基于均勻性的模具表面復(fù)合織構(gòu)

符永宏，楊守軍，許 華，華?？?，王忠領(lǐng)

(江蘇大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江212013)

拉深零件常見(jiàn)的失效形式有起皺和拉裂，為消除這些缺陷，工程技術(shù)人員做了大量嘗試和努力，但拉深成形件的質(zhì)量仍差強(qiáng)人意.K.D.Majeske等［1］研究發(fā)現(xiàn)，高報(bào)廢率仍是復(fù)雜形狀零件沖壓過(guò)程中一個(gè)突出的問(wèn)題，造成很大的經(jīng)濟(jì)損失.因此，迫切需要尋找一種能降低報(bào)廢率的技術(shù)，以提高企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力和經(jīng)濟(jì)效益.

摩擦學(xué)特性顯著影響著成形件的厚度和應(yīng)變分布.許多學(xué)者建立的理論模型均將摩擦系數(shù)設(shè)為常數(shù)，并未考慮模具表面與板料之間摩擦系數(shù)隨拉深過(guò)程的變化.對(duì)此，H.Darendeliler等［2］建立了變摩擦模型，研究某一節(jié)點(diǎn)的摩擦系數(shù)隨沖壓過(guò)程的變化規(guī)律及某一時(shí)刻各節(jié)點(diǎn)摩擦系數(shù)的分布情況.L.R.Sanchez［3］建立了金屬板料在平面應(yīng)變狀態(tài)下的摩擦測(cè)試系統(tǒng).R.Shivpuri等［4］以油底殼為研究對(duì)象，以減小拉裂和起皺為目標(biāo)，對(duì)凸模、凹模及壓邊圈不同區(qū)域的摩擦進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì).以上研究發(fā)現(xiàn):在拉深過(guò)程中模具表面與板料之間的摩擦系數(shù)在各個(gè)區(qū)域是不相同的，且是隨時(shí)間和空間變化的二元函數(shù)，但均未涉及到如何實(shí)現(xiàn)模具表面摩擦特性?xún)?yōu)化分布的技術(shù)手段.

本研究結(jié)合均勻設(shè)計(jì)方法，應(yīng)用ABAQUS模擬軟件，尋找出筒形件模具表面最佳的摩擦特性組合.在此基礎(chǔ)上，利用激光毛化和激光微織構(gòu)復(fù)合造型技術(shù)，在模具表面不同區(qū)域主動(dòng)設(shè)計(jì)并制造出不同微織構(gòu)，實(shí)現(xiàn)不同摩擦特性的組合分布.最后，進(jìn)行復(fù)合造型前后拉深成形對(duì)比試驗(yàn)，并將試驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析.

1 數(shù)值模擬

1.1 有限元模型

模具選用實(shí)際生產(chǎn)中使用的模具，經(jīng)測(cè)繪得到模具及附屬部件的主要尺寸:凸模直徑74.0 mm，圓角半徑 3.5 mm，壓邊圈內(nèi)徑 75.4 mm，外徑 140.0 mm，凹模內(nèi)徑 75.4 mm，外徑 140.0 mm，深 32.0 mm，圓角半徑3.5 mm.

由于筒形件為軸對(duì)稱(chēng)零件，取1/4建模，模具定義為離散剛體，板料為變形體.凸模、凹模和壓邊圈分別分成739，492和392個(gè)單元，單元類(lèi)型均選擇4節(jié)點(diǎn)三維線(xiàn)性剛性單元R3D4.板料分為1 007個(gè)單元，單元類(lèi)型選擇性能穩(wěn)定的4節(jié)點(diǎn)四邊形有限薄膜應(yīng)變線(xiàn)性減縮積分殼單元S4R.有限元模型如圖1所示.

圖1 有限元模型

1.2 模擬方案

模擬時(shí)，板料選用實(shí)際生產(chǎn)所用的SUS304不銹鋼，板料厚度 0.6 mm，直徑 130.0 mm，應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系［5-6］為 σ =1 638.43ε0.6328+0.036lnε.SUS304 不銹鋼機(jī)械性能參數(shù):密度為7 930 kg·m-3，彈性模量為230 GPa，泊松比為0.28，屈服應(yīng)力 σs為253.4 MPa，抗拉強(qiáng)度 σb為 716.8 MPa.

