CN102417952A - 汽车led前照灯模具的激光热力效应强化方法与装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及材料处理加工以及激光加工应用技术领域，特指一种应用激光热效应和力效应的模具强化方法，设计出一种新的既利用激光热效应又应用激光力效应的模具强化方法与装置，尤其适用于汽车LED前照灯模具的强化。本发明创新在于应用激光热、力效应对模具进行强化处理，先利用激光热效应对模具表面进行淬火，再利用激光力效应对模具表面进行冲击强化，从而使得模具达到激光强化延寿作用。
Description
技术领域
本发明涉及材料处理加工以及激光加工应用技术领域，特指一种应用激光热效应和力效应的模具强化方法，尤其适用于汽车LED前照灯模具的强化。
背景技术
模具在现代工业中具有极其重要的作用，它的性质直接决定了产品的质量，随着自动生产线的应用以及加工速度的增加，对模具的质量、精度和使用寿命都提出了更高的要求。
LED (Light Emitting Diode)以其体积小、寿命长、能耗低、耐振动、启动时间快以及环保等优势，已经成为新一代的汽车光源技术的首选。但LED要在汽车前照灯中取代传统光源，并非是一件容易的事情，LED前照灯必须具备大功率、高效率与工作温度在- 40 ℃～125 ℃的高可靠性，此外其光学、电学参数必须稳定且具一致性，光强度衰减也不能超过20%。在实现这些功能要求中，其中较难克服的一个部分是LED前照灯模具强化延寿的问题。如何解决模具强化延寿技术，让LED车灯能正常工作，成为设计面临的关键挑战。
在汽车LED前照灯灯罩的生产过程中，模具品质的好坏直接影响到前照灯罩的外观、质量和生产效率，因此要求模具型腔表面光滑、美观。塑料注塑模具的工作条件是十分苛刻的，它工作的温度较高，一般在200 ℃～300 ℃之间，模具承受交变的热应力作用，容易产生疲劳裂纹，塑料在模具型腔中塑性变时，沿型腔表面既有流动又有滑动，使型腔表面与塑料之间产生剧烈的摩擦，易在模具表面产生磨损和侵蚀，因此要求塑料模具具有良好的耐热性，耐磨性和耐腐蚀性，以及高的硬度和长的疲劳寿命。
目前，常用的模具表面强化处理工艺有化学热处理(如渗碳、碳氮共渗等)、表面复层处理(如堆焊、热喷涂、电火花表面强化、PVD和CVD等)、表面加工强化处理(如喷丸等)。这些方法大多工艺较为复杂，处理周期较长，处理后存在较大变形。近年来，随着大功率激光器的出现及激光加工技术在工业上的应用日趋广泛，激光淬火以工件变形小，易于实现自动化等优点在模具工业中得到应用。但像模具这样需要大范围淬火的，由于要多道搭接扫描，相邻硬化带搭接处存在回火软化带，回火效应造成硬度下降或硬度不足，导致模具表面硬度分布不均匀，极易萌生疲劳裂纹，淬火质量难以保证。再加上模具原有的缺陷如疲劳裂纹、气孔、组织疏松等对激光淬火处理有一定程度的影响，这些缺陷的存在很容易导致经激光相变硬化处理后材料表面裂纹的扩张，严重影响了模具的硬度和寿命，抑制了产品的产品质量和使用寿命。
发明内容
本发明的目的在于提供一种应用激光热效应和力效应的模具强化方法与装置，克服并弥补原有一些技术的不足。本发明结合激光热力效应对LED汽车前照灯模具进行强化处理，设计的模具强化装置能实现激光热效应及力效应强化，其强化方法是先利用激光热效应对模具表面进行淬火强化，再利用激光力效应对模具表面进行冲击强化，热力效应的综合作用将有效填补原先单一方法的缺陷，解决长期困扰汽车前照灯模具的强化延寿问题。
