金属塑性成形模具表面微观织构的主动设计制造及其摩擦和成形机理研究

模具、成形工件及其界面所构成的摩擦学系统，其摩擦学行为对模具使用性能、工件质量、成形工艺性能具有至关重要的影响。项目提出综合运用激光微造型和激光毛化技术，在模具表面不同关键敏感成形区域，实施优化匹配的增摩毛化形貌和减摩造型形貌的复合造型，及其合理分布。项目围绕该新思路，针对复合形貌的加工工艺、界面摩擦学行为、造型表面对金属流动性能影响以及成形机理等科学技术问题，开展深入研究。建立模具表面可控复合形貌工艺参数库；探索力-热-润滑介质-微形貌多因素相互耦合作用下的摩擦磨损润滑机理,模拟毛化模具作用下的塑性成形过程，并研究复合形貌对工件映射、钉扎强化等表面性能的影响。实现模具表面复合微观形貌及分布的主动设计制造，为研制新型高性能长寿命复合造型模具的提供理论及技术支撑。

模具表面的微观几何结构，对模具使用性能、成形工艺性能以及成形工件表面质量，具有举足轻重的作用。本项目综合运用激光复合织构技术，在金属塑性成形模具表面实施分区异构，即在模具不同的关键敏感区域，进行激光毛化增摩形貌和激光织构减摩形貌的复合造型，实现对模具表面微观织构的主动设计制造。项目主要开展的研究工作如下：针对各种类型的典型模具成形件，即筒形件、盒形件、半球形件、U形件、锥形件、管材弯曲等，对其成形过程及成形性能分别进行了数值计算、模拟仿真。并将板料厚度变化的均匀性、回弹角度等作为优化目标函数，以确定模具表面主敏感区、次敏感区、非敏感区，同时获得模具表面最优的摩擦特性分布，为模具表面微观复合织构的优化设计提供可靠依据；开展毛化表面润滑理论研究，建立火山口状毛化形貌表面的流体动压润滑数学模型，通过数值计算，揭示火山口状毛化形貌的各项几何参数对润滑性能的影响规律；分别采用灯泵浦YAG激光器和长脉宽光纤激光器，进行了大量系统的激光毛化工艺试验研究，以及基于激光与物质相互作用机理的激光毛化加工数值仿真模拟研究，在45钢、Cr12、硬质合金等材料表面，得到了高质量的各种类型和几何参数的熔凝造型毛化形貌，初步建立了激光毛化工艺数据库；自主研制了国内首台激光复合织构设备，该设备集机、光、电、液、气于一体，配备各种多用途激光器，集成度高。其先进性和特点体现为模块化、智能型、多功能、开放式、示教性；系统进行了各种织构表面的基础摩擦学试验研究，揭示了织构形貌参数、工况参数对摩擦特性的影响规律；通过一系列杯突试验，以探索复合织构表面对成形材料流动性、表层材料组织力学性能及成形工艺性能的影响机理机制；在上述研究成果的基础上，研制开发了若干锥形件、筒形件、盒形件和管型件的复合织构模具新品，并进行了成形对比试验研究，试验结果表明，激光复合织构模具可提高成形件的均匀性5-20%，改善残余应力状态，有效抑制回弹。

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