模具制造及模具表面采用激光技術(shù)增強(qiáng)使用壽命

1、模具制造及模具外表采用激光技術(shù)增強(qiáng)使用壽命摘要模具外表的激光強(qiáng)化加工系統(tǒng)和激光強(qiáng)化工藝方法,激光強(qiáng)化模具外表的硬化層深度和耐磨性能與激光強(qiáng)化工藝參數(shù)之間的關(guān)系,采用激光強(qiáng)化技術(shù)能大幅度進(jìn)步模具的使用壽命,激光相變硬化(lth),激光外表熔化處理(ls),激光外表涂覆及合金化(ls/lsa),激光外表化學(xué)氣相沉積(lvd),激光物理氣相沉積(lpvd),激光沖擊(lsh)和激光非晶化,用于進(jìn)步模具壽命的方法有激光相變硬化和激光外表熔覆和合金化,用激光相變硬化技術(shù)進(jìn)步模具壽命。關(guān)鍵詞模具外表;激光相變硬化;強(qiáng)化;耐磨性改革開(kāi)放科學(xué)開(kāi)展以來(lái),我國(guó)機(jī)械工程行業(yè)迅猛開(kāi)展,航天、汽車(chē)制造等精細(xì)儀器領(lǐng)域?qū)δ?/p>

2、具的精細(xì)度、加工質(zhì)量和使用壽命要求不斷進(jìn)步,對(duì)模具工業(yè)提出了更高的要求。進(jìn)步模具的精細(xì)度、加工質(zhì)量和使用壽命,是重要的研究課題。工業(yè)歷史沿用的金屬非金屬外表強(qiáng)化處理是進(jìn)步模具質(zhì)量和使用壽命的重要途徑,對(duì)于改善模具的綜合性能、大幅度降低本錢(qián)、充分發(fā)揮傳統(tǒng)模具潛力,具有重要意義。常用模具外表強(qiáng)化處理工藝有化學(xué)熱處理:滲碳、碳氮共滲等;外表復(fù)層處理:堆焊、熱噴涂、電火花外表強(qiáng)化、pvd和vd等;外表加工強(qiáng)化處理:噴丸等。歷史沿用技法工藝較為復(fù)雜,處理周期較長(zhǎng),存在后期變形較大。近年來(lái),隨著大功率激光器的出現(xiàn)及激光加工技術(shù)在工業(yè)上的應(yīng)用日趨廣泛、成熟,為金屬非金屬模具外表的強(qiáng)化提供了一種新的技術(shù)。1模

3、具外表激光強(qiáng)化處理技術(shù)模具外表激光強(qiáng)化處理的常用方法有以下假設(shè)干幾種:激光相變硬化(lth),激光外表熔化處理(ls),激光外表涂覆及合金化(ls/lsa),激光外表化學(xué)氣相沉積(lvd),激光物理氣相沉積(lpvd),激光沖擊(lsh)和激光非晶化等。已被研究用于進(jìn)步模具壽命的方法有激光相變硬化和激光外表熔覆和合金化,通常研究和利用激光相變硬化技術(shù)進(jìn)步模具壽命的原理和技法。激光相變硬化(激光淬火)是利用激光輻照到金屬外表,使其外表以很高的升溫速度迅速到達(dá)相變溫度而形成奧氏體,當(dāng)激光束分開(kāi)后,利用金屬本身熱傳導(dǎo)而發(fā)生“自淬火,使金屬外表發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變。與傳統(tǒng)淬火方法相比,激光淬火是在急熱、急冷

4、過(guò)程中進(jìn)展的,溫度梯度高,從而在外表形成了一層硬度極高的特殊淬火組織,如晶粒細(xì)化、高位錯(cuò)密度等。其淬火層的硬度比普通淬火的硬度還高15%20%。淬硬層深度可達(dá)0.12.5,因此可大大進(jìn)步模具的耐磨性,延長(zhǎng)模具的使用壽命。2激光相變硬化(激光淬火)強(qiáng)化加工系統(tǒng)的組成激光相變硬化(激光淬火)強(qiáng)化系統(tǒng)為一個(gè)具有多軸聯(lián)動(dòng)的激光強(qiáng)化加工系統(tǒng),它由3局部組成:第一局部為激光器系統(tǒng),由激光頭、鼓勵(lì)電源、冷卻系統(tǒng)和諧振腔參數(shù)變換裝置組成;第二局部為光束傳輸與變換裝置,把激光束按加工要求引導(dǎo)到待處理零件外表,同時(shí)對(duì)激光束進(jìn)展空間強(qiáng)度分布的變換,以滿(mǎn)足對(duì)模具外表不同受力部位進(jìn)展有效的強(qiáng)化處理。光束經(jīng)變換后即可在模

5、具外表產(chǎn)生所需的強(qiáng)化單元,通過(guò)多軸聯(lián)動(dòng)的數(shù)控系統(tǒng)即可對(duì)模具的三維曲面進(jìn)展可控、快速和有效地強(qiáng)化處理;第三局部為計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng),控制激光工作頭和數(shù)控工作臺(tái)等多軸運(yùn)動(dòng),其激光束相對(duì)于工件的運(yùn)動(dòng)軌跡決定了強(qiáng)化的帶形狀,以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜模具外表的激光強(qiáng)化處理。3激光相變硬化(激光淬火)強(qiáng)化處理工藝模具工件加工表避面預(yù)處理涂層:當(dāng)激光器確定后,金屬材料對(duì)激光的吸收才能主要取決于其外表狀態(tài)。一般需激光處理的金屬材料外表都經(jīng)過(guò)機(jī)械加工,外表粗糙度值很小,其反射率可達(dá)80%90%,使大局部激光能量被反射掉。為了進(jìn)步金屬外表對(duì)激光的吸收率,在激光熱處理前要對(duì)材料外表進(jìn)展外表處理(常稱(chēng)黑化處理),即在需要激光處理的金屬

