激光强化技术提高模具使用寿命？
关键词:激光强化；模具；磨损/寿命
随着我国汽车和家电行业的快速发展，对模具行业提出了更高的要求。如何提高模具的加工质量和使用寿命，一直是人们不断探索的课题。采用表面强化处理是提高模具质量和使用寿命的重要途径，对提高模具的综合性能，大幅度降低成本，充分发挥传统模具的潜力具有重要意义。常用的模具表面强化工艺有化学热处理* * *如渗碳、碳氮共渗* * * *，表面熔覆处理* * *如堆焊、热喷涂、电火花表面强化、PVD、CVD * * *，表面处理强化处理* * *如喷丸。这些方法大多工艺复杂，处理周期长，处理后变形大。近年来，随着高功率激光器的出现以及激光加工技术在工业上的日益广泛和成熟的应用，为模具表面强化提供了新的技术途径。
1激光表面强化处理方法
激光表面处理的方法有很多，包括:激光相变硬化***LTH***，激光表面熔化处理*** LSM * *，激光表面涂层及合金化***LSC/LSA***，激光表面化学气相沉积* * * LCVD * *，激光物理气相沉积* * *。其中，研究了激光相变硬化、激光表面熔覆和合金化以提高模具的使用寿命。本文主要论述了利用激光相变硬化技术提高模具寿命的机理和方法。
激光相变硬化* * *激光淬火* *是用激光照射金属表面，使表面在很高的升温速率下迅速达到相变温度，形成奥氏体。激光束离开时，利用金属本身的热传导进行“自淬火”，使金属表面发生马氏体转变。与传统淬火方式相比，激光淬火在快速加热和快速冷却的过程中进行，温度梯度高，从而在表面形成一层晶粒细化、位错密度高等具有极高硬度的特殊淬火组织。淬火层的硬度比普通淬火提高15% ~ 20%。硬化层深度可达0.1 ~ 2.5 mm，大大提高了模具的耐磨性，延长了模具的使用寿命。
2.激光强化加工系统的组成
图1为多轴联动激光强化加工系统工作原理示意图。它由三部分组成:第一部分是激光系统，由激光头、激发电源、冷却系统和谐振腔折射率转换装置组成；第二部分是光束传输变换装置，根据加工要求将激光束导向待加工零件表面，同时变换激光束的空间强度分布，从而有效强化模具表面不同受力部位。光束变换后，可以在模具表面生成所需的强化单元，通过多轴联动数控系统可控、快速、有效地强化模具的三维曲面。第三部分是计算机数控系统，控制激光工作头和数控工作台的多轴运动，激光束相对于工件的轨迹决定强化带的形状，从而实现复杂模具表面的激光强化处理。
3激光强化处理工艺
3.1工件表面预处理涂层
在激光器件确定的情况下，金属材料对激光的吸收能力主要取决于其表面状态。一般对需要激光处理的金属材料表面进行机械加工，表面粗糙度很小，其反射率可达80% ~ 90%，使大部分激光能量被反射。为了提高激光在金属表面的吸收率，在激光热处理前要对材料表面进行处理，通常称为黑化处理，即在需要激光处理的金属表面涂上一层对激光吸收能力高的涂层。
表面预处理的方法有磷化、改善表面粗糙度、氧化、喷涂* * *漆、涂层等方法，其中常用的有磷化和喷涂* * *漆。常用的涂料骨料有石墨、炭黑、磷酸锰、磷酸锌、水玻璃等。也有直接用碳素墨水和哑光漆作为预处理涂层的。对于一些低碳钢材料，在其表面进行炭黑粉末处理，可以在激光淬火中起到渗碳的作用。我们用的是上海光机所研发的发黑液***86-1。处理方法简单，可直接喷涂在工件表面，激光吸收率达90%以上。
3.2工艺参数优化
激光相变硬化工艺的参数主要有激光输出功率P、光斑尺寸D、扫描速度V，在其他条件下，激光硬化层深度H与P、D、V有如下关系:H = P/* * D.V * * *。为了得到最佳的工艺参数，基本方法是根据已有的成功数据确定一个工艺参数范围，然后取P、D、V三个因素三个水平，制作正交试验表，对试件进行实验研究。图2示出了在不同扫描速度下，用于汽车尾灯支架拉伸模的铬钼铸铁的激光功率与硬化层深度之间的关系曲线。图3是显示在不同激光功率下扫描速度和硬化层之间的关系的曲线图。图表显示:一般来说，激光功率越高，硬化层越深；扫描速度越高，硬化层越浅。图4示出了在激光功率P=1200W、扫描速度v=15mm/s和光斑直径d = 4.5 mm的条件下，硬化层的硬度和硬化层的深度之间的关系..可以看出，激光处理后材料表面的硬度有了明显的提高。
4硬化层的残余应力和耐磨性
在激光硬化过程中，金属材料表面结构的变化以及材料表面和内部温差的产生和消失，必然会产生残余应力。残余应力的大小和分布对模具的实用效率有很大影响。激光硬化产生的残余应力沿硬化层深度的分布如图5所示。从图5可以看出，激光相变硬化在模具表面产生了较大的残余压应力，可以有效防止疲劳裂纹的产生，提高模具的疲劳寿命。
模具表面的耐磨性与材料的显微组织、晶粒尺寸、硬度和表面状态有关，而这些因素又受工艺参数的影响，因此激光强化参数直接影响模具的耐磨性。图6和7显示了激光功率和扫描速度对35CrMn钢耐磨性的影响。从图中可以看出，在一定范围内，扫描速度不变时，提高功率的耐磨性增加；当功率一定时，扫描速度的提高也有助于提高耐磨性。图8示出了激光处理后的42CrMo材料* * * P = 1200 W，V = 55 mm/s，D = 3.5 mm * * *之间的磨损比较。可以看出，激光强化技术可以大大提高材料的耐磨性。
5结论
通过对几种不同模具材料的激光强化处理，并与实际工作情况进行对比，表明采用激光强化技术可以大大提高模具的使用寿命，且冷冲模的强化效果更加明显。如果对T8A钢的冲头和Cr12Mo钢的模具进行激光硬化，激光硬化层为0.15mm，硬度为1200HV，使用寿命明显提高，从25000件提高到65438+万件，即使用寿命提高3-4倍。激光强化技术的优点如下:
***1***可根据模具的形状特点和使用要求在指定区域进行，对表面质量无任何损害。经过激光处理后，模具可以直接投入生产，无需后续加工，降低了模具的制造成本。
* * * 2 * *通过编制专用激光强化加工软件，实现激光加工参数的计算机自动优化、加工过程的计算机模拟和实时监控以及激光加工后表面结构和效率的计算机预测，实现模具的复杂形状和人工智能表面处理。
* * * 3 * *利用激光熔覆和合金化技术，可以在廉价的金属材料表面获得任意成分和相应显微组织的合金，从而获得良好的综合力学性能，改善和提高材料表面的耐磨性、耐腐蚀性和耐热性。这些技术用于报废模具的修复和强化，具有广阔的市场前景。
参考文献:【1】蒋长生，蒋勇。模具表面强化处理。锻造技术，1993 * * * 4 * * [2]陈大明，。模具钢表面激光熔覆硬质合金层改性的研究。金属热处理，1998 * * 658。1998 * * * 7 * * [4]李如训，平学良。连续激光强化模具刃口技术的研究。电加工，1995 * * * 6 * * [5]关。激光加工工艺手册。北京:中国计量出版社，65438+。