CN104162743B

CN104162743B - 一种金属塑性成形模具表面主动改性方法

Info

Publication number: CN104162743B
Application number: CN201410413881.XA
Authority: CN
Inventors: 康正阳; 符永宏; 符昊; 王浩; 华希俊
Original assignee: Jiangsu University
Current assignee: Jiangsu University
Priority date: 2014-08-21
Filing date: 2014-08-21
Publication date: 2016-08-24
Anticipated expiration: 2034-08-21
Also published as: CN104162743A

Abstract

本发明提供一种金属塑性成形模具表面主动改性方法，包含如下步骤：对凸模表面的毛化处理，主动增加凸模表面粗糙度及对材料的粘附性能；在凹模表面加工出规则凹腔和沟槽，储存、均布和传送润滑油。本方法的有益效果为：控制凸模和凹模的表面粗糙度，优化成形件材料分布，提高成形件表面强度，改善表面残余应力状态，使得成形件厚度更加均匀、应力集中减弱，质量大为改善；模具表面耐磨性大幅提升，寿命得以延长。对比未实施本发明方法的冲压工艺，出现拉裂现象的概率降低了47%，成形件均匀度提高40%。

Description

一种金属塑性成形模具表面主动改性方法

技术领域

本发明涉及一种金属塑性成形模具表面主动改性方法，属于机械制造领域。

背景技术

金属塑性成形工艺在机械加工中占有重要地位，其中冲压工艺最为典型且使用广泛。冲压工艺是一种靠压力机和模具对板材、带材、管材和型材等施加外力，使之产生塑性变形或分离，从而获得所需形状冲压件。现代汽车覆盖件为满足美学要求，往往具有复杂的三维尺寸，对刚度和厚度同时提出苛刻要求。较薄的厚度将降低整车制造成本和重量，提高汽车经济性。上述要求对传统冲压工艺提出了新的要求，而现有技术对冲压模具的优化已经难以满足功能以及指标的需求。现有技术对模具的表面处理通过改变成分、几何形貌、在表面沉积镀层，显著提高模具硬度、耐磨性、疲劳强度、耐热性、耐蚀性、抗咬合性。如热喷涂、等离子化学热处理，气相沉积、TD处理、离子注入、表面喷丸等各种表面强化技术。长期的工程应用中人们也总结出了一些经验，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。低粗糙度的光滑凹模表面能够降低塑性成形中的有害摩擦，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。因此传统方法在大批量生产中也暴露出明显的不足。

中国专利200410039671.5公开了一种模具表面强化处理方法，该方法首先将模具完成品进行应力消除，再进行喷砂，使得模具表面更坚硬，有效的增加其压应力以减少龟裂和其他缺陷，进而增加模具的抗疲劳性。

中国专利200410010847.4公开了一种刀具及模具刃口激光淬火硬化处理方法，该方法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，即未能改变模具的成形性能。

中国专利200710134551.7公开了一种激光毛化金属塑性成形模具，它在模具表面通过激光毛化处理得到特定的毛化形貌，以提高模具表面的耐磨抗磨、润滑减摩性能。该专利仅对凸模进行处理，忽略了凹模对成形性能的影响。并且文中对凸模的毛化区域选取办法的原文描述为：模具凸模的关键部位（与工件变形较剧烈或受力较大处接触的部位，如凸模圆角处）。事实上，由于模具与板料在成形过程中的受力情况实时变化，并没有办法准确测定变形或受力规律，因此该方法确定凸模圆角处需要毛化处理，而无法方便、准确的确定其它毛化区域。对于无凸模圆角的模具，该专利方法就不适用了。

中国专利200810124317.0公开了一种金属塑性成形模具表面的激光复合造型处理方法，该方法的实施同样具有局限性和特殊性。

已公开的资料表明，现有技术在实施激光成形模具表面改性时具有局限性和特殊性，具体表现在：1，实施对象局限于桶形件或简单成形件；2，只能确定凸模或凹模圆角区域需要进行表面改性，且无法判断表面改性程度；3，无法实施于某些无凸模圆角的成形模具，如球形件；4，针对不同的成形件，没有一套标准的表面改性方案制定方法，方法的复验性差。

塑性成形工艺通过外力使金属板料产生塑性变形，其本质是金属材料发生转移、拉伸、挤压的过程。当成形件发生破裂，说明模具对金属材料的转移能力不足，造成板料在局部区域过度拉伸导致断裂；当成形件发生起皱，说明模具对金属材料的转移能力过度，造成板料在局部堆积、挤压、起皱。已公开资料表明，模具表面摩擦学性能直接影响其在塑性成形中对金属材料的转移能力。因此，对模具关键表面的摩擦学特性的精确控制能够有效的优化金属材料在模具中的拉延性能。

