力 再将( 2 4 ) 代入( 2 3 ) ，即可求得切向应力为： = 弦f 一盯， ( 2 7 ) 实际生产中，给定材料牌号，给定拉深时刻( 即法兰半径r ) ，以不同的r 值代入( 2 6 ) ，( 2 7 ) 两式，便可得到法兰变形区拉、压应力的分布。图2 7 所示 即为仃，和的分布曲线。 从图2 7 所示的曲线可以看出：法兰上径向拉应力盯，和切向压应力的分 布是两条等距离的对数曲线，其间隔距离等于1 1 五。径向拉应力仃，在凹模靠 近锥壁( r = r 2 ) 处最大，其值为： 仃，一= 讪i r t + 丽f 0 。( 、r ，2 一霹) ( 2 8 ) 1 4 江苏大学硕士学位论文 切向压应力在法兰边缘( r = r 。时) 最大，取b = 1 1 ，其值为 一= 1 1 玩 ( 2 9 ) 口 薅 1 o o 5 o o 5 - 1 o - 1 5 图2 7 法兰上径向拉应力盯，和切向压应力盯占的分布 2 4 凹模圆角区的变形和受力分析 在成形过程中，流经凹模圆角的平面形状法兰变形成图2 8 所示的曲面形状 凹模圆角区。 2 4 1 变形与受力分析 如图2 8 所示，法兰与凹模接触表面上的质点流经f 7 点与i7 点之间的弧 长，而法兰与压边圈接触表面上的质点流经f 点与i 点之间的弧长。因为f 点与 i 点之问的弧长大于f 7 点与i7 点之间的弧长，所以在法兰不同厚度处质点流经 凹模圆角时具有不同的路径。但是两个表面上的质点同时从法兰流入凹模圆角 区，并同时从凹模圆角区流出到锥壁，而且在法兰和锥壁上时质点具有相同的位 移。径向弯曲变形使平面法兰流入凹模圆角区时变形成径向弯曲的曲面板料，使 在法兰内沿厚度均匀分布的质点位移变成为在凹模圆角区内沿厚度不均匀分布 的质点位移；径向反弯曲变形使径向弯曲曲面的凹模圆角区变形成近似为直母线 1 5 江苏大学硕士学位论文 圆锥面的锥壁，又使在凹模圆角区内沿厚度不均匀分布的质点位移变成为在锥壁 内沿厚度均匀分布的质点位移。这说明法兰不同厚度处的质点流经凹模圆