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激光淬火技術在汽車模具中的應用

激光淬火技術在汽車模具中的應用

作者:
天弘激光
來源:
天弘激光
發布時間:
2021/05/31
【摘要】:
激光淬火淬硬層均勻,硬度高,工件變形小,加熱層深度和加熱軌跡容易控制,易于實現自動化,不需要像感應淬火那樣根據不同的零件尺寸設計相應的感應器,尤其重要的是激光淬火前后,工件的變形幾乎可以忽略,因此特別適合高精度要求的零件表面處理。經過近幾年的技術研究,目前,我公司已掌握激光淬火關鍵技術,并應用于汽車覆蓋件模具的表面處理。
激光淬火淬硬層均勻,硬度高,工件變形小,加熱層深度和加熱軌跡容易控制,易于實現自動化,不需要像感應淬火那樣根據不同的零件尺寸設計相應的感應器,尤其重要的是激光淬火前后,工件的變形幾乎可以忽略,因此特別適合高精度要求的零件表面處理。經過近幾年的技術研究,目前,我公司已掌握激光淬火關鍵技術,并應用于汽車覆蓋件模具的表面處理。
一、激光淬火的工作原理
激光淬火主要原理是金屬材料中自由電子吸收激光光子能量,溫度升高到共析點以上、熔點以下,發生固態相變反應,通過基體傳熱實現自冷淬火,在零部件表面有限深度內發生的固態相變的過程。
 
圖1為我公司激光3D雙工位淬火設備,主要由大功率激光器、六軸機器手、激光傳輸和聚焦系統、光學加工頭以及控制系統等組成。光源采用行業先進激光器,經光束耦合器耦合后采用柔性光纖傳輸,光束波長在970~1070nm之間,光束質量約為4.3mm·mrad,設備輸出功率在2000~6000W,輸出光斑直徑為0.2~4mm,光束寬度約為20mm。光學系統由準直、聚焦、光束整形等元件及監控系統組成;機床由六軸機器人和輔助機構(線性導軌)構成,軌道行程為4m,機械手運動直徑約8m??刹捎秒x線編程系統、示教編程和專家編程等方法完成復雜形狀零件的三維軌跡規劃、編程以及運動程序的生成。
激光淬火設備
圖1  激光淬火設備
二、激光淬火應用于模具淬火
(1)拉延模具淬火
根據拉延模具成形的特點,與板料接觸的凸R位置和板料流動較大的面需要有高的耐磨性,即高硬度。如圖2所示,拉延模型面上的凸R一般都需要進行淬火處理。
拉延模淬火區域
圖2  拉延模淬火區域
由于淬火區域大,常規的火焰淬火或感應淬火都會使工件產生較大的熱變形,導致模具精度無法保證,進而需要增加其他的工藝手段來保證,這樣勢必造成模具的加工周期長,且易出現硬度不穩定的情況。因此,我們改為采用激光淬火方式,這樣工件變形極小,甚至無變形,不需增加其他工藝手段即可達到質量要求。如圖3和表1所示,我們采用激光淬火方式對某車型的門內板進行淬火處理,通過藍光掃描檢測淬火前后的型面變化情況,得知激光淬火后的模具型面能滿足精度要求。
拉延模藍光掃描檢測結果
圖3  拉延模藍光掃描檢測結果
表1  激光淬火前后精度對比
激光淬火前后精度對比
(2)鑲件表面淬火
汽車模具上的鑲件表面淬火,主要指切邊模的切邊鑲件刃口淬火和整形模的整形鑲件整形部位淬火,如圖4所示。
鑲件表面淬火示意
圖4  鑲件表面淬火示意
對于切邊鑲件或整形鑲件,常規火焰淬火后鑲件變形大,需進行淬火后的去變形二次加工,工件制作周期長,且淬火硬度難控制。特別是整形鑲件,由于需要對整形面進行淬火,淬火面積大,極易產生回火的情況,從而導致型面硬度不合格。
經過研究和實踐,我們發現激光淬火可以有效地控制鑲件變形和硬度不合格的問題。圖5所示是切邊鑲件和整形鑲件的激光淬火硬度情況和變形情況,從圖中可看出,鑲件采用激光淬火后硬度穩定、變形很小,實現了精加工后淬火的制造工藝,有效提升了加工效率,節約了加工成本。
激光淬火檢測
圖5  激光淬火檢測
(3)應用激光淬火優化模具加工工藝
與傳統的火焰淬火相比,采用激光淬火可以優化模具加工工藝,從而有效減少制造周期,降低制造成本,下面是火焰淬火和激光淬火的工藝流程比較。
火焰淬火模具加工工藝流程:型面粗加工、半精加工→火焰淬火→加工去變形→鉗工組裝→型面精加工→調試研配出件。
激光淬火模具加工工藝流程:型面粗加工、半精加工→鉗工組裝→型面精加工→激光淬火→調試研配出件。
采用激光淬火的模具,淬火前型面精加工到位,這樣既避免了去變形加工工序,又提升了精加工的效率。以某機床為例,表2是采用火焰淬火方式和激光淬火方式模具精加工的參數情況,采用激光淬火方式的模具加工效率比采用火焰淬火方式提升了30%以上。
表2  模具精加工參數
模具精加工參數
(4)激光淬火對模具表面
質量的影響  相對于傳統淬火方式,采用激光淬火方式的模具型面變形很小、硬度均勻,因此工藝上采取型面精加工到位后再進行淬火。圖6所示是采用火焰淬火和激光淬火方式的模具型面斷面。
從圖6中可以看出,采用火焰淬火的工件變形大,加工余量不均勻,變形大的區域出現淬火硬度不足甚至不可控的情況。
圖6  淬火斷面
圖6  淬火斷面
而采用激光淬火的工件幾乎沒有變形,硬度均勻且可控,因此工藝上采取精加工到位后再進行淬火。
由于火焰淬火采用先淬火再精加工的方式,型面存在硬度不一致的區域,刀具在切削過程中存在受力不均、易磨損的情況,從而導致型面加工質量較差,如圖7所示。
火焰淬火加工質量示意
圖7  火焰淬火加工質量示意
從圖7中可以看出,采用火焰淬火的模具精加工后型面出現臺階差,導致型面質量不合格。而采用精加工到位再激光淬火方式的模具,由于型面在精加工時沒有硬度,加工時不會出現圖7的情況;精加工到位后進行激光淬火,由于淬火后變形很小,能獲得良好的模具表面質量,滿足客戶對模具表面質量的要求,如圖8所示。
激光淬火加工質量示意
全球工業即將邁入“工業4.0”的大時代,汽車行業面臨著終端客戶對產品信息化、智能化、個性化以及綠色環保等諸多需求,主機廠對車身模具的開發周期要求越來越短、質量要求越來越高。激光淬火技術在確保穩定的淬火硬度和質量的情況下,有效地縮短了模具制造周期,節約了制造成本,同時還解決了傳統熱處理工藝無法解決的許多難題。因此,激光淬火技術必將在汽車模具中得到越來越廣泛的應用。

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