模具材料及表面涂层对精冲模具寿命的影响研究

分类号学号M200970704学校代码10487密级硕士学位论文模具材料及表面涂层对精冲模具寿命的影响研究学位申请人:王海洋学科专业:材料加工工程指导教师:张祥林教授肖祥芷教授答辩日期:2012年01月07日AThesisSubmittedinPartialFulfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofMasterofEngineeringStudyofFineBlankingDieLifeundertheInfluenceofToolSteelandSurfaceCoatingsCandidate:WangHaiyangMajor:MaterialsProcessingEngineeringSupervisor:Prof.ZhangXianglinProf.XiaoXiangzhiHuazhongUniversityofScience&TechnologyWuhan430074,P.R.ChinaJan,2012华中科技大学硕士学位论文独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。本论文属于（请在以上方框内打“√”）学位论文作者签名：指导教师签名：日期：年月日日期：年月日保密□，在年解密后适用本授权书。不保密□。华中科技大学硕士学位论文I摘要精冲是一种高效率、高质量和高附加值的精密塑性成形工艺，可以一次冲裁获得高质量的零件。但随着精冲技术的发展，精冲模具的寿命成为影响精冲行业发展的主要瓶颈。因此，综合探索影响模具寿命的主要因素及影响机制，以解决国内精冲模具寿命较低的问题，具有非常重要的现实意义。本文首先以“棘爪模具”为试验平台，选择SKD11、QHZ和S790三种模具钢制作相同规格的冲孔凸模，进行力学性能和冲裁性能的比较，对比分析模具材料对模具寿命的影响。结果显示：由于试验冲床的精度较低以及凸模不合理的结构，高强度钢S790仅表现出一般的冲裁性能，具有良好韧性的QHZ钢则表现出良好的使用性能，而普通模具钢SKD11的使用效果最低。其次，采用多种试验设备，测量分析涂层厚度对TiN和TiAlN涂层性能的影响，如显微硬度、织构系数和残余应力等。同时，研究涂层对基体表面质量的影响，如表面粗糙度、摩擦系数和残余应力等。结果表明：TiN和TiAlN涂层显微硬度均随涂层厚度增加而增大；1.6~2.5μmTiN涂层残余应力分布在-2347~-1920MPa，基体残余应力分布在-154.9~-69.21MPa，均随厚度增加而减小；1.2~2.2μmTiAlN试样基体残余应力分布在-123.7~469.5MPa，主要呈拉应力状态，且随厚度增加而增大。此外，TiN和TiAlN涂层能够改善试样表面的表面摩擦系数，但对表面粗糙度无显著影响。最后，使用“棘爪”精冲模具进行实践冲裁试验，比较分析TiAlN涂层对凸凹模冲裁性能的影响，测量记录每件模具的冲裁次数和刃口磨损量，以及冲裁件的毛刺高度和冲裁面粗糙度。结果显示：由于试验冲床精度较低，造成TiAlN涂层过早剥落，无法发挥其性能。关键字：精冲模具，表面涂层，模具材料，模具寿命，残余应力华中科技大学硕士学位论文IIAbstractFineBlankingisahigh-efficiency,high-qualityandhighvalue-addedprecisionplasticformingprocess,whichcouldobtainhigh-qualityparts.However,withthedevelopmentofthefineblanking,thedielifebecomesanobstacletothedevelopmentoffineblankingindustry.Therefore,itisverysignificanttocomprehensivelyanalyzethemainfactorsaffectingthedielifeforresolvingtheproblemoflowdielife.Meanwhile,ANSYSWorkbenchwasusedtomakeastructureanalysisofmold,andtheresultsshowedtherewasstressconcentration,whichcauseddiefailure,duetotheirrationalstructure.Firstly,basedonPalletmold,SKD11,QHZandS790wereusedtoproducethepunchswithsamesize.Withthecomparisonofmaterialpropertiesandactualpunching,theimpactsoftoolsteelsonthedielifewerecomprehensivelyanalyzed.Theresultsshowedthatthehardnessandtoughnessoftoolsteelsdeterminedthedielife,whenthecompressivestrengthmettherequirements.Secondly,sometestequipmentswereusedtoanalyzetheimpactsofcoatingthicknessonthepropertiesofTiNandTiAlNcoatings,suchashardness,textureandresidualstress.Meanwhile,theimpactsofcoatingsonsubstratewerecomprehensivelyanalyzed.ThehardnessofbothTiNandTiAlNcoatingsincreasedwiththefilmthickness.TheresidualstressofTiNcoatingswasrangingfrom-2347MPato-1920MPa,andthestressofsubstrateswasrangingfrom-154.9MPato-69.21MPa,whichbothincreasedwiththefilmthickness.AstotheTiAlNcoatings,theresidualstressofthesubstrateswasbetween-123.7MPaand469MPa.Majorityofthestressweretensilestress,whichimpactonthelifeofdies,increasingwiththefilmthickness.Additionally,TiNandTiAlNcoatingsimprovedthesurfacefrictioncoefficientofthesamplesurface,buthadnosignificanteffectonsurfaceroughness.Finally,thePalletmoldwasusedtocarryonpunchingtest,inordertoanalyzetheimpactsofTiAlNcoatingsonthedielife.Inthetest,exceptthelifeandwearvolumeof华中科技大学硕士学位论文IIIthedie,thequalityofstampingpartsweremeasuredandrecorded.However,becauseofthelowguidingprecisionofthetestpress,theTiAlNcoatingpeeledoffearlyanddidnotplayadvancedperformance.Keywords：FineblankingDie,SurfaceCoating,ToolSteel,DieLife,ResidualStress华中科技大学硕士学位论文IV目录摘要.....................................................ⅠAbstract..................................................Ⅱ1绪论1.1精冲模具的失效形式.....................................................................................11.2影响精冲模具寿命的因素..............................................................................41.3提高精冲模具寿命的方法..............................................................................71.4课题来源、意义及研究内容........................................................................101.5本章小结....................................................................................................122精冲模具材料的影响2.1模具精冲模具材料的性能要求.....................................................................132.2模具材料的性能比较...................................................................................142.3模具材料的使用比较...................................................................................232.4模具失效分析.............................................................................................272.5本章小结....................................................................................................293精冲模具的有限元分析3.1有限元在精冲领域的应用............................................................................303.2模具断裂分析.............................................................................................303.3模具磨损分析..........................................................................