实施该方法的装置包括计算机，数字控制器，激光控制器，高功率脉冲激光器，导光系统，光斑大小调节装置，冲击头转换装置，冲击头A（用于力效应强化）和冲击头B（用于热效应强化），预处理层（利用热效应时为SiO2吸光涂料，利用力效应时为约束层和吸收层），工件夹具系统和控制系统。导光系统包括导光管、45°全反镜、冲击头A和冲击头B以及光斑大小调节装置。光斑大小调节装置位于45°全反镜与冲击头转换装置之间，与数字控制器相连，45°全反镜在光斑大小调节装置上面，冲击头转换装置在光斑大小调节装置下面，冲击头A和冲击头B分别位于冲击头转换装置的左面和下面，并和冲击头转换装置构成一个整体，冲击头转换装置用于转换冲击头A和冲击头B的工作位置。工作透镜A和工作透镜B分别位于冲击头A内和冲击头B内，导光管把高功率脉冲激光器、45°全反镜、光斑大小调节装置和冲击头转换装置串联起来，其一端连接着高功率激光器，一端连接着冲击头转换装置，冲击头B位于工件夹具系统上面。工件夹具系统包括五轴联动工作台、模具、夹头A和夹头B，模具通过夹头A和夹头B固定在五轴联动工作台。控制系统包括计算机、数字控制器和激光控制器，计算机通过数字控制器分别控制激光控制器、光斑大小调节装置和五轴联动工作台，激光控制器控制激光器。
本发明的具体实施过程如下：
A、将汽车LED前照灯模具放在五轴联动工作台上，将其定位好后用夹具装置夹紧。
B、用酒精去油去污溶剂去除模具表面油污和锈以便于均匀喷涂吸光材料。
C、用喷枪或刷子将SiO2吸光涂料均匀的涂在模具表面上，以提高金属表面对激光的吸收率。
D、通过调节五轴联动工作台使冲击头B距模具上表面30mm～60mm。调节高功率脉冲激光器参数（参数包括激光功率、扫描速度）和光斑大小调节装置参数（光斑直径），使参数满足激光热效应的试验要求，高功率脉冲激光器产生激光脉冲，经导光系统、预处理层（SiO2吸光涂料），照射到模具表面。通过调节五轴联动工作台，使模具和冲击头B处于不同的相对位置，直到激光扫描完模具所有的表面。
E、清洗模具表面,干燥后涂上黑漆。
F、逆时针转动冲击头转换装置上的手动手柄90°使冲击头A处于工件夹具系统的正上面，然后调节高功率脉冲激光器参数（参数包括激光能量、脉冲宽度）和光斑大小调节装置参数（光斑直径），使参数满足激光力效应的试验要求。高功率激光器产生激光脉冲，经导光系统、预处理层（约束层和吸收层），照射到模具表面。通过调节五轴联动工作台，使模具和冲击头处于不同的位置，直到处理完整个模具表面。
G、清洗模具冲击区的黑漆。
本发明技术的创新就在于既利用了激光的热效应又利用了激光的力效应作用，通过对材料表面的处理，充分强化了模具材料。先用激光快速扫描模具表面，由于激光加热速度极快，致使奥氏体过程处在一个较高较宽的温度区域中，形成非常细小且不均匀的奥氏体，在自身快速冷却过程中，转变成极细的马氏体，使模具表面具有很高的硬度，再对其进行激光冲击使在金属材料表面形成塑性变形层，产生孪晶等晶体并形成极细小的位错亚结构，使材料表层形成很大的残余压应力，大幅度提高模具的耐磨性，耐热性和耐腐蚀性。经该方法处理后，模具型腔表面光滑、美观，硬化层硬度分布均匀，无裂纹缺陷，可以达到现代工业模具的高要求。
本发明，激光热效应解决了原模具表面基体组织晶粒粗大、晶格位错密度小和硬度低的问题，激光力效应解决了原模具表面基体耐热性，耐磨性和耐腐蚀性不好的问题，这种发明方法与装置有效解决了原有模具强化处理方法无法提高模具表面强化及延寿的问题。
本发明的优点如下：
1、利用激光的热效应使模具表面发生马氏体转变，形成高硬度的马氏体淬硬层，从而提高了模具表面的强度和硬度。
2、利用激光的力效应使模具表面形成塑性变形层和很大的残余压应力，从而提高了模具表面的耐磨性，耐热性以及耐腐蚀性。
3、模具产品质量显著改善。产品表面的粗糙度低，表面光洁度高，尺寸精度高。
4、使用范围广。对没经表面处理和已经表面处理过的模具都适用。
5、该方法工艺简单快捷，效率高，模具变行小，硬度层易控制，易实现自动化。
6、该方法无氧化，无污染，环保性优异。
附图说明
图1 激光热力效应处理LED汽车前照灯模具原理装置图（以凹模为例）。
图2 激光热效应处理LED汽车前照模具示意图（以凹模为例）。