6、外表涂上一層對(duì)激光有較高吸收才能的涂料。外表預(yù)處理的方法包括磷化法、進(jìn)步外表粗糙度法、氧化法、噴(刷)涂料法、鍍膜法等多種方法,其中較為常用的是磷化法和噴(刷)涂料法。常用的涂料骨料有石墨、炭黑、磷酸錳、磷酸鋅、水玻璃等,也有直接使用碳素墨汁和無(wú)光漆作為預(yù)處理涂料的。對(duì)于有些低碳鋼材料,在其外表用炭黑粉末處理,在進(jìn)展激光淬火時(shí)可起滲碳作用。我們采用上海光機(jī)所研制的黑化溶液,工藝處理方法簡(jiǎn)單,可直接噴刷在模具工件外表,激光吸收率達(dá)90%以上。激光相變硬化(激光淬火)強(qiáng)化系統(tǒng)工藝參數(shù)優(yōu)化設(shè)定:激光相變硬化工藝參數(shù)主要有激光器輸出功率p,光斑大小d及掃描速度v,在其它條件一定的條件下,激光硬化層的深

7、度h與p、d、v有如下關(guān)系:h=p/(d.v)。為了得到最優(yōu)工藝參數(shù),根本方法是根據(jù)已有成功的資料,確定一個(gè)工藝參數(shù)范圍,再以p、d、v三個(gè)因子,各取3個(gè)程度,做出正交試驗(yàn)表在試件上進(jìn)展試驗(yàn)研究。通過(guò)激光相變硬化實(shí)驗(yàn)說(shuō)明:在一般情況下,激光功率越高,硬化層越深;掃描速度越大,硬化層越淺。當(dāng)激光功率越大,掃描速度增強(qiáng),光斑直徑變小的工藝參數(shù)條件下,淬火層的硬度及硬化層深之間的關(guān)系逐漸增強(qiáng)。從中可看出,經(jīng)激光處理后材料外表的硬度有較為顯著的進(jìn)步。4模具硬化層剩余應(yīng)力和耐磨性在激光硬化處理過(guò)程中,金屬材料外表組織構(gòu)造的變化及外表相對(duì)于材料內(nèi)部溫差的產(chǎn)生和消失,必將產(chǎn)生剩余應(yīng)力。剩余應(yīng)力的大小和分布狀

8、況對(duì)模具的實(shí)用性能有很大影響,激光硬化產(chǎn)生的剩余應(yīng)力沿淬硬層深的分布情況由激光功率和上述工藝參數(shù)決定深淺和范圍面積大校由此可見(jiàn),激光相變硬化在模具外表產(chǎn)生較大的剩余壓應(yīng)力,能有效地防止疲勞裂紋的產(chǎn)生,進(jìn)步模具的疲勞壽命。模具外表的耐磨性能與模具材料的顯微構(gòu)造、晶粒大孝硬度上下、外表狀態(tài)等多種因素有關(guān),而這些因素又受激光相變硬化工藝參數(shù)的影響,因此激光相變硬化強(qiáng)化系統(tǒng)的工藝參數(shù)直接影響模具的耐磨性能。激光功率及掃描速度對(duì)模具工件耐磨性能的影響效果顯著。由此可見(jiàn),在一定范圍內(nèi),當(dāng)掃描速度一定時(shí),進(jìn)步功率耐磨性有所增加;在功率一定時(shí),掃描速度的進(jìn)步也有助于進(jìn)步耐磨性,可見(jiàn)采用激光強(qiáng)化技術(shù)能大大進(jìn)步材

9、料的耐磨性能。通過(guò)對(duì)幾種不同的模具材料所進(jìn)展的激光強(qiáng)化處理,與實(shí)際工況進(jìn)展檢查,說(shuō)明采用激光強(qiáng)化技術(shù)能大幅度進(jìn)步模具的使用壽命,而冷沖模的強(qiáng)化效果更為明顯。模具使用壽命明顯增加,理論由沖壓2.5萬(wàn)件進(jìn)步到10萬(wàn)件,即壽命進(jìn)步34倍。采用激光強(qiáng)化技術(shù)優(yōu)越性在于:可根據(jù)模具的形狀特點(diǎn)、使用要求在指定區(qū)域內(nèi)進(jìn)展,對(duì)模具外表質(zhì)量無(wú)損害。采用激光強(qiáng)化處理的模具可直接投入工業(yè)使用,降低模具制造本錢(qián);用軟件實(shí)現(xiàn)激光強(qiáng)化處理工藝參數(shù)的自動(dòng)化、處理過(guò)程的仿真和即時(shí)監(jiān)控及處理后外表組織構(gòu)造和性能的檢測(cè),實(shí)現(xiàn)復(fù)雜形狀模具的智能化處理。采用熔覆和合金化在低本錢(qián)金屬模具外表得到其它成分的合金微觀組織,加工得到機(jī)械性能優(yōu)秀的模具,進(jìn)步模具外表耐磨、耐蝕和耐熱性能。參考文獻(xiàn)1