模擬時(shí)采用定常壓邊力30 kN，拉深深度為38 mm.為了研究模具表面不同區(qū)域摩擦特性對(duì)成形件成形性能的影響規(guī)律，將筒形件的凸模和凹模分成6個(gè)區(qū)域:A為凸模筒底區(qū)，B為凸模圓角區(qū)，C為凸模直壁區(qū)，D為凹模壓邊區(qū)，E為凹模圓角區(qū)，F(xiàn)為凹模直壁區(qū)，如圖2所示.

圖2 模具表面區(qū)域劃分

因模擬時(shí)板料與模具的接觸方式為面面接觸，故采用單因素輪換法，每個(gè)因素(區(qū)域)取6個(gè)水平(摩擦系數(shù)):0.03，0.08，0.12，0.16，0.20，0.25.當(dāng)改變某一區(qū)域摩擦系數(shù)時(shí)，其他區(qū)域摩擦系數(shù)保持不變，取0.12.本研究采用拉深后板厚的均勻度來(lái)衡量板料的成形性能，找出對(duì)板厚影響程度較大的主影響區(qū)和影響程度較小次影響區(qū)，然后通過(guò)均勻設(shè)計(jì)，優(yōu)化模具表面摩擦系數(shù)分布，以獲得板厚變化幅度最小的筒形件.

2 模擬結(jié)果與分析

2.1 不同摩擦系數(shù)對(duì)板厚的影響規(guī)律

摩擦系數(shù)在模具表面不同區(qū)域所起的作用不盡相同，如圖3所示.

圖3 摩擦系數(shù)對(duì)厚度的影響

由圖3a可知:隨著B(niǎo)，C區(qū)摩擦系數(shù)增大，板料在最薄處的厚度單調(diào)增加，但隨著C區(qū)摩擦系數(shù)增加，厚度增加幅度不大;隨著B(niǎo)區(qū)摩擦系數(shù)增加，影響程度有所下降，當(dāng)摩擦系數(shù)從0.03增加到0.25時(shí)，厚度增加了0.054 mm.D，E區(qū)摩擦系數(shù)對(duì)最薄處板厚的影響較顯著，當(dāng)E區(qū)摩擦系數(shù)從0.03增加到0.20時(shí)，厚度減小了 0.144 mm，在此區(qū)間，D，E兩曲線(xiàn)近似重合，影響程度相當(dāng);當(dāng)D，E區(qū)摩擦系數(shù)增加到0.25時(shí)，板料最大減薄率已超過(guò)30%，此時(shí)板料已拉裂.因此，各區(qū)摩擦系數(shù)對(duì)最大減薄率的影響程度從大到小依次為E，D，B和C，而A和F影響甚微，為次影響區(qū).

在筒形件的成形過(guò)程中，由于凸緣區(qū)承受周向壓應(yīng)力，因此，在周向會(huì)發(fā)生壓縮變形，板料厚度會(huì)增加.由圖3b可知:隨著D，E區(qū)摩擦系數(shù)增加，最大板厚有所減小，這主要是由于兩區(qū)摩擦系數(shù)的增加，使得凸緣區(qū)材料流入凹模的阻力增加，徑向位移減小，周向收縮減小，因此最大板厚減小.當(dāng)B區(qū)摩擦系數(shù)增加時(shí)，最大板厚有所增加，但是影響程度不及D，E兩區(qū)，說(shuō)明B區(qū)摩擦系數(shù)的增加使得板料更容易流入凹模.因此，各區(qū)域的摩擦對(duì)最大板厚的影響程度從大到小為D，E和B，而A，C和F影響甚微，為次影響區(qū).

2.2 優(yōu)化方案

以板厚的均勻度為優(yōu)化目標(biāo)，通過(guò)模擬找出模具表面6個(gè)區(qū)域最優(yōu)的摩擦系數(shù)組合.

2.2.1 試驗(yàn)因素水平

根據(jù)上述數(shù)值模擬結(jié)果，可知B，D和E為主影響區(qū)，所以?xún)?yōu)化試驗(yàn)因素區(qū)域即為B，D和E，各因素水平(摩擦系數(shù))的數(shù)量為10個(gè)［7］.由圖3可知:隨B摩擦系數(shù)增大，成形件最薄處和最厚處厚度增大;隨D和E摩擦系數(shù)增大，成形件最薄處和最厚處的厚度減小;為了使板厚變得更加均勻，應(yīng)適當(dāng)增大B摩擦系數(shù)，減小D和E摩擦系數(shù).因此，B水平范圍為0.12～0.30，步長(zhǎng)0.02;D 和 E 水平范圍為0.03 ～0.12，步長(zhǎng)0.01;在模擬過(guò)程中，保持其余次影響區(qū)的摩擦系數(shù)為0.12.

