一种激光复合织构薄壁管弯曲模具及其复合织构形成方法

摘要

本发明公开了一种激光复合织构薄壁管弯曲模具及其复合织构形成方法，属于机械制造领域。它包括与管材的弯曲部分相对应的管材弯曲模具主体，用于夹持在管材竖直段的夹块以及用于压紧在管材水平段的压块，还包括安装在管材弯曲模具主体一侧的防皱板，夹块、压块、防皱板以及管材弯曲模具主体的弧形面形成管材弯曲模具的夹持面，所述管材弯曲模具的夹持面上设置有复合形貌。采用上述的结构和方法后，使得成形件应变分布、壁厚变化及横截面变形更均匀；避免了大曲率侧管壁失稳起皱，小曲率侧管壁厚度过薄、拉裂；缓解成形件回弹，提高弯管精度，成形质量得到改善；最终获得精确稳定的弯曲成形。

说明书

技术领域

本发明涉及一种弯管成形模具，具体地说是一种激光复合织构薄壁管弯曲模具及其复合织构形成方法，属于机械制造领域。

背景技术

理论和工程研究表明：金属塑性成形中的摩擦并不能一味的减少，模具与工件接触界面的摩擦特性对工件成形质量有着不同的影响，因而在不同接触界面存在最合理的摩擦条件。

现有技术如热喷涂、等离子化学热处理、气相沉积、TD处理、离子注入、表面喷丸等，改变模具表层成分、几何形貌、组织或在表面沉积镀层，提高模具的硬度、耐磨性、疲劳强度、耐热性、耐蚀性、抗咬合性。但上述技术在应用范围、工艺可控性、可重复性、加工效率和成本、结合强度等方面具有或多或少的缺陷。

例如：中国专利200410039671.5公开了一种模具表面强化处理方法，该方法是首先将模具完成品进行应力消除，再以陶瓷沙进行喷砂操作程序，是模具表面更坚硬及有效的增加其压应力以减少龟裂和其他缺陷，并进而增加模具的抗疲劳性。但该方法获得的模具表面，粗糙度分布不均匀，可控性不足。

再如：中国专利200410010847.4公开了一种在模具表面激光淬火硬化处理方法。该方法仅仅对工件进行表面改性处理，未涉及对工件表面进行改形处理。

在实际生产中，有经验的模具工常常有意将拉深凸模制的较粗糙，而凹模工作表面尽量光滑平整。期望利用粗糙的凸模表面和材料发生摩擦，使最大拉深力出现在危险断面上方，增大了材料的拉深能力。但是粗糙的表面易于磨损，上述效果很难持久。利用低粗糙度的凹模表面降低有害摩擦，但是光滑表面因无存油区域而处于边界润滑状态，无法形成混合润滑或流体润滑，容易产生粘着磨损，易擦伤，模具寿命降低。另一方面，上述方法对表面粗糙度的改变是随机、不可控的，难以保证表面处理的一致性，以致上述方法始终停留在经验阶段。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种能够改善材料流动和应力应变分布，从而获得精确稳定的弯曲成形的激光复合织构薄壁管弯曲模具及其复合织构形成方法。

一种激光复合织构薄壁管弯曲模具，包括与管材的弯曲部分相对应的管材弯曲模具主体，用于夹持在管材竖直段的夹块以及用于压紧在管材水平段的压块，还包括安装在管材弯曲模具主体一侧的防皱板，夹块、压块、防皱板以及管材弯曲模具主体的弧形面形成管材弯曲模具的夹持面，所述管材弯曲模具的夹持面上设置有复合形貌。

所述复合形貌包括凸台形貌和凹坑形貌，所述凸台形貌和凹坑形貌均在管材弯曲模具的夹持面上阵列分布，从而在管材弯曲模具的夹持表面的局部位置形成凸台织构区域和凹坑织构区域。

所述凸台织构区域和凹坑织构区域位于管材弯曲模具的夹持面与管材的接触位置。

所述凸台织构区域位于夹块、压块和管材弯曲模具的弧形面上；所述凹坑织构区域位于防皱板的凹槽弧面上。

所述凸台织构区域中凸起的部分与凸台织构区域表面积的占有率为5%~50%，所述凹坑织构区域中凹坑的部分与凹坑织构区域表面积的占有率为5%~50%。

所述凸台形貌的高度为1~20微米，直径为20~500微米；所述凹坑形貌的深度为2~25微米，直径为10~100微米。

一种薄壁管材弯曲模具的复合织构形成方法，包括以下步骤：

（1）在管材弯曲模具的夹持面加工出各向尺寸均小于1毫米的复合形貌，所述复合形貌包括用于压印在管材加工面的凸台形貌（7）和凹坑形貌（8）；

（2）在薄壁管材1弯曲成形过程中，管材弯曲模具的表面凸台形貌（7）的局部或全部压印进入管材（1）表面；凹坑形貌（8）储存润滑液；

（3）在管材弯曲成形加工过程中，当所述凸台形貌的高度降低40-60%，凹坑形貌深度降低50%-80%时，将管材弯曲模具的夹持面打磨至Ra0.1-0.3μm，并在其上重新加工凸台形貌和凹坑形貌。