图3 激光力效应处理LED汽车前照模具示意图（以凹模为例）。
图4 夹具俯视示意图。
图中，1.计算机2.数字控制器3.激光控制器4.高功率脉冲激光器5.导光管6. 45°全反镜7.光斑大小调节装置8.激光束9.冲击头A（用于力效应强化）10.工作透镜A11.冲击头B（用于热效应强化）12.工作透镜B13.夹头A 14.模具15.五轴联动工作台16.夹头B17.预处理层（利用热效应时为SiO2吸光涂料，利用力效应时为约束层和吸收层）18.手动手柄 19. 冲击头转换装置20.保护气体21.SiO2吸光涂料22.吸收层23. 约束层24.等离子体25.冲击波。
具体实施方式
下面结合图1对本发明提出的方法和装置做进一步的描述说明。
如图1所示，汽车LED前照灯模具的一种激光热力效应强化装置包括计算机1，数字控制器2，激光控制器3，高功率激光器4，导光管5，45°全反镜6，光斑大小调节装置7，冲击头A9，工作透镜A10，冲击头B11，工作透镜B12，夹头A13，模具14， 五轴联动工作台15，夹头B16，预处理层（利用热效应时为SiO2吸光涂料，利用力效应时为约束层和吸收层）17，冲击头转换装置19。
预处理层17覆盖在模具14表面并和模具14一起通过夹具安装在五轴联动工作台15上。计算机1通过控制数字控制器2控制高功率激光器4，高功率激光器4发出经过优化的激光束8，激光束8的光斑可以是多种模式，其模式由激光控制器3调节和控制。由高功率激光器4发出的激光束8经过导光管5、45°全反镜6、光斑大小调节装置7、冲击头B11中的工作透镜B10和SiO2吸光涂料21照射到模具14表面。数字控制器2通过控制激光控制器3调节激光的功率密度和扫描速度，数字控制器2通过控制光斑大小调节装置7改变光斑直径，使参数满足激光热效应的试验要求，激光快速扫描涂有吸光涂层的模具14表面，使其产生马氏体相变。数字控制器2再通过控制五轴联动工作台15使模具14按照一定的轨迹移动，直到扫描完整个模具14表面。然后清洗模具14表面,干燥后涂上黑漆, 逆时针转动冲击头转换装置上的手动手柄90°使冲击头A9处于模具14的正上面，再调节激光控制器3和数字控制器2使加工参数满足激光力效应的试验要求，激光经过导光管5、45°全反镜6、光斑大小调节装置7、冲击头A9中的工作透镜10、约束层23和吸收层22照射到模具14表面，激光诱导的冲击波与材料相互作用，在模具14材料表面形成塑性变形层，使模具14表层形成很大的残余压应力，对模具14表面进行强化，然后调节数字控制器2移动五轴联动工作台15和冲击头A9的相对位置直到完成模具14表面的强化，最后清洗模具14冲击区的黑漆。
实施例一：45钢材的汽车LED前照灯模具。将模具放在五轴联动工作台上，将其定位好后用夹具装置夹紧，再用汽油或者酒精去油去污溶剂去除模具表面油污和锈，以便于均匀喷涂吸光材料，然后喷枪或刷子将SiO2吸光涂料均匀的涂在模具表面上，以提高金属表面对激光的吸收率。预图层厚度为0.02～0.05mm，待风干后调节高功率脉冲激光器参数和光斑大小调节装置参数，激光功率750W，扫描速度 7mm/s，光斑直径4mm。高功率的激光器快速扫描涂有吸光涂层的模具表面，使模具表面实现快速加热和冷却。清洗表面,干燥后涂上黑漆, 然后逆时针转动冲击头转换装置上的手动手柄90°使冲击头A处于模具得正上面，再调节高功率脉冲激光器参数和光斑大小调节装置参数，激光能量为12.1J，脉冲宽度为30ns，光斑直径6 mm，以K9光学玻璃作为约束层进行激光冲击，然后清洗冲击区的黑漆，经测定，硬化深度为 0.83～1.42mm，表面硬度可达600HV。
