轴对称激光复合造型模具成形性能的数值模拟与试验研究

摘要

模具、成形工件及其界面所构成的摩擦副系统,其摩擦学行为对模具使用性能、成形工件质量、成形工艺性能均具有至关重要的影响。在拉延成形过程中,模具表面不同区域摩擦特性对成形工艺影响各不相同,即摩擦影响具有区域性。因此,理论上在模具表面存在最优的摩擦特性分布,使得零件的成形性能达到最优。
　　 本文以轴对称模具为研究对象,利用数值模拟和试验相结合的方法,旨在揭示模具表面不同区域摩擦对轴对称零件成形工艺性能的影响规律;并在此基础上通过激光毛化和激光微造型的复合造型技术对模具表面的区域摩擦特性进行主动加工制造,以改善零件成形性能。
　　 首先,本文对筒形件这一典型轴对称零件的成形过程进行了初步理论分析,并基于此,利用ABAQUS有限元模拟软件对球形件、筒形件成形过程进行模拟计算,揭示了模具表面不同区域摩擦特性对球形件和筒形件成形性能的影响规律,确定了主影响区与次影响区。针对起皱和拉裂两种成形缺陷,分别对球形件模具表面区域摩擦系数进行了初步优化,采用优化后的摩擦系数组合,起皱的可能性降低了5.2%,拉裂的危险性降低了13%。另外,利用均匀设计方法设计模拟方案,以板厚为优化对象,均匀度为优化目标,对筒形件模具表面区域摩擦系数进行优化设计,获得了最优的摩擦系数组合,模拟结果表明拉裂危险性降低了46.46%,成形件板厚均匀度提高了16.42%。通过对球形件和筒形件两类典型轴对称零件的成形过程进行数值模拟,证实了模具表面摩擦影响的区域性,验证了在模具表面实施激光复合造型以提高零件成形性能的可行性、有效性、先进性。
　　 其次,本文分别对激光毛化和激光微造型进行了工艺研究。通过激光毛化工艺试验,揭示了离焦量、泵浦电压、脉冲宽度、脉冲频率、辅助气体种类、压力及其吹气角度等工艺参数,对毛化点形状和尺寸的影响规律;此外,对毛化点区域材料的力学性能进行了初步探索,结果表明Cr12基材毛化之后,毛化重熔部分的显微组织为较致密的马氏体,硬度相对基材提高近4倍。激光微造型工艺试验揭示了泵浦电流、重复次数两个工艺参数对凹腔直径和深度的影响规律,并在此基础上确定了优化的工艺参数范围。
　　 最后,以筒形件模具为研究对象,对其表面主影响区实施激光毛化和激光微造型的复合造型,即增摩造型和减摩造型,实现了对模具表面摩擦特性的主动设计制造。基于此,本文还进行了拉深成形对比试验,以验证激光复合造型的技术效果。试验结果与数值模拟结果大致吻合:相对于造型前的拉深件,造型后的拉深件筒底伸长变形减小了49.1%,成形件板厚分布更为均匀,板厚变化幅度减小了39.89%,筒底圆角区径向残余拉应力和法兰圆角区周向残余拉应力有所减小。试验结果表明在筒形件模具表面实施激光复合造型,能够优化模具表面摩擦特性分布,有效改善拉深成形工艺。