所述管材弯曲成形过程中，管材弯曲模具夹持面的凸台形貌（7）的局部或全部压印进入管材的加工表面。

所述凸台形貌和凹坑形貌由高能激光束加工获得；产生凸台形貌的激光参数为：功率密度10⁴—10⁷W/cm²，离焦量±2mm，脉冲宽度0.01~500ms；产生凹坑形貌的激光参数为功率密度10⁶~10⁸W/cm²，脉冲宽度0.01ns~50μs，脉冲频率1~50kHz，脉冲重复次数1~7次。

所述产生凸台形貌的激光器为CO₂激光器、灯泵浦YAG激光器、二极管泵浦YAG激光器或光纤激光器，>

采用上述的结构和方法后，在弯管成形模具表面设置的微观几何形貌，优化管料和弯管模具接触界面间的摩擦特性，实现了对接触界面摩擦特性的主动优化设计，对薄壁弯管模具表面进行改形改性处理，精确控制模具局部区域与薄壁管材间的弹塑性变形和摩擦，进而改善了成形过程中材料流动情况，使得成形件应变分布、壁厚变化及横截面变形更均匀；避免了大曲率侧管壁失稳起皱，小曲率侧管壁厚度过薄、拉裂；缓解成形件回弹，提高弯管精度，成形质量得到改善；最终获得精确稳定的弯曲成形，较之原弯管成形模具，本发明降低最大减薄率6%左右，减小截面畸变率10%左右。

附图说明

图1是本发明中薄壁管材弯曲成形示意图；

图2是本发明中薄壁管材弯曲表面形貌分布示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，对本发明的激光复合织构薄壁管弯曲模具及其复合织构形成方法作进一步详细说明。

如图所示，本发明的激光复合织构薄壁管弯曲模具，包括与管材1的弯曲部分相对应的管材弯曲模具主体2，用于夹持在管材1竖直段的夹块3以及用于压紧在管材1水平段的压块5，还包括安装在管材弯曲模具主体一侧的防皱板，夹块3、压块5、防皱板以及管材弯曲模具主体的弧形面形成管材弯曲模具的夹持面，管材弯曲模具的夹持面上设置有复合形貌，所说的复合形貌包括凸台形貌7和凹坑形貌8，凸台形貌7和凹坑形貌8均在管材弯曲模具的夹持面上阵列分布，从而在管材弯曲模具的夹持表面的局部位置形成凸台织构区域和凹坑织构区域；所说的凸台织构区域和凹坑织构区域位于管材弯曲模具的夹持面与管材的接触位置，具体地说凸台织构区域位于夹块3、压块5和管材弯曲模具的弧形面4上；凹坑织构区域位于防皱板的凹槽弧面6上，其中，凸台织构区域中凸起的部分与凸台织构区域表面积的占有率为5%~50%，凹坑织构区域中凹坑的部分与凹坑织构区域表面积的占有率为5%~50%，凸台形貌7的高度为1~20微米，直径为20~500微米；凹坑形貌8的深度为2~25微米，直径为10~100微米。

一种薄壁管材弯曲模具的复合织构形成方法，包括以下步骤：

（1）在管材弯曲模具的夹持面加工出各向尺寸（直径、深度和高度）均小于1毫米的复合形貌，复合形貌包括用于压印在管材加工面的凸台形貌7和凹坑形貌8；

（2）薄壁管材1弯曲成形过程中，管材弯曲模具的表面凸台形貌7的局部或全部压印进入薄壁管材1表面，提高模具与薄壁管材1的随动性，避免相对滑动；凹坑形貌8储存润滑液并降低模具与薄壁管材的接触面积，避免薄壁管材1发生阻滞；

（3）在管材弯曲成形加工过程中，当凸台形貌7的高度降低40-60%，凹坑形貌8深度降低50%-80%时，将管材弯曲模具的夹持面打磨至Ra0.1-0.3μm，并在其上重新加工凸台形貌7和凹坑形貌8。

所述管材弯曲成形过程中，管材弯曲模具夹持面的凸台形貌7的局部或全部压印进入管材1的加工表面。

其中，所说的凸台形貌7和凹坑形貌8由高能激光束加工获得；产生凸台形貌7的激光参数为：功率密度10⁴—10⁷W/cm²，离焦量±2mm，脉冲宽度0.01~500ms；产生凹坑形貌8的激光参数为功率密度10⁶~10⁸W/cm²，脉冲宽度0.01ns~50μs，脉冲频率1~50kHz，脉冲重复次数1~7次；产生凸台形貌7的激光器为CO₂激光器、灯泵浦YAG激光器、二极管泵浦YAG激光器或光纤激光器，>