模具制造工艺思考题答案(3D打印不锈钢模具成型零件开裂的模拟分析研究)
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今天给各位分享模具制造工艺思考题答案的知识，其中也会对3D打印不锈钢模具成型零件开裂的模拟分析研究进行分享，希望能对你有所帮助！
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模具制造工艺思考题答案
3D打印不锈钢模具成型零件开裂的模拟分析研究
a第一层打印完成时刻b第八层打印完成时刻。
为了对比打印过程中不同位置的热循环过程差异，对第一层不同点与不同层中心点的热循环曲线进行分析，第一层分析点如图5所示。
图6a所示为第一层中心至边缘不同点A、B、C的热循环温度曲线，各点经历了相同的热循环过程，在打印第二层与第三层时，第一层表面仍会被加热至熔点（1,478℃）以上，随打印层数的增加，热循环温度逐渐降低。
不同点的区别在于扫描第一层时边缘点C处的温度最高，这是由于在激光转向相邻熔道过程中对金属粉末作用时间延长导致的，并且从第七层开始中心点A处的热循环峰值温度开始高于靠近边缘的两点，这与中心位置散热困难有关。
进一步对图6a中热循环曲线的最低温度观察发现，随打印层数增加，打印层冷却的最低温度先逐渐升高，然后趋于稳定，这也证明了打印过程中的热积累导致已成型层的温度逐渐升高。
图6b所示为不同层中心点（A）热循环温度曲线，图6中的数字分别代表层数。
由图可知，随着打印层数的增加，不同层中心点的温度增加，后续热循环所能达到的温度也随之升高，这与打印过程中的热积累效应有关，随着打印层数的增加，基板与已成型层的温度逐渐升高，对于后续层的打印具有一定的预热作用，使激光扫描区域温度升高、热影响范围增大。
金属粉末吸收激光能量熔化形成熔池，随着光斑的迅速移动，熔融金属来不及完全凝固，使得熔池具有前短后长的形态特征，如图7所示。
熔体受热膨胀（εth）时受到周围金属的限制而发生塑性压缩变形（εpl），冷却收缩（εth）时熔池及热影响区受到约束而产生拉应力（σtens），而远离熔池区域则产生压应力（σcomp），如图8所示[14]。
对比图7a与图7b可知，打印过程中的热积累效应导致激光扫描区域温度升高、熔池尺寸增加、热影响范围增大，这将导致冷却收缩产生的应力增加[15]。
3D打印过程中，基板固定在工作台上，相当于基板受到固定约束。
以温度场分析得到的各节点温度分布作为依据进行应力场分析计算，应力场计算过程中材料应力应变行为遵循热弹塑性理论，塑性变形过程中材料遵循米塞斯屈服准则。
图9所示为打印完成不同层时层厚方向（Z方向）正应力分布情况，图9中单位为Pa。
由图9a可知，打印完成第一层时，Z方向正应力整体较小，拉应力最大值出现在边角位置。
对比图9a与图9b可知，随打印层数增加，Z方向正应力最大值增加，并且应力较大区域也由打印层与基板连接处转移至打印零件的棱角处。
这是由于随打印层数的增加，热积累效应逐渐体现，熔池的尺寸以及热影响区体积均有所增加，冷却收缩过程中产生的应力也随之增大。
而棱角处受到整个零件冷却收缩产生的拉应力，所以此处的应力最大。
a第一层打印完成时刻b第八层打印完成时刻。
为进一步了解打印过程中各主应力的演变规律，采用图5中的分析点对应力循环过程进行分析。
图10所示为第一层A、B、C点应力循环曲线。
由图10可知，打印过程中等效米塞斯应力与各主应力均随时间不断波动变化。
这是由于激光扫描过程中，打印层受热对周围金属产生挤压作用，使冷却收缩产生的拉应力迅速减小甚至转变为压应力，冷却收缩时拉应力又逐渐增加。
随打印层数增加，热循环效应减弱，应力波动变化的幅度也减小。
