激光复合造型覆盖件模具成形过程的数值模拟与摩擦学实验研究

摘要

大量研究表明，拉深成形过程中的摩擦学行为对模具寿命、成形件质量、工艺性能均具有显著影响，且摩擦学行为是随着时间和空间变化的二元函数，在模具表面存在理论上的最优摩擦系数分布。针对拉深零件常见的缺陷（起皱和拉裂），工程技术人员做了大量尝试和努力，但拉深成形件的质量仍差强人意;Majeske和Hammet等测量分析多家汽车厂商提供的汽车覆盖件发现，高报废率仍是复杂形状零件冲压过程中一个突出问题，企业迫切需要寻找一种能显著降低报废率的技术，以提高企业的竞争能力和经济效益。因此对模具表面关键区域摩擦特性进行主动优化设计制造是极其必要的，具有重要的工程意义。
　　 由于激光一系列的优点，国内外学者一直推动其在工程实际方面的应用，激光微织构和激光毛化技术由此应运而生。研究表明，激光微织构形貌具有明显的减摩效果，激光毛化形貌具有增摩作用，激光微织构形貌和激光毛化形貌相反的作用效果为模具表面摩擦学特性的主动设计制造提供了技术支持。对模具表面需要减小摩擦的关键区域进行激光微织构处理，需要增大摩擦的关键区域进行激光毛化处理，使模具表面的摩擦系数分布更加合理，从而提高模具的使用性能、成形件的质量以及成形工艺性能。
　　 本文在课题组前期研究的基础上，以形状更加复杂的汽车覆盖件为研究对象，利用ABAQUS模拟软件对覆盖件的成形过程进行模拟计算，揭示了模具表面不同区域摩擦系数对覆盖件成形性能的影响规律，确定模具表面的主影响区、次影响区和微影响区。研究发现由于覆盖件的复杂性和非对称性，因此模具表面不同区域摩擦系数对成形性能的影响规律与轴对称零件有显著区别;且同一区域摩擦系数对不同位置成形件的性能影响也有所区别。在以上模拟的基础上，以成形件的板厚变化幅度为优化目标，利用均匀设计方法设计新的模拟方案，获得了模具表面最优的摩擦系数组合。对形状更加复杂零件的成功模拟，进一步证实了模具表面摩擦影响的区域性特征，同时发现非轴对称零件区域摩擦特性的复杂性。为以后激光复合造型技术的工程应用提供更加丰富的理论指导。
　　 其次，本文采用单因素轮换法对激光毛化工艺进行了研究。通过激光毛化工艺实验，揭示了离焦量、电流和频率对毛化点形状及尺寸的影响规律。此外，初步探究了毛化点区域材料的力学性能，研究结果表明，45钢经毛化后重凝区的金相显微组织为较致密的针状马氏体，硬度相对基体提高了近3倍。
　　 再次，在UMT-Ⅱ型多功能摩擦磨损实验机上，进行了具有不同尺寸和不同分布的激光毛化试样与光滑试样的对比实验，研究结果表明，毛化后试样表面的摩擦系数均大于光滑试样表面摩擦系数，随着载荷、速度的变化，不同毛化形貌的摩擦系数发生改变，且具有一定的规律性，摩擦系数最大增加幅度达67.13％。
　　 最后，在GBW-60B型杯突实验机进行杯突实验，实验结果表明球头经激光毛化后，板料的杯突值减小，表面的摩擦系数增加;破裂位置远离球顶，破裂处圆的直径增大。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景及项目提出

1．2 激光复合造型模具及模具成形机理国内外研究现状

1．2．1 金属塑性成形模具表面摩擦及成形机理的研究现状

1．2．2 激光毛化技术研究现状

1．2．3 激光微织构技术研究现状

1．3 本文研究的主要内容

1．4 课题来源

1．5 本课题的创新之处

1．6 本课题的研究意义

第二章 汽车覆盖件模具表面区域摩擦对成形影响的数值模拟

2．1 引言

2．2 模具表面摩擦对汽车覆盖件拉深成形影响的数值分析

2．2．1 有限元模型的建立

2．2．2 模拟方案与过程

2．2．3 模拟结果与分析

2．2．4 结论

2．3 以厚度为优化目标基于均匀设计的覆盖件模具表面摩擦系数优化组合设计

2．3．1 均匀设计的方法简介

2．3．2 优化实验方案

2．3．3 最优摩擦系数组合的确定

2．3．4 覆盖件优化前后沿定义路径成形性能的对比分析

2．4 本章小结

第三章 激光毛化微观形貌的成型机理和工艺实验研究

3．1 激光与材料相互作用的一般规律

3．2 激光毛化过程的理论分析

3．3 激光毛化工艺实验

3．3．1 实验目的

3．3．2 实验设备与检测仪器

3．3．3 实验方案

3．3．4 实验步骤

3．3．5 加工工艺参数对形貌影响的实验结果与分析

3．4 毛化点区域材料力学性能检测

3．4．1 金相组织的检测

3．4．2 毛化点硬度的测量

3．5 本章小结

第四章 激光毛化表面的摩擦学性能实验研究

4．1 摩擦磨损实验

4．1．1 摩擦磨损实验的目的和意义

4．1．2 摩擦磨损实验的方法

4．1．3 摩擦磨损实验主要测量因素

4．2 激光毛化试样的摩擦磨损实验

4．2．1 UMT-Ⅱ摩擦磨损实验机

4．2．2 实验目的

4．2．3 试样材料

4．2．4 试样表面毛化方案

4．2．5 实验方法及主要步骤

4．2．6 实验结果与分析

4．3 本章小结

第五章 半球形件的杯突实验

5．1 GBW-60B型杯突实验机

5．2 实验目的

5．3 实验材料和实验设备

5．3．1 实验材料

5．3．2 实验设备

5．4 实验过程

5．4．1 球头表面激光造型方案

5．4．2 杯突实验

5．5 实验结果与分析

5．5．1 不同表面形貌对板料杯突值的影响

5．5．2 不同表面形貌对破裂处圆直径的影响

5．5．3 不同表面形貌对未拉裂杯突实验成形件厚度的影响

5．6 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士期间发表的论文