第一章绪论
1.1研究背景
模具是机械制造业中重要的工艺装备。模具成形因其生产效率高、材料利用率高、产品质量好、材料消耗少、生产成本低等特点而广泛应用于汽车、航天、航空、轻工等行业。据统计，2005年中国模具工业产值达到610亿元，年增长率达25%，行业的生产能力约占世界总量的10%，仅次于日本、美国而位列世界第三位川。目前，世界各国都非常重视模具行业的发展，采用了最现代化的设计方法121，以提高模具的质量。在我国，模具行业虽已成为新的支柱产业，但其精度不高、结构不合理、寿命短等问题一直是影响模具发展的重要因素，模具寿命的提高是一个十分迫切的任务。在金属塑性成形工艺中，拉深工艺是最常用的板料冲压加工方法之一，它是利用模具使平板毛坯变成开口的空心零件的冲压加工方法。在各种板料冲压加工方法中，拉深所占的地位十分重要，成形难度也较大。用拉深工艺可以制成筒形、阶梯形、球形、锥形、抛物面形、盒形和其它不规则形状的薄壁零件。如果与其它冲压工艺配合，还可制造出形状更为复杂的零件。因此在汽车、飞机、拖拉机、电器、仪器、电子等行业生产中，拉深工艺均占有相当重要的地位。
在理论研究和工程实际应用方面，拉深模具都具有很好的典型性和普适性。它具有以下特性:具有复杂型面;拉深工艺中的载荷较复杂，属连续变载荷，工况恶劣;拉深过程中的摩擦机理比较复杂，模具和产品失效形式和发生几率较多等。在用模具进行金属塑性成形时，由于模具与工件在高压下发生弹塑性接触摩擦，还常处于高温、交变载荷等恶劣的工况下，模具会发生模具刃口、导向柱或定位柱和凸、凹模的磨损，其中主要失效形式是凸、凹模的磨损。而如何有效的提高模具的耐磨抗磨、润滑减摩性能，延长模具的使用寿命，也是当前模具研究的重中之重。
1.2模具表面处理技术研究发展现状
随着航空航天、汽车工业和3C产业的飞速发展，对复杂形状零件和难变形材料成形的需求越来越大，零件的形状趋于复杂，许多新型材料也开始被采用，对拉深件的精度和表面质量的要求也进一步提高，所有这些都对拉深工艺和模具的设计提出了更高的要求。模具性能和摩擦磨损是影响材料成形成败的关键因素之一，因此迫切需要根据模具的使用性能要求，主动设计表面结构和形貌(包括宏观结构、亚结构和微结构)，研究能够提高复杂模具耐磨减摩性能和板料成形性能的表面改形改性新方法。影响模具使用性能的因素包括模具设计、制造工艺、使用维护状况和表面处理方式。随着弹塑性理论、材料学和断裂力学的发展，对模具的变形、开裂行为和疲劳裂纹已进行了深入的研究，提出了可用于指导模具设计的理论和强度准则。而作为主要失效形式的模具磨损并非材料的固有属性，其与工况条件、材料、表面形貌、接触方式、润滑介质和方式等多种因素有关，是一个能量消耗和材料损伤的动力学过程，难于控制。因此，减少磨损、提高模具寿命是塑性加工领域急需解决的问题。
在模具设计阶段，通过选择材料或对模具表面进行表面处理，可以控制模具表面的磨损，从而提高模具表面的耐磨性能。其中，表面处理是提高既有模具的使用性能和寿命的有效改性方法。表面处理通过改变工件的表层成分、组织或在表面沉积镀层，可显著提高模具的硬度、耐磨性、疲劳强度、耐热性、耐蚀性和抗咬合性等性能。传统的提高模具使用寿命的表面改性方法有表面渗碳、渗氮、渗铬、氮化、涂覆硬质合金、电镀、化学镀、物理气相沉积(PvD)和化学气相沉积(cvD)等。彭文屹[5]等对冷挤压模表面进行TIN涂层处理，对涂层进行x射线衍射分析，并对试样进行显微硬度、摩擦系数和冲击磨损试验研究，结果表明:TIN涂层提高了冷挤压模的表面硬度和抗低能量冲击磨损的能力，耐磨性大大提高，寿命提高1.5倍以上。栗洪照[6]为了探讨提高criZMov钢开关壳拉深模寿命的方法，对三种不同的热处理工艺进行了实验研究，最后得出了提高该拉深模使用寿命的最佳热处理工艺(渗硼+淬火回火复合工艺)。蔡千华[7]报导了针对通过应用各种材料、采用类金刚石碳涂覆和火花放电表面处理，以及进一步同时采用深冷处理等表面改性技术提高冲裁模寿命效果的研究结果。耿健I8]等人在离子束技术和PvD的基础上，提出了一种提高模具使用寿命的新方法一离子束增强沉积(IBED)，又称离子束辅助沉积(IBAD)。江苏理工大学针对20世纪60年代后期发展起来的电刷镀工艺进行了反复研究，研究出了一种“镍一钻一二氧化错复合电刷镀”新工艺和新镀液，并将其应用于农机条播机旋耕刀辊锻模的生产，使模具寿命提高了2.5倍以上。谢飞等在传统的渗硼及以渗硼为基的多种复合渗的基础上，提出了一种主要由硼铁、尿素、氟硼酸钾、木炭、碳化硅等组成的硼氮碳复合渗工艺，显著提高了模具的使用寿命。清华大学的高志栋[ll]等人提出了一种新的cvD金刚石涂层。李国忠概述了离子氮化的工作原理、技术特点、氮化层性能及其在汽车覆盖件模具中的应用。谢嘉生、王晓伟、余际星等对已有的热喷涂、等离子化学热处理、气相沉积、TD处理、离子注入等提高模具使用寿命的表面强化技术作了综述。张建宇概述了复合表面热处理、复合镀、复合离子处理等提高模具寿命的表面复合处理技术。
第二章模具表面激光毛化微观形貌形成机理分析
