CN112605290B

CN112605290B - 一种激光微织构与涂层协同作用的冲压模具表面处理方法

Info

Publication number: CN112605290B
Application number: CN202011520354.0A
Authority: CN
Inventors: 符昊; 杨杰; 符永宏; 陈天阳
Original assignee: Zhenjiang Guangrun Electromechanical Technology Co ltd; Jiangsu University
Current assignee: Zhenjiang Guangrun Electromechanical Technology Co ltd; Jiangsu University
Priority date: 2020-12-21
Filing date: 2020-12-21
Publication date: 2022-07-19
Anticipated expiration: 2040-12-21
Also published as: CN112605290A

Abstract

本发明涉及一种激光微织构与涂层协同作用的冲压模具表面处理方法，包含以下步骤：识别模具表面关键摩擦敏感区及易磨损区域；在模具表面实施优化匹配的球冠状织构及凹体织构加工；在模具表面进行涂层加工，使得模具关键摩擦敏感区的涂层复印织构形貌、易磨损区的涂层覆盖织构形貌。本发明的有益效果在于：对模具/工件界面摩擦特性实施精准调控，抑制工件材料不均匀变形行为，改善工件厚度均匀性；发挥织构与涂层的集成增益效应，增强涂层与基体的机械啮合力，提升模具使用寿命；提高工件表层材料机械力学性能，防止工件表面擦伤。

Description

一种激光微织构与涂层协同作用的冲压模具表面处理方法

技术领域

本发明涉及模具表面处理领域，特别涉及一种激光微织构与涂层协同作用的冲压模具表面处理方法。

背景技术

冲压模具作为薄壁金属板料成形的重要工具，广泛应用于汽车、船舶、航空航天等领域。然而其成形通常在高压和交变载荷等恶劣工况下进行，由此带来两个既常见又突出的技术挑战：一是工件厚度不均匀导致的起皱、开裂缺陷；二是模具因磨损、变形、开裂等原因导致失效。

针对工件起皱、开裂缺陷，目前普遍采用拉延筋与板料表面贴膜的方法，前者阻延材料流动，后者促进材料流动。实际上，起皱、开裂仅发生在极其有限的区域，目前方法并不能实现对工件材料流动行为的精确调控，因此对成形件均匀性的提升效果有限，甚至可能在某些区域适得其反、恶化效果。而且，不管是设置拉延筋还是板料表面贴膜，都增加了生产成本。

近年来，激光微织构技术开始被应用于冲压模具表面处理，以提高成形工件均匀性。中国专利提出了一种金属塑性成形模具织构化自润滑处理方法，先在模具表面加工微凹坑织构，然后对模具进行自润滑复合材料成型粘结加工处理，在保证模具承载能力和型面配合精度的同时，实现模具表面的润滑性能的优化分布，改善材料的流动和模具的润滑抗磨性能，提高模具寿命和制品质量。但该方法增加润滑减小了摩擦，增加了材料的流动速度，在原本材料流动速度较快的区域易出现减薄率过大甚至拉裂的现象。中国专利介绍了一种金属塑性成形模具表面的激光复合造型处理方法，该方法将微凹坑织构和微凸起织构相结合，利用微凸起织构产生钉扎效应，提高成形件表面硬度，利用微凹坑织构减小摩擦，改善材料流动，但是由于微凸起织构与成形件表面为点接触，较易磨损，导致模具寿命较低，且微凸起的形貌不明确，若采用火山口形貌，易导致工件表面划伤。

针对模具磨损失效问题，中国专利公布了一种冷冲压模具的表面处理方法，在经过热处理调制硬度后的冲压模具表面沉积PVD涂层，来延长模具使用寿命、保持模具外硬内韧特性。但其直接在光滑模具表面进行涂层沉积，膜基结合力较低，涂层较易剥落，因此模具寿命提升不显著。目前的织构化涂层技术是表面整体处理，实则增加加工成本，只需要在易磨损区域加工织构。