2.2.2 均勻設(shè)計(jì)表的選擇

表1為根據(jù)確定的試驗(yàn)因素和試驗(yàn)水平選擇均勻設(shè)計(jì)表的U10*(108)的使用表.由于優(yōu)化方案僅選擇B，D和E共3個(gè)因素(S)、10個(gè)水平，因此，根據(jù)均勻設(shè)計(jì)表的使用表(見(jiàn)表1)選擇其中的第1，5，6列，均勻偏差為D=0.168 1.根據(jù)選擇的列號(hào)設(shè)計(jì)10組模擬試驗(yàn)，每組模擬試驗(yàn)的摩擦系數(shù)變化如表2所示.

表1 U10*(108)的使用表

表2 試驗(yàn)因素水平表

2.2.3 最優(yōu)摩擦系數(shù)組合的確定

根據(jù)表2中的10組摩擦系數(shù)組合，重新建立有限元模型進(jìn)行數(shù)值模擬，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到圖4所示的板厚變化幅度柱狀圖.由圖4可知:第3組的板厚變化幅度最大，達(dá)到33.05%;第8組的板厚變化幅度最小，只有27.99%，即在μA=μC=μF=0.12，μB=0.26，μD=0.09，μE=0.03 的條件下，成形后的筒形件最大板厚和最小板厚相差最小，說(shuō)明材料流動(dòng)比較均勻.因此，選擇上述摩擦系數(shù)組合為模具表面最優(yōu)的摩擦系數(shù)組合.

圖4 板厚變化統(tǒng)計(jì)圖

3 性能對(duì)比試驗(yàn)

3.1 激光復(fù)合織構(gòu)造型方案

根據(jù)以上模擬結(jié)果以及文獻(xiàn)［8-11］均得出如下結(jié)論:凸模圓角應(yīng)增大摩擦系數(shù)，凹模圓角應(yīng)減小摩擦系數(shù).即對(duì)凸模圓角進(jìn)行激光毛化處理，對(duì)凹模圓角進(jìn)行激光微織構(gòu)處理，以達(dá)到模擬得出的最佳摩擦系數(shù)組合.

3.1.1 激光毛化

加工出的毛化點(diǎn)形貌為W狀，直徑為440 μm，凸起高度為15 μm.W狀毛化點(diǎn)的三維和二維形貌如圖5所示.

圖5 W狀毛化點(diǎn)形貌圖

在凸模圓角區(qū)加工4圈毛化點(diǎn)，在凸模底部和直壁區(qū)分別加工2圈毛化點(diǎn)，在毛化圓角區(qū)時(shí)毛化點(diǎn)的徑向和周向間距均為1 500 μm.由于加工設(shè)備的限制，在毛化圓角部分時(shí)，分別將模具傾斜30°，60°和90°，加工后凸模圓角如圖6所示.

圖6 凸模激光毛化后效果圖

3.1.2 激光微織構(gòu)

加工出微凹腔三維和二維形貌如圖7所示.凹腔直徑75 μm，深度6 μm.周向和徑向間距均為200 μm;壓邊區(qū)加工20圈;在加工壓邊圈和圓角區(qū)上部分時(shí)，激光頭選擇為直頭;加工圓角區(qū)下部分時(shí)激光頭為90°彎頭;在加工過(guò)程中z向和x向移動(dòng)距離通過(guò)幾何方法計(jì)算得到;激光微織構(gòu)后凹模圓角如圖8所示.

圖7 微凹腔形貌圖

圖8 凹模圓角激光微織構(gòu)后效果圖

3.2 沖壓試驗(yàn)

拉深試驗(yàn)所用板料厚度為0.6 mm，直徑為130 mm的SUS304不銹鋼板，拉深深度等于模擬深度，試驗(yàn)過(guò)程中在板料下表面涂SUS304不銹鋼拉深油M68.準(zhǔn)備6塊板材(見(jiàn)圖9a)，編號(hào)1#-6#.其中1#-3#用于模具激光復(fù)合造型前的拉深試驗(yàn)，4#-6#用于模具激光復(fù)合造型后的拉深試驗(yàn)，最終得到圖9b所示的6個(gè)成形件.