激光表面织构技术是近年来兴起的表面改形、改性技术，它能在材料表面形成特定尺寸和分布的阴（凹）、阳（凸）形貌，能够精确控制材料表面粗糙度和粘附性能。同时，激光照射区域附近的金属晶向组织细化，使得模具表面硬度、强度、耐磨性大幅提升，解决了上文中提到的增摩难以持久的技术难题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种金属塑性成形模具表面主动改性方法，利用表面改性技术精确控制凸模和凹模的表面特性和成形性能，使得成形件各项性能得到提高。

本发明的采取的技术方案是：通过高能激光在凹模表面加工出规则凹腔和沟槽，储存、均布和传送润滑油；确定凸模表面关键区域及关键等级，通过高能激光对凸模进行表面毛化，精确控制其表面粗糙度，主动增加凸模表面的粗糙度和材料粘附性能。上述方案中，在成形件含有多个成形特征的情况下，对各成形特征依次实施摩擦功法，得到针对各成形特征的表面毛化方案，在凸模表面复合加工各成形特征的表面毛化加工。

上述方案中，根据板料的成形过程，确定凸模表面影响冲压性能的关键区域，并分为若干关键等级。对凸模表面各关键区域按照关键等级进行不同程度的表面毛化处理。上述表面毛化处理使得凸模表面粗糙度和材料粘附性能阶梯变化。该方法的实施分为三个步骤。步骤A），确定凸模表面关键区域，定义塑性成形前的板料下表面为平面M1，统计板料在塑性成形终了状态下，凸模与板料接触区域各点至平面M1的法向距离S，S∈[0，Sn]；其中，Sn为凸模与板料（1）接触区域各点至平面M1的法向最远距离。凸模表面法向距离S∈[0.4Sn，Sn)的点构成区域即为关键区域。步骤B），划分关键区域等级，确定所划分关键等级的等级数量m，所述等级数量m为2~5；将区间[0.4Sn，Sn)等分成m个子区间，若m=3，则子区间为[0.4Sn，0.6Sn)、[0.6Sn，0.8Sn)和[0.8Sn，Sn)，凸模表面法向距离S在上述3个子区间内的点构成区域分别对应一级关键区域27、二级关键区域26和三级关键区域25，m不为3的情形以此类推。步骤C），通过高能激光束实现凸模表面不同关键等级区域的表面毛化处理和凹模表面的凹腔及沟槽的加工。

高能激光束对凸模表面毛化处理的原理是在其表面产生规则阵列毛化形貌。毛化形貌的面积占有率为5%~50%，高度1~20微米，直径20~500微米。所述凹腔形貌由微凹腔阵列而成，微凹腔面积占有率5%~50%，深度2~25微米，直径10~100微米。

毛化形貌和凹腔形貌由激光产生。产生毛化形貌的激光参数为：激光器为CO₂激光器、灯泵浦YAG激光器、二极管泵浦YAG激光器、光纤激光器之一，激光参数为：功率密度10⁴—10⁷W/cm²，离焦量±2mm，脉冲宽度0.01~500ms，脉冲频率30Hz~20kHz。产生凹腔形貌的激光参数为二极管泵浦YAG固体激光器，光纤激光器之一，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，脉冲数1~7次，辅助气体为氮气、氩气、氧气、空气，气压为0.05~1.00MPa；其中，脉冲频率为激光器每秒钟发出的激光脉冲个数，脉冲数为形成单个微凹腔的激光脉冲个数。

发明的技术优点在于：1，适用于各类型的塑性成形模具；2，能够快速、准确、可靠的确定模具表面的关键区域，进行不同程度的表面毛化处理，使得凸模表面粗糙度和材料粘附性能阶梯变化，塑性成形性能最优；3，采用激光处理模具表面，使得表层金属晶向组织细化，模具表面硬度、强度、耐磨性大幅提升。

附图说明

图1，桶形件冲压成形截面示意图。

图2，子区域A-C位移方向与凸模间摩擦力方向示意图。

图3，球形件成形截面示意图。

图4，球形件成形关键区域划分图。

图5，汽车覆盖件成形件关键区域划分示意图。

图中，1，板料；2，凸模A；3，凹模A；4，压边圈；7，子区域A；8，子区域B；9，子区域C；21，球形件；22，凸模B；23，凹模B；25，三级关键区域；26，二级关键区域；27，一级关键区域；31，汽车覆盖件；32，凸模C；33，凹模C；40，肋条；41，坡面；50，肋状突起；60，肋状槽；