综上所述，目前模具表面处理存在以下问题：

1、在模具表面加工凸体织构，虽然可以增加摩擦，阻延材料流动，但是某些凸体织构，如火山口状，容易造成板料表面擦伤。

2、模具表面加工的凹凸织构可以精确调控工件材料流动，但耐磨性较差。

3、模具表面加工涂层结合力差，易剥落，涂层模具寿命不高。

在模具表面加工微织构并提供自润滑材料，则模具表面本身的耐磨性没有提高，在一定情况下依然会有较大磨损。

发明内容

针对现有技术中存在的不足，本发明提供了一种激光微织构与涂层协同作用的冲压模具表面处理方法，利用有限元仿真确定减摩区和增摩区两类摩擦敏感区和易磨损区，实现主动分区，使表面处理更具有针对性，这样可以有效改善模具表面的摩擦性能、耐磨性能和附着性能，提高成形件的均匀性并延长模具寿命。

本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

一种激光微织构与涂层协同作用的冲压模具表面处理方法，包括如下步骤：

对冲压过程动态仿真分析，根据分析得出的成形件最大减薄率变化或成形件最大增厚率变化确定模具表面的关键摩擦敏感区；在关键摩擦敏感区内，根据分析得出的成形件表面拉应力大小确定模具表面的增摩区；在关键摩擦敏感区内，根据分析得出的成形件表面压应力大小确定模具表面的减摩区；根据分析得出的模具所受接触应力幅值大小确定易磨损区；

对所述增摩区表面加工球冠状织构，对所述减摩区表面加工凹体织构，对所述易磨损区表面加工凹坑织构。

进一步，确定关键摩擦敏感区具体为：将所述模具表面根据轮廓形状划分成：凸缘区、凸凹模圆角区、侧壁区和底部区；采用单因素轮换法，对划分的各区域设置不同摩擦系数，利用动力显式算法进行数值模拟，分析成形件的减薄率和增厚率，若成形件最大减薄率变化或成形件最大增厚率变化幅度大于10％，则该区域为关键摩擦敏感区。

进一步的，在关键摩擦敏感区中，最大减薄率超过10％的区域中，成形件缺陷表现为开裂趋势，该区域为增摩区；最大增厚率超过10％的区域中，成形件缺陷表现为起皱趋势，该区域为减摩区。

进一步，通过冲压过程动态仿真分析，模具所受接触应力幅值前20％区域为模具表面易磨损区。

进一步，所述增摩区表面的球冠状织构呈阵列分布，所述球冠状织构凸起高度H为4～30μm，所述球冠状织构直径D为50～500μm，所述球冠状织构的面积密度10％～70％，所述球冠状织构凸起的底部环槽深度h为1～6μm，所述球冠状织构凸起的底部环槽宽度d为5～50μm；所述易磨损区的凹坑织构呈阵列分布，所述易磨损区的凹坑织构直径为10～200μm，所述易磨损区的凹坑织构深度为0.5～2μm，所述易磨损区的凹坑织构面积密度为20％～80％。

进一步，所述减摩区表面的凹体织构至少包括凹坑织构或凹槽织构中的一种或其组合，所述减摩区表面的凹体织构呈阵列分布；所述减摩区表面的凹坑织构直径为50～500μm，所述减摩区表面的凹坑织构深度为4～20μm，所述减摩区表面的凹坑织构面积密度为10％～70％；所述减摩区表面的凹槽织构宽度为10～200μm，所述减摩区表面的凹槽深度为4～20μm，所述减摩区表面的凹槽为面积密度10％～70％。

进一步，当减摩区和易磨损区重合时，在重合区内所述减摩区的凹体织构和所述易磨损区的凹坑织构交替间隔分布；在重合区内的凹体织构和凹坑织构的面积率分别为10％～40％。