本章从材料对激光的反射、吸收和激光材料的热效应两个方面阐述了激光与材料相互作用的物理基础，并对模具表面激光毛化微观形貌形成的影响因素及机理进行了初步的分析和探讨。
2.1能量守恒方程
激光入射到材料表面时，一部分被材料表面反射，一部分被材料吸收，另一部分则穿过材料透射。研究激光与材料相互作用过程中的能量变化，其目的是为了说明激光与材料作用时，激光将能量传递给各种材料的机理。显然，在激光与材料的能量转化过程中仍要遵循能量守恒定律。
激光在氧化气氛下加热金属将使其表面发生氧化，使激光作用区及附近区域出现与氧化层特性有关的金属氧化色，从而使金属表面的粗糙度降低。当激光能量密度足够高时，可在激光作用区的金属表面上形成“蒸汽羽”或等离子体，这说明金属表面的原子气化或升华。停止激光照射后，可在金属表面看到金属升华的痕迹。在能量不太高的短脉冲激光作用下，金属表面会产生斑点，斑点的特性与金属的种类有关。当激光能量密度很高时，由于金属气化量很大，将可看到激光作用区出现类似“火山口”的形态，“火山口”周围一圈有较高的凸起。
第三章 激光毛化工艺试验研究 .....................39-71
3.1 激光加工系统的组成、功用..................... 39-41
3.2 激光加工设备及试样的准备..................... 41-42
3.3 激光毛化加工工艺参数选择 .....................42-47
3.4 脉冲宽度对激光毛化微观形貌.....................47-52
3.4.1 试验初始条件..................... 47
3.4.2 试验结果及分析..................... 47-52
3.5 电压对激光毛化微观形貌的影响 .....................52-58
3.6 离焦量对激光毛化微观形貌的影响..................... 58-63
3.7 辅助气体压力对激光毛化微观形貌..................... 63-68
3.7.1 试验初始条件 .....................63
3.7.2 试验结果及分析..................... 63-68
3.8 小结 .....................68-71
第四章 激光毛化微观形貌的金相组织..................... 71-77
4.1 激光毛化微观形貌的金相组织分析..................... 71-74
4.2 激光毛化微观形貌的显微硬度测定 .....................74-75
4.3 激光毛化的强化机理探讨..................... 75
4.4 小结 .....................75-77
第五章 结论与展望 .....................77-79
5.1 本文的创新点与基本结论..................... 77
5.2 本文工作的不足与展望..................... 77-79
结论
1.受激光毛化技术在轧辊上成功应用的启发，本文首次提出针对模具使用性能的模具表面激光毛化改形改性毛化处理新技术，这一提法并非是对轧辊表面激光毛化技术的照搬，而是对激光毛化轧辊概念的借鉴和扩展。在金属冲压成形过程中，毛化模具的耐磨机制、对板料的成形性能的影响以及成形理论的研究均是新课题。
2.根据激光毛化加工的特点，初步分析了激光对材料的加热、熔化和部分汽化的机制，并对模具表面激光毛化微观形貌形成的机理作了初步探讨。
3.用单因素轮换试验方法，采用LD802多功能激光加工系统，对淬火45钢试样表面进行激光毛化工艺试验研究，试验结果证明:适当控制脉冲宽度、电压、离焦量、辅助气体(氮气)压力等参数，可以在金属表面加工出凸肩为一定高度(31.6m-37.6m)、凹坑为一定深度(11.4m-20.5m)的球冠状激光毛化微观形貌，且凹坑直径沿X向和Y向上的尺寸相差不大，基本可以认为是球形或椭球形。
4.通过对淬火45钢试样表面获得的激光毛化微观形貌的几何尺寸的测量和分析，获得了脉冲宽度、电压、离焦量、辅助气体压力等影响因素对激光毛化微观形貌几何尺寸的影响规律，这对进一步开展模具表面激光毛化工艺研究具有指导和借鉴意义。
参考文献
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5彭文屹，张德元，陆德平，邓鸣，许兰萍，付青峰.TIN涂层的性能及其对冷挤压模寿命的影响.材料保护，1999，32(8):22-23
6栗洪照，王士学.提高Cr12MoV钢拉深模寿命的工艺探讨.热加工工艺，2004，(l):56~58
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9曹焕元.提高模具寿命的新工艺新材料一镍、钻、二氧化错复合电刷镀.企业技术开发，1996，(l):21
10谢飞，黄志荣，陈士恬.硼氮碳复合渗提高精密模具寿命的研究.模具技术，1996，(4):14~18