如图10a所示，前六层打印过程中靠近中心位置（A、B）的等效米塞斯应力大于边缘位置（C），而从第七层开始，中心位置的等效米塞斯应力逐渐减小，然后趋于稳定，而边缘位置的等效米塞斯应力逐渐增加，最终边缘位置的等效米塞斯应力大于中心位置。
X方向正应力循环曲线如图10b所示，中心位置（A、B）的应力先增大后减小，这与打印过程中的热循环温度有关，较高温度的热循环会使材料进一步塑性变形，冷却收缩时应力增大，较低温度的热循环能够释放部分应力，使应力减小。
而边缘位置（C）的应力值与变化幅度均较小，这是由于打印过程中边缘受到的约束作用较小，应力也较小。
打印过程中的应力除受熔池与热影响区的凝固收缩影响外，已成型层的冷却收缩也对其具有重要影响。
如图10c所示,中心位置（A、B）的Y方向正应力变化趋势与X方向正应力相似，边缘位置（C）的应力先减小后增大，这是由于打印层数增加，已成型层冷却收缩产生的应力增大。
图10d为Z方向正应力循环曲线，由图10d可知，随打印层数增加，Z方向正应力不断增加，中心位置（A、B）为压应力，边缘位置（C）为拉应力。
这是由于Z方向正应力受已成型层整体收缩的影响，随打印层数的增加，已成型层体积增大，冷却收缩产生的应力也随之增加。
以上分析表明，随打印层数的增加，X方向正应力总体减小，Y方向正应力值与总体变化幅度均较小，Z方向正应力不断增加，且边缘位置的拉应力最大，所以零件打印过程中Z方向正应力对零件的开裂具有重要影响，开裂零件裂纹源平行于基板平面也证实了这一点。
图10第一层沿X方向不同位置应力循环曲线。
对开裂零件的分析表明，除零件前面的宏观裂纹外，零件后面也存在微裂纹，为进一步分析不同位置开裂程度不同的原因，对边缘位置（图5中D、C、E点）的Z方向正应力应力循环进行分析。
如图11所示，不同点的应力变化趋势一致，均为随打印层数增加，应力在波动变化中先逐渐增大后趋于稳定。
但不同点的应力值与波动幅度不同，这是由于不同位置热循环过程不同，D点上方打印层数较少，热循环次数较少，而E点上方打印层数较多，热循环次数较多，所以E点应力波动幅度较大，较大体积的材料收缩也导致应力更大，较大的应力值与波动幅度导致裂纹易从此处产生与扩展。
而C点处于中间位置，冷却收缩程度较弱，故应力值与波动幅度均较小。
如图12a所示，等效米塞斯应力最大值为1,436MPa，接近3D打印420不锈钢材料的抗拉强度（1,596MPa），应力较大的区域为打印零件与基板连接的位置，在棱角处应力最大。
如图12b与12c所示，X方向正应力与Y方向正应力相对较小，在打印零件与基板连接处和台阶位置存在应力较大区域。
Z方向正应力的分布情况如图12d所示，在打印零件与基板连接棱角处应力较大，应力最大值为1,636MPa，大于420不锈钢的抗拉强度，并且应力沿零件高度方向逐渐减小。
冷却过程中，打印零件有向中心收缩的趋势，而基板对打印零件的收缩具有约束作用，使打印零件与基板连接处产生应力，棱角处受到的收缩拉伸程度最大，应力也最大。
尤其是在打印层数较多、收缩体积较大的一侧，出现应力最大值。
零件打印过程中，随打印层数的增加，零件体积增大，冷却收缩在棱角位置产生的应力也随之增大，当应力最大值超过材料的强度极限时，零件出现初始裂纹，应力部分释放，并在裂纹尖端部位产生应力集中，随着打印过程的进行，在裂纹尖端应力逐渐积累，当应力达到一定值时，裂纹在应力的作用下进一步扩展。
5打印工艺参数调整前后的热循环和应力循环对比。
相关研究表明降低激光功率与预热基板可以有效减小打印零件的应力[1516]，因此对打印工艺参数进行调整，将激光功率从300W降低为250W，并采用200℃基板预热进行打印模拟，以对比工艺参数调整前后热循环和应力循环的变化。
图13所示为调整工艺参数前后第一层中心点（A）的热循环曲线。