进一步，还包括如下步骤：对加工后的模具表面沉积涂层。

进一步，所述沉积涂层为硬质涂层或软质和硬质复合涂层，所述涂层厚度为1～10μm。

本发明的有益效果在于：

1.本发明所述的激光微织构与涂层协同作用的冲压模具表面处理方法，通过仿真准确地分析出冲压过程中冲压模具表面的易磨损区、减摩区和增摩区，以便后续加工精准施策。

2.本发明所述的激光微织构与涂层协同作用的冲压模具表面处理方法，对模具/工件界面摩擦特性实施精准调控，抑制工件材料不均匀变形行为，改善工件厚度均匀性。

3.本发明所述的激光微织构与涂层协同作用的冲压模具表面处理方法，发挥织构与涂层的协同增益效应，增强织构保持性以及涂层与基体的机械啮合力，提升模具使用寿命；

4.本发明所述的激光微织构与涂层协同作用的冲压模具表面处理方法，提高工件表层材料机械力学性能，防止工件表面擦伤。

附图说明

图1为本发明所述的激光微织构与涂层协同作用的冲压模具表面处理方法的流程图。

图2为本发明所述的区域划分图。

图3为图2的A局部放大图。

图4为图2的B局部放大图。

图5为图2的C局部放大图。

图6为本发明所述的球冠状织构的截面图。

图7为本发明所述的减摩区的凹坑织构与易磨损区的凹坑织构重合时分布图。

图8为本发明所述的减摩区的凹槽织构与易磨损区的凹坑织构重合时分布图。

图9为本发明所述的减摩区的凹体织构与易磨损区的凹坑织构重合时分布图。

图10为本发明所述的沉积涂层示意图。

图11为本发明实施例1的冲压装置示意图。

图12为本发明实施例2的冲压装置示意图。

图中：

1-凸模；2-压边圈；3-板料；4-凹模；5-涂层；6-润滑剂；7-球冠状织构；8-减摩区的凹坑织构；9-易磨损区的凹坑织构；10-减摩区的凹槽织构；11-冲头座；12-压边圈；13-板料；14-凹模。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。

如图1所示，本发明所述的激光微织构与涂层协同作用的冲压模具表面处理方法，包括如下步骤：

S01：如图2所示，对冲压过程动态仿真分析，根据分析得出的成形件最大减薄率变化或成形件最大增厚率变化确定模具表面的关键摩擦敏感区，具体为：将所述模具表面根据轮廓形状划分成：凸缘区、凸凹模圆角区、侧壁区和底部区；采用单因素轮换法，对划分的各区域设置不同摩擦系数，即根据不同实际工况，在各个区域设置不同摩擦系数：0.02、0.06、0.10、0.14、0.18、0.22、0.26、0.30、0.34、0.38。利用动力显式算法进行数值模拟，分析成形件的减薄率和增厚率，若成形件最大减薄率变化或成形件最大增厚率变化幅度大于10％，则该区域为关键摩擦敏感区。

在关键摩擦敏感区中，最大减薄率超过10％的区域中，成形件缺陷表现为开裂趋势，该区域为增摩区，如图4所示；最大增厚率超过10％的区域中，成形件缺陷表现为起皱趋势，该区域为减摩区，如图3所示。

