汽车拉延模具应力计算和磨损预测及激光淬火工艺优化

摘要

近年来，激光强化作为一种表面处理技术，在解决汽车车身覆盖件模具表面磨损的问题上得到了广泛的应用。然而针对模具表面磨损情况进行激光强化工艺的参数化制定还没有实现。本文围绕依据冲压时模具表面所受应力制定激光表面强化工艺展开了研究。
　　 首先，通过对拉延模具冲压过程磨损机理的分析，发现当模具表面某区域拉应力超过模具应力极限时，该区域就可能成为磨损失效区域，同时解释了激光表面强化可以提高模具耐磨性的原理。基于有限元的理论提出了一种计算大型汽车覆盖件拉延模具冲压过程中应力的方法，对比得到的模具表面应力值和其失效阈值，预测模具可能的失效部位。计算过程主要包括两个部分:用中心差分法建立计算板料上节点位移的理论模型，利用DYNAFORM进行求解;板料上节点的位移作为载荷施加在模具表面，利用能量守恒的方法，建立计算模具表面应力的理论模型，并使用ABAQUS进行求解。预测的结果与实际模具表面磨损部位分布以及磨损部位形貌基本一致。
　　 其次，建立了QT600-3球墨铸铁激光表面淬火三维瞬态温度场计算模型，利用有限元软件ABAQUS计算激光淬火表面温度场。通过对激光淬火过程中最高温度以及温度梯度的研究，分析了激光工艺参数变化对激光表面淬火过程的影响，预测了激光淬火硬化带的宽度和深度，并分析了它们随激光工艺参数的变化规律。采用与数值计算相同的参数进行激光淬火试验，以硬化带宽度和深度为指标，对比试验结果和模拟结果，发现两者基本一致，误差小于10％。
　　 最后，经试验验证得出模具表面应力计算和硬化带的宽度和深度预测具有一定的准确性，所以，可以根据预测的模具表面磨损部位分布，规划激光扫描路径;根据计算的模具表面磨损部位宽度以及得到的硬化带宽度和激光工艺参数之间关系，初步确定模具激光表面强化工艺;为了使激光强化区域的残余压应力与冲压时模具表面的拉应力相抵消，根据在一定条件下的激光能量密度和强化区域残余应力之间的关系，应用计算得到的模具表面应力值，最终确定模具激光表面强化工艺。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 前言

1．2 冲压模具失效形式

1．3 模具表面应力计算及失效部位预测研究现状

1．4 模具表面处理工艺

1．5 模具表面的激光淬火

1．5．1 激光淬火在模具表面处理上的优点

1．5．2 激光表面淬火强化机理

1．5．3 模具表面激光淬火研究现状和发展趋势

1．6 有限元软件ABAQUS简介

1．7 本文的研究背景、内容及意义

1．7．1 课题背景

1．7．2 研究内容

1．7．3 研究意义

第2章 模具磨损失效机理

2．1 冲压成形中的摩擦

2．1．1 概述

2．1．2 摩擦的分类

2．2 冲压过程中的摩擦行为分析

2．2．1 宏微观角度

2．2．2 物理-化学角度

2．2．3 成形力学角度

2．3 模具的磨损

2．3．1 模具磨损的类型

2．3．2 磨损的机理

2．4 模具表面应力与磨损之间的关系

2．5 激光表面淬火减小模具磨损的原理

2．6 本章小结

第3章 模具表面应力计算及失效区域预测

3．1 理论模型

3．1．1 模型假设

3．1．2 冲压应力计算理论模型

3．2 DYNAFORM板料冲压分析

3．2．1 有限元冲压模型建立

3．2．2 参数设置

3．3 后处理及ABAQUS计算准备

3．4 计算结果

3．5 试验验证

3．5．1 磨损区域分布

3．5．2 磨损区域形貌

3．6 本章小结

第4章 模具表面激光强化数值模拟

4．1 温度场计算理论模型

4．1．1 光束尺寸计算

4．1．2 激光表面淬火数值模拟假设

4．1．3 热源加载和边界条件

4．2 模拟计算

4．2．1 基体材料的热物性参数

4．2．2 数值模拟方法及过程

4．3 数值模拟结果及分析

4．3．1 激光淬火过程中不同时刻温度场分布

4．3．2 宽度和深度方向温度变化

4．3．3 离焦量对节点温度变化的影响

4．3．4 离焦量对激光强化区域宽度和深度的影响

4．4 本章小结

第5章 半导体激光表面淬火试验研究

5．1 试验设备

5．1．1 半导体激光器

5．1．2 激光表面强化与熔覆机器人

5．2 试验方案

5．2．1 试验材料

5．2．2 试验内容

5．3 本章小结

结论与展望

参考文献

致谢

附录A 攻读学位期间所发表的学术论文