第一层打印过程中调整参数前的温度最大值略高于调整参数后，而后续层打印过程中调整参数后的热循环峰值温度更高，并且调整工艺参数的打印层冷却最低温度更高，打印过程中的热循环温度波动更小。
这是由于激光功率降低使打印过程中的温度最大值下降，而基板预热使打印零件整体的温度升高，导致冷却速度降低，并且使打印层冷却至一定温度后不再继续冷却。
图14对比了打印完成时刻打印零件沿Z方向中心的温度分布。
如图14所示，调整参数前沿Z方向的最低、最高温度分别为203.4℃、1,481.4℃，最大温度差为1,278℃，而调整参数后的最低、最高温度分别为339.9℃、1,386.4℃，最大温差为1,046.5℃，较调整前降低了200℃以上。
这表明调整工艺参数后，温度分布更加均匀，每一层打印完成后的冷却最低温度升高、整体的冷却时间延长，有利于减小温度梯度、释放打印过程中产生的应力。
图14打印完成时刻打印零件中心沿Z方向温度分布。
图15所示为调整工艺参数前后第一层边缘点（图5中E点）Z方向正应力循环曲线对比。
如图15所示，调整工艺参数前后Z方向正应力随时间变化的趋势一致，均为随着打印层数的增加，应力在循环波动中先逐渐增加然后趋于稳定。
但调整工艺参数后完成每一层打印时应力增加的量减少，应力波动幅度减小。
图15调整工艺参数前后的应力循环曲线对比。
图16所示为调整工艺参数后冷却至室温时的等效米塞斯应力与各正应力分布云图。
如图16a所示，调整工艺参数后等效米塞斯应力最大值由1,436MPa下降至1,115MPa，应力较大区域与调整工艺参数前一致，均为打印零件与基板连接的棱角处。
如图16b所示，调整工艺参数后Z方向正应力最大值由1,636MPa下降至1,388MPa，与图12d对比可知，调整工艺参数后打印零件棱角处应力较大区域的面积也有所减小。
图16调整工艺参数后冷却至室温时的应力云图。
以上分析表明，降低激光功率与基板预热有效减小了打印过程中的最大应力值和波动幅度，此外冷却至室温时的应力最大值也明显减小，等效米塞斯应力与各正应力值均减小至材料的拉伸强度以下。
采用调整后的工艺参数重新打印模具零件，以验证调整工艺参数是否能有效抑制零件打印开裂。
调整工艺参数后打印的模具零件如图17所示，零件表面无裂纹，表明降低激光功率与提高基板预热温度有效抑制了打印零件的打印开裂。
针对420不锈钢模具零件打印开裂问题，进行了打印过程的温度场和应力场模拟分析和工艺参数调整。
（1）3D打印过程中，每一层均经历多次热循环过程，随着打印层数的增加引起热量积累，打印零件与基板的温度均升高，熔池尺寸与热影响区增大，导致冷却收缩时产生应力增加。
（2）由于热循环过程的影响，应力随打印过程周期性波动变化，已成型层的冷却收缩使打印零件与基板连接处产生较大的拉应力，棱角处受到的收缩拉伸程度最大，应力也最大。
打印层数较多的位置，应力波动更为剧烈，棱角处的应力值也更大。
（3）零件打印过程中，随着打印层数增加，冷却收缩在棱角位置产生的应力增大，当应力最大值超过材料的强度极限时，零件出现初始裂纹，随着打印过程的进行，在裂纹尖端应力逐渐积累，当应力达到一定值时，裂纹在应力的作用下进一步扩展。
五金冲压模具设计之A型冲头
其实说得通俗一点,就是A冲由两部分组成,而B冲只有一个直径,当然也有的地方不是这么叫的.在设计A冲时,我们通常会要脱料板上做一定深度的让位,如下图:。
这是因为在模具的开模状态下,我们要保证A型冲头能在脱料板中有一定的导正量,只有这样,模具的精度和寿命才能有保障,A型冲头在脱料板中的导正量计算方法如下图:。
那么以上的内容就是关于模具制造工艺思考题答案的介绍了，3D打印不锈钢模具成型零件开裂的模拟分析研究是小编整理汇总而成，希望能给大家带来帮助。
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