通过冲压过程动态仿真分析，模具所受接触应力幅值前20％区域为模具表面易磨损区，如图5所示。

S02：对模具表面进行抛光处理并清洗，使得表面粗糙度Ra≤0.03μm；

S03：对所述增摩区表面加工球冠状织构，对所述减摩区表面加工凹体织构，对所述易磨损区表面加工凹坑织构。如图6所示，所述增摩区表面的球冠状织构7呈阵列分布，所述球冠状织构7凸起高度H为4～30μm，所述球冠状织构7直径D为50～500μm，所述球冠状织构7的面积密度10％～70％，所述球冠状织构7凸起的底部环槽深度h为1～6μm，所述球冠状织构7凸起的底部环槽宽度d为5～50μm；所述易磨损区的凹坑织9构呈阵列分布，所述易磨损区的凹坑织构9直径为10～200μm，所述易磨损区的凹坑织构9深度为0.5～2μm，所述易磨损区的凹坑织构9面积密度为20％～80％。所述减摩区的凹体织构至少包括凹坑织构或凹槽织构中的一种或其组合，所述减摩区的凹体织构呈阵列分布；所述减摩区的凹坑织构8直径为50～500μm，所述减摩区的凹坑织构8深度为4～20μm，所述减摩区的凹坑织构8面积密度为10％～70％；所述减摩区的凹槽织构10宽度为10～200μm，所述减摩区的凹槽织构10深度为4～20μm，所述减摩区的凹槽织构10为面积密度10％～70％。

增摩区球冠状织构的激光加工参数为：峰值功率密度10⁵～10⁶W/cm²，脉冲宽度1μs～1ms，辅助气体为氮气，压力为0.1～2Mpa，吹气角度与加工点法线夹角为0～75°；减摩区凹坑织构或凹槽织构采用的激光加工参数为：平均功率密度10⁶～10⁸W/cm²，脉冲宽度1～100ns，辅助气体为氮气，压力为0.1～2Mpa，吹气角度与加工点法线夹角为0～60°；易磨损区凹坑织构采用皮秒光纤激光器加工，单脉冲能量为20～200μJ，脉宽1～500ps。

如图7、图8和图9所示，当减摩区和易磨损区重合时，在重合区内所述减摩区的凹体织构和所述易磨损区的凹坑织构交替间隔分布；在重合区内的凹体织构和凹坑织构的面积率分别为10％～40％。若减摩区和易磨损区均为凹坑织构，则两个区域各自的凹坑织构交替间隔一行(列)或多行(列)分布；若减摩区为凹槽织构、易磨损区为凹坑织构，则凹槽织构与凹坑织构交替间隔一行或多行分布；若减摩区为包含凹坑织构和凹槽织构的凹体织构、易磨损区为凹坑织构，则凹体织构与后者的凹槽织构间隔一行或多行分布。

S04：对加工后的模具表面先抛光再清洗，去除表面重铸层及飞溅熔渣；

S05：如图10所示，将模具置于涂层沉积腔中，调节涂层沉积参数，在所述模具表面沉积涂层并晾干。涂层沉积采用PVD法沉积。所述沉积涂层为硬质涂层或软质和硬质复合涂层，所述涂层厚度为1～10μm。

本发明的激光微织构与涂层协同作用的冲压模具表面处理方法，首先，利用有限元仿真确定减摩区和增摩区两类摩擦敏感区和易磨损区，实现主动分区，使表面处理更具有针对性。其次，实现激光微织构与涂层的协同作用，在三个区域中分别加工凹体织构、凹坑织构和球冠状织构，并且沉积涂层，利用微织构增强表面附着性能来提高涂层与模具基体之间的结合强度，使涂层不易剥落；同时，涂层使微织构的耐磨性更佳、耐磨时间更长，而减摩区涂层表面复映了微凹坑形貌，具有容纳磨屑、储存润滑剂、增大油膜压力和提供二次润滑的功能，能显著减小摩擦、降低磨损。最后，通过减摩区的凹坑织构和增摩区的球冠状织构来有效控制冲压过程中的材料流动，改善成形件均匀性，并提高工件表层材料机械力学性能，防止工件表面擦伤。