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进一步详细说明。

实施例1。

本发明方法在实施例1中的具体实施方式如下。

如图1所示的桶形件冲压成形截面示意图所示。冲压装置包括板料1、凸模A2、凹模A3和压边圈4。平面板料1在凸模A2和凹模A3作用下成为桶形件，压边圈4在成形过程中控制材料的流动，防止板料1在拉伸和拉延过程中起皱。

实施本发明方法分为三个步骤。

步骤A），确定凸模A2表面关键区域。定义塑性成形前的板料1下表面为平面M1，统计板料1在塑性成形终了状态下，凸模A2与板料1接触区域各点至平面M1的法向距离S，S∈[0，Sn]。法向距离S∈[0.4Sn，Sn)的点构成区域即为关键区域。

步骤B），划分关键等级。确定所划分关键等级的等级数量m，所述等级数量m为2~5；将区间[0.4Sn，Sn)等分成m=3个子区间，则子区间为[0.4Sn，0.6Sn)、[0.6Sn，0.8Sn)和[0.8Sn，Sn)。其中，Sn为凸模与板料（1）接触区域各点至平面M1的法向最远距离。凸模A2表面法向距离S在上述3个子区间内的点构成区域分别对应一级关键区域、二级关键区域和三级关键区域，m不为3的情形以此类推。

步骤A）和步骤B）中，确定凸模A2表面关键区域并划分关键等级的方法为摩擦功分析法，具体方法如下。在图1所示的桶形件冲压成形的末状态截面视图中，选取子区域A7、子区域B8和子区域C9，如图2。上述子区域的选取方法为最简化选取方法，子区域越小，数量越多则分析越准确。由于模具表面改性技术是通过改变材料表面的粗糙度，间接改变板料1与模具间的摩擦系数和摩擦力，最终改变模具对板料1的金属材料的转移能力。因此，对板料1从能量角度分析，表面改性技术仅改变了摩擦力对其做功（摩擦功）的多少。另一方面，正是由于表面改性技术仅改变了摩擦功，因此，在塑性成形过程中受较大摩擦功作用的子区域是表面改性技术发挥作用的关键区域，即是需要毛化处理以进一步增大摩擦力做功区域。在关键区域内按照所受摩擦功的多少进一步划分关键等级，获得m级关键区域。摩擦力做功w=fs，其中f为摩擦力，s为力方向的位移。

子区域A7位于桶形件底部，它在塑性成型过程中，受到重力、凸模压力、摩擦力和材料间力的作用。分析摩擦力对子区域A7的做功情况，由于子区域A7位移方向与摩擦力方向垂直，因此子区域A7的摩擦功近似为0（忽略由于子区域A7形变而产生的在摩擦力方向的位移）。表面改性对诸如子区域A7的区域，并无明显作用。

子区域B8与凸模圆角接触，其与子区域A7的不同点在于，子区域B8在成形过程中，摩擦力与位移方向呈一夹角。

子区域C9与凸模与凹模之间滑动，其成形过程中摩擦力与位移方向一致。

介于上述典型子区域的摩擦功分析，以法向距离S定性分析获得表面改性技术发挥作用的关键区域及关键等级。

步骤C），通过高能激光束实现凸模表面不同关键等级区域的表面毛化处理和凹模表面的凹腔及沟槽的加工。高能激光束对凸模表面毛化处理的原理是在其表面产生规则阵列的毛化形貌。产生毛化形貌的激光参数为：激光器为CO₂激光器、灯泵浦YAG激光器、二极管泵浦YAG激光器、光纤激光器之一，激光参数为：功率密度10⁴—10⁷W/cm²，离焦量±2mm，脉冲宽度0.01~500ms，脉冲频率30Hz~20kHz。

产生凹腔和沟槽的激光参数为二极管泵浦YAG固体激光器，光纤激光器之一，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，脉冲数1~7次；其中，脉冲频率为激光器每秒钟发出的激光脉冲个数，脉冲数为形成单个微凹腔的激光脉冲个数。

控制毛化形貌的高度、直径和分布能够获得不同粗糙度的表面。分别在凸模一级关键区域、二级关键区域和三级关键区域进行毛化处理，且各区域的表面粗糙度递增。

本实施例在模具钢表面，毛化形貌面积占有率5%~50%，高度1~20微米，直径20~500微米，获得Ra0.1~Ra0.6的表面。所述凹腔形貌由微凹腔29阵列而成，微凹腔29面积占有率5%~50%，深度2~25微米，直径10~100微米。