圖9 板料與成形件

4 分析與討論

4.1 厚度檢測(cè)

選取模具造型前后拉深成形件，用線(xiàn)切割法從適當(dāng)?shù)奈恢闷是?，然后用螺旋測(cè)微器沿軋制方向，與軋制方向成45°和與軋制方向成90°測(cè)量筒形件的厚度(見(jiàn)圖10)，然后取平均值作為最后成形件的厚度.

圖10 筒形件厚度測(cè)量示意圖

4.2 造型前后厚度與模擬結(jié)果的對(duì)比

成形件板厚的變化規(guī)律如圖11所示，圖中f為摩擦系數(shù).

圖11 成形件厚度分布

由圖11可知:4條曲線(xiàn)的變化趨勢(shì)基本一致.在拉深成形過(guò)程中筒底區(qū)材料雙向受拉，是典型的脹形變形，材料由中心往邊緣流動(dòng)，因此筒底區(qū)域的板厚相對(duì)原始板料厚度減小，而在凸緣區(qū)承受周向壓應(yīng)力，發(fā)生壓縮變形，故凸緣區(qū)的板料厚度增加.

分析兩條模擬數(shù)據(jù)可知:優(yōu)化后的成形件最大減薄率降低了46.46%，最大增厚率略微增加，板厚變化幅度降低了16.42%.由于試驗(yàn)條件未能達(dá)到模擬時(shí)的理想條件，因此圖中兩條試驗(yàn)曲線(xiàn)與數(shù)值模擬曲線(xiàn)未完全重合，但取得了較好的一致性，進(jìn)一步驗(yàn)證了模擬的可靠性.相對(duì)于未造型前模具，模具凸模圓角激光毛化后，在拉深成形時(shí)，當(dāng)接近筒底處圓角部分的板料與凸模圓角接觸，經(jīng)筒底流出的材料與凸模圓角存在相對(duì)滑動(dòng)，由于凸模毛化點(diǎn)的阻礙作用，此處摩擦系數(shù)增加，抑制板材的流動(dòng)，而毛化點(diǎn)的釘扎效應(yīng)能進(jìn)一步阻礙材料的流動(dòng)，因此，筒底處圓角部分的最大減薄率從復(fù)合造型前的21.20%減小到11.33%;模具凹模圓角經(jīng)激光微織構(gòu)后，拉深成形時(shí)板料經(jīng)過(guò)凹模圓角時(shí)由于潤(rùn)滑性能改善，使板料更容易流入凹模腔，凸緣區(qū)的板料厚度應(yīng)增加;而試驗(yàn)過(guò)程中凸緣區(qū)板料的最大增厚率從15.40%減小到10.67%，可能是由于壓邊力過(guò)大導(dǎo)致.成形件厚度變得更加均勻，板厚變化幅度降低 39.89%.

5 結(jié)論

1)以筒形件為研究對(duì)象，模擬得出凸模圓角區(qū)、凹模壓邊和凹模圓角區(qū)為主影響區(qū)，對(duì)成形件厚度影響較明顯;凸模筒底區(qū)、凸模直壁區(qū)和凹模直壁區(qū)為次影響區(qū)，對(duì)成形件厚度影響不大.

2)以板厚的均勻度為優(yōu)化目標(biāo)，得出模具表面最優(yōu)的摩擦系數(shù)組合為 μA=μC=μF=0.12，μB=0.26，μD=0.09，μE=0.03，此時(shí)板厚的變化幅度最小，僅為 27.99%.

3)與未優(yōu)化的模擬結(jié)果相比，優(yōu)化后的成形件的板厚變化幅度降低了16.42%.試驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果取得了較好的一致性，復(fù)合造型后的成形件板厚變化幅度降低了39.89%.

4)利用激光復(fù)合造型技術(shù)對(duì)筒形件模具表面處理后，成形件的成形質(zhì)量有顯著提高，模擬和試驗(yàn)結(jié)果取得較好的一致性，為以后激光復(fù)合造型技術(shù)在復(fù)雜模具上的應(yīng)用提供了理論和試驗(yàn)依據(jù).

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