如图11所示的实施例1，本实施例中，减摩区的凹体织构为减摩区的凹坑织构8。

S01：仿真模拟。利用SolidWorks软件建立筒形件冲压模具的三维模型，并将其导入有限元分析软件Abacus的Standard模块中，模具和板料均设置为弹性体，且模具材料设置为DC53模具钢，板料材料设置为SUS304不锈钢。首先进行网格划分，网格采用六面体单元，并在凸模圆角区和凹模圆角区对网格进行加密。对划分好的网格，根据模具轮廓变化划分模具表面区域：凸缘区、冲头座圆角区、凹模圆角区、侧壁区和底部区。根据实际模具，在凸缘区和冲头座圆角区设置摩擦系数为0.15，在凹模区设置摩擦系数为0.10，在侧壁区和底部区设置摩擦系数为0.12。采用动力显式算法进行数值模拟，发现板料在冲头座圆角区减薄超过10％，有开裂缺陷趋势；在凹模圆角区增厚超过10％，有起皱缺陷趋势；在凹模圆角区的中部应力幅值高于其他区域，该区域易磨损。由此得出冲头座11圆角区为增摩区，凹模14圆角区上部和下部为减摩区，中部为减摩区与易磨损区的重叠区域。

S02：清洁抛光。将冲头座11和凹模14表面抛光，再对基体表面进行清洁处理。在清洁处理时，优先采用超声清洁的方式，将冲头座11和凹模14置放在无水乙醇中进行超声清洗，清洗时间为20分钟左右。

S03.1：加工球冠状织构。利用纳秒激光器，设置激光加工功率为60W，脉冲宽度为800μs，频率为50kHz，在冲头座11圆角区加工的球冠状织构7直径约为200μm，球冠状织构7凸起高度为6μm，球冠状织构7面积率为20％的球冠状织构7，其球冠状织构底部环槽深度为1.5μm，球冠状织构底部环槽宽度为15μm。其中，在冲头座11圆角区域每隔15°分布一圈球冠状织构7，共6圈，每圈240个球冠状织构7。

S03.2：加工减摩区的凹坑织构8。利用皮秒激光器，设置激光加工功率为50W，脉冲宽度为1500μs，在凹模14圆角区加工半径为137μm，深度约为11μm，面积率为20％的凹坑织构。其中，在凹模14圆角区域每隔6°分布一圈凹坑织构，共16圈，每圈480个凹坑织构。

S03.3：加工易磨损区的凹坑织构9。利用皮秒激光器，设置激光加工功率为30W，脉冲宽度为1500μs，在凹模14圆角区加工半径为97μm，深度约为3μm，面积率为10％的凹坑织构。其中，在凹模14圆角区中部30°～60°的区域，每隔6°分布一圈凹坑织构，共5圈，每圈480个凹坑织构。

S04：打磨清洁。用5000目砂纸打磨凹模14圆角区，去除表面重铸层，然后对冲头座11和凹模14再次进行超声波清洗，去除表面杂质颗粒，烘干。

S05：沉积涂层。在冲头座11和凹模14表面通过磁控溅射工艺沉积厚度为6μm的TiAlN涂层。设置涂层沉积的温度约为200℃，真空度约3×10-3Pa，沉积气压为2.5×10-5Torr，基体旋转速度4rpm，沉积时间75min，保温时间30min。

S06：板料冲压。在金属板料成型试验机上安装冲头座11、压边圈13和凹模14，在模具上涂抹少许运动粘度为50cSt的润滑剂6，并放置直径90mm，厚度1mm，表面粗糙度大约为0.1μm的圆片状SUS304板料12。设置压边力为20KN，冲压深度为25mm，在25℃室温及50％相对湿度的条件下进行冲压。

S07：检测。对成形件的厚度进行检测，发现与无织构模具相比，织构模具的成形件均匀性有效提高，且成形件表面更为平整，内部晶粒更加细小有序。

S08：模具寿命测试。在冲压试验机上对模具进行寿命测试，发现与无织构模具，织构模具寿命延长约80％。

如图12所示的实施例2，本实施例中，减摩区的凹体织构为减摩区的凹槽织构10。

实施步骤中除S03.2外均与实施例1相同。

S03.2：加工减摩区的凹槽织构10。利用皮秒激光器，设置激光加工功率为60W，脉冲宽度为1500μs，在凹模14圆角区加工半径为150μm，深度约为13μm，面积率为30％的凹槽织构。其中，在凹模14圆角区域每隔6°分布一条凹槽织构，共16条。