实施例2。

实施例2的成形件为球形件，凸模B22和凹模B23为对应模具，如图3和图4。

采用与实施例1相同的实施步骤，确定凸模B22上的一级关键区域27、二级关键区域26和三级关键区域25，所述区域在凸模B22上为环形分布。

实施例3。

实施例3的成形件为一汽车覆盖件，其含有多个成形特征，包括肋条40和坡面41，如图5。

实施例3与实施例1或2的区别在于，确定凸模C32上关键区域及对应关键等级需要分别考虑特征肋条40和坡面41。分别考虑特征肋条40和坡面41，得出针对凸模C32的表面毛化处理方案。仅考虑特征肋条40的情况下，认为成形件为肋条40，则成形凸模为凸模C32上的肋状突起50，则成形凹模为凹模C33上的肋状槽60，套用实施例1和实施例2中的凸模表面毛化处理方法。仅考虑坡面41的情况与之相同。

Claims

1.一种金属塑性成形模具表面主动改性方法，通过对凸模表面的毛化处理，主动增加凸模表面的粗糙度和材料粘附性能；通过在凹模表面加工出规则凹腔和沟槽，储存、均布和传送润滑油；其特征在于：根据板料的成形过程，确定凸模表面影响冲压性能的关键区域，并将所述关键区域划分为若干关键等级，对凸模表面各关键区域按照关键等级进行表面毛化处理，使得凸模表面粗糙度和材料粘附性能阶梯变化；确定关键区域并划分关键等级的方法为摩擦功法，所述摩擦功法是计算成形件各子区域在成形过程中受来自凸模的摩擦力做功的大小；凸模表面与受摩擦力做功较多的子区域相接触的区域是表面改性技术发挥作用的区域，即关键区域，对关键区域的毛化处理进一步增大摩擦力做功，促进材料的流动；按摩擦力做功的多少，细分所述关键区域，形成关键等级。

2.根据权利要求1所述的一种金属塑性成形模具表面主动改性方法，其特征在于，在成形件含有多个成形特征的情况下，对各成形特征依次实施摩擦功法，得到针对各成形特征的表面毛化方案，在凸模表面复合加工各成形特征的表面毛化加工。

3.根据权利要求1所述的一种金属塑性成形模具表面主动改性方法，其特征在于, 确定凸模表面影响冲压性能的关键区域的方法为：定义塑性成形前的板料（1）下表面为平面M1，统计板料（1）在塑性成形终了状态下，凸模与板料（1）接触区域各点至平面M1的法向距离S，S∈[0，Sn]；凸模表面法向距离S∈[0.4Sn，Sn)的点构成区域即为关键区域，其中，Sn为凸模与板料（1）接触区域各点至平面M1的法向最远距离。

4.根据权利要求3所述的一种金属塑性成形模具表面主动改性方法，其特征在于，划分关键区域等级的方法为：确定所划分关键等级的等级数量m，所述等级数量m为2~5；将区间[0.4Sn，Sn)等分成m个子区间，则凸模表面法向距离S在上述m个子区间内的点构成的区域共构成m级关键区域。

5.根据权利要求4所述的一种金属塑性成形模具表面主动改性方法，其特征在于，m=3，则子区间为[0.4Sn，0.6Sn)、[0.6Sn，0.8Sn)和[0.8Sn，Sn)，凸模表面法向距离S在上述3个子区间内的点构成区域分别对应一级关键区域、二级关键区域和三级关键区域。

6.根据权利要求1—5中任意一条权利要求所述的一种金属塑性成形模具表面主动改性方法，其特征在于：凸模表面毛化处理方法是在其表面产生规则阵列的毛化形貌，毛化形貌的面积占有率为5%~50%，高度1~20微米，直径20~500微米；微凹腔的面积占有率5%~50%，深度2~25微米，直径10~100微米。

7.根据权利要求6所述的一种金属塑性成形模具表面主动改性方法，其特征在于：凸模表面毛化处理和凹模表面凹腔和沟槽是高能激光束加工的，毛化形貌的激光参数为：激光器为CO₂激光器、灯泵浦YAG激光器、二极管泵浦YAG激光器、光纤激光器之一，激光参数为：功率密度10⁴—10⁷W/cm²，离焦量±2mm，脉冲宽度0.01~500ms，脉冲频率30Hz~20kHz；凹腔和沟槽的激光参数为二极管泵浦YAG固体激光器，光纤激光器之一，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，脉冲数1~7次。