热成形模具磨损行为数值分析及模具寿命预测

【摘要】汽车的轻量化已成为汽车发展的一种趋势，强度更高的高强钢板将更广泛地应用于制造汽车车身的结构件以及覆盖件，这将进一步扩大热成形模具的使用。相对于普通的成形模具，高强钢热成形模具的材料费用高昂、结构复杂、加工难度大、精度要求高，所以模具的使用寿命已然成为部件加工成本的决定性因素。一般来说，磨损是影响热成形模具寿命的关键因素。因此对高强钢热成形模具的磨损进行研究具有十分重要的意义。本文主要针对H13高强钢热成形模具的磨损行为、服役过程中模具的磨损量以及模具寿命进行了研究。基于磨损试验的状况建立微观尺度下磨损行为的有限元分析模型，研究热成形模具滑动磨损行为及关键参数对磨损行为的影响规律；通过建立宏观尺度下模具磨损预测的有限元模型，来模拟服役过程模具的磨损历程，并估算模具寿命，研究成形工艺参数对模具磨损及寿命的影响规律。得出以下结论：（1）本文建立了适合于研究模具滑动磨损行为的微观尺寸有限元模型，并将之应用于销盘滑动磨损试验中，通过对比有限元模拟结果和磨损试验结果，发现二者趋势吻合，证明此模型的有效性和可靠性。（2）基于本文建立的磨损行为微观尺寸有限元模型，采用数值模拟方法获得了界面压力、摩擦因子、模具材料硬度和模具表面温度等参数对热成形模具磨损行为的影响规律。通过界面压力对磨损行为的影响的研究表明，随着界面压力的增大，模具的磨损率增大，界面压力为15MPa是磨损率变化的拐点，小于15MPa时，磨损率随压力小幅度增加且始终维持在较低的水平，当界面压力超过15MPa后，磨损率几何级增大。通过摩擦因子对磨损行为的影响的研究表明，随着摩擦因子的增大，模具磨损率增大，而且摩擦因子大于0.5后，磨损率显著增大。模具硬度对磨损行为影响的研究表明，硬度为HRC48时，模具的磨损率最低。模具表面温度对磨损行为影响研究表明，模具温度在室温至300℃之间时，磨损率随温度升高小幅度升高，温度超过300℃后，磨损率随温度升高急剧升高。（3）采用编写用户子程序的方法构建了适合于磨损全过程全自动数值模拟计算的有限元预测模型，并通过销盘磨损试验和数值模拟的结果对比，确定了磨损预测模型的两个关键参数。并在此基础上建立了U形件热成形模具磨损模拟系统，采用数值模拟方法获取了各成形工艺参数对模具服役过程中最大磨损深度以及磨损深度分布的影响规律，并预测了不同工艺参数下模具的寿命。模拟研究表明，随着板料初始温度提高，模具最大磨损深度降低，随着初始温度提高，磨损最严重的区域由靠近水平面圆弧区转移到靠近竖直面的圆弧区；磨损寿命随板料初始温度提高而提高。对压边力工艺参数的研究表明，在模具稳定磨损阶段，随着压边力的增加，模具最大磨损深度增大，同时最大磨损深度与成形次数构成的近似线性关系的曲线的斜率随压边力的增大而增大；降低压边力能有效提高模具使用寿命。
【作者】黄炳林；
【导师】李湘吉；
【作者基本信息】吉林大学，材料加工工程，2014，硕士
【关键词】热成形模具；磨损率；磨损深度；模具寿命；数值模拟；

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