最后检测和测试发现成形件均匀性有效提高，且成形件表面更为平整，内部晶粒更加细小有序。减摩区为凹槽织构的模具寿命比无织构模具延长约90％。

如果减摩区的凹体织构为凹槽织构和凹坑织构的组合时，效果更加明显。

所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种激光微织构与涂层协同作用的冲压模具表面处理方法，其特征在于，包括如下步骤：

对冲压过程动态仿真分析，根据分析得出的成形件最大减薄率或成形件最大增厚率确定模具表面的关键摩擦敏感区；在关键摩擦敏感区内，根据分析得出的成形件表面拉应力大小确定模具表面的增摩区；在关键摩擦敏感区内，根据分析得出的成形件表面压应力大小确定模具表面的减摩区；根据分析得出的模具所受接触应力幅值大小确定易磨损区；

对所述增摩区表面加工球冠状织构，对所述减摩区表面加工凹体织构，对所述易磨损区表面加工凹坑织构；

当减摩区和易磨损区重合时，在重合区内所述减摩区的凹体织构和所述易磨损区的凹坑织构交替间隔分布；在重合区内的凹体织构和凹坑织构的面积率分别为10％～40％。

2.根据权利要求1所述的激光微织构与涂层协同作用的冲压模具表面处理方法，其特征在于，确定关键摩擦敏感区具体为：将所述模具表面根据轮廓形状划分成：凸缘区、凸凹模圆角区、侧壁区和底部区；采用单因素轮换法，对划分的各区域设置不同摩擦系数，利用动力显式算法进行数值模拟，分析成形件的减薄率和增厚率，若成形件最大减薄率或成形件最大增厚率大于10％，则该区域为关键摩擦敏感区。

3.根据权利要求2所述的激光微织构与涂层协同作用的冲压模具表面处理方法，其特征在于，若成形件最大减薄率超过10％，则成形件缺陷表现为开裂趋势，该区域为增摩区；若成形件最大增厚率超过10％，则成形件缺陷表现为起皱趋势，该区域为减摩区。

4.根据权利要求1所述的激光微织构与涂层协同作用的冲压模具表面处理方法，其特征在于，通过冲压过程动态仿真分析，模具所受接触应力幅值前20％区域为模具表面易磨损区。

5.根据权利要求1所述的激光微织构与涂层协同作用的冲压模具表面处理方法，其特征在于，所述增摩区表面的球冠状织构呈阵列分布，所述球冠状织构凸起高度H为4～30μm，所述球冠状织构直径D为50～500μm，所述球冠状织构的面积密度10％～70％，所述球冠状织构凸起的底部环槽深度h为1～6μm，所述球冠状织构凸起的底部环槽宽度d为5～50μm；所述易磨损区的凹坑织构呈阵列分布，所述易磨损区的凹坑织构直径为10～200μm，所述易磨损区的凹坑织构深度为0.5～2μm，所述易磨损区的凹坑织构面积密度为20％～80％。

6.根据权利要求1所述的激光微织构与涂层协同作用的冲压模具表面处理方法，其特征在于，所述减摩区的凹体织构至少包括凹坑织构或凹槽织构中的一种或其组合，所述减摩区的凹体织构呈阵列分布；所述减摩区的凹坑织构直径为50～500μm，所述减摩区的凹坑织构深度为4～20μm，所述减摩区的凹坑织构面积密度为10％～70％；所述减摩区的凹槽织构宽度为10～200μm，所述减摩区的凹槽织构深度为4～20μm，所述减摩区的凹槽织构为面积密度10％～70％。

7.根据权利要求1-6任一项所述的激光微织构与涂层协同作用的冲压模具表面处理方法，其特征在于，还包括如下步骤：对加工后的模具表面沉积涂层。

8.根据权利要求7所述的激光微织构与涂层协同作用的冲压模具表面处理方法，其特征在于，所述沉积涂层为硬质涂层或软质和硬质复合涂层，所述涂层厚度为1～10μm。