实施例二：40Cr钢材的汽车LED前照灯模具。将模具放在五轴联动工作台上，将其定位好后用夹具装置夹紧，再用汽油或者酒精去油去污溶剂去除模具表面油污和锈，以便于均匀喷涂吸光材料，然后喷枪或刷子将SiO2吸光涂料均匀的涂在模具表面上，以提高金属表面对激光的吸收率。预图层厚度为0.02～0.05mm，待风干后调节高功率脉冲激光器参数和光斑大小调节装置参数，激光功率750W，扫描速度7mm/s，光斑直径为4mm。高功率的激光器快速扫描涂有吸光涂层的模具表面，使模具表面实现快速加热和冷却。清洗表面,干燥后涂上黑漆, 然后逆时针转动冲击头转换装置上的手动手柄90°使冲击头A处于模具的正上面，再调节高功率脉冲激光器参数和光斑大小调节装置参数，激光能量为12.1J，脉冲宽度为30ns，光斑直径为6mm，以K9光学玻璃作为约束层进行激光冲击，然后清洗冲击区的黑漆。经测定，硬化深度为0.32～0.81mm，表面硬度可达780HV。
Claims (5)
1.一种汽车LED前照灯模具的激光热力效应强化延寿方法，其特征在于，步骤为：
（1）将汽车LED前照灯模具（14）放在五轴联动工作台（15）上，将其定位好后用夹具装置夹紧；
（2）用酒精去油去污溶剂去除模具（14）表面油污和锈；
（3）用喷枪或刷子将SiO2吸光涂料均匀的涂在模具（14）表面上；
（4）通过调节五轴联动工作台（15）使冲击头B（11）距模具（14）上表面30 mm～60mm，调节高功率脉冲激光器（4）参数（参数包括激光功率、扫描速度）和光斑大小调节装置（7）参数（光斑直径），使参数满足激光热效应的试验要求，连续脉冲激光器（4）产生激光脉冲，经导光系统、预处理层（SiO2吸光涂料）（17），照射到模具（14）表面，通过调节五轴联动工作台（15），使模具（14）和冲击头B（11）处于不同的相对位置，直到激光扫描完模具（14）所有的表面；
（5）清洗模具（14）表面，干燥后涂上黑漆；
（6）逆时针转动冲击头转换装置（19）上的手动手柄（18）90°使冲击头A（9）处于工件夹具系统的正上面，然后调节高功率脉冲激光器（4）参数（参数包括激光能量、脉冲宽度）和光斑大小调节装置（7）参数（光斑直径），使参数满足激光力效应的试验要求，高功率脉冲激光器（4）产生激光脉冲，经导光系统、预处理层（约束层和吸收层）（17），照射到模具（14）表面，通过调节五轴联动工作台（15），使模具（14）和冲击头A（9）处于不同的位置，直到处理完整个模具（14）表面；
（7）清洗模具（14）冲击区的黑漆。
2.根据权利要求1所述的一种汽车LED前照灯模具的激光热力效应强化延寿方法，其特征在于，连续脉冲激光器发出的激光产生热效应的激光功率范围为600W～1200W，扫描速度范围为5mm/s～30mm/s。
3.根据权利要求1或2中任意一项所述的一种汽车LED前照灯模具的激光热力效应强化延寿方法，其特征在于，高功率脉冲激光器发出的激光产生力效应的能量范围为0J～50J，脉宽范围为5ns～50ns。
4.实施权利要求1所述的一种汽车LED前照灯模具的激光热力效应强化延寿方法的激光热力效应强化装置，其装置特征在于，包括计算机（1），数字控制器（2），激光控制器（3），高功率激光器（4），光斑大小调节装置（7），冲击头A（用于力效应强化）（9）和冲击头B（用于热效应强化）（11），预处理层（17），工件夹具系统和控制系统；导光系统包括导光管（5）、45°全反镜（6）、冲击头A（9）和冲击头B（11）以及光斑大小调节装置（7）；光斑大小调节装置（7）位于45°全反镜（6）与冲击头转换装置（19）之间，与数字控制器（2）相连，45°全反镜（6）在光斑大小调节装置（7）上面，冲击头转换装置（19）在光斑大小调节装置（7）下面，冲击头A（9）和冲击头B（11）分别位于冲击头转换装置（19）的左面和下面，并和冲击头转换装置（19）构成一个整体，冲击头转换装置（19）用于转换冲击头A（9）和冲击头B（11）的工作位置；工作透镜（10）和工作透镜（12）分别位于冲击头（9）内和冲击头（11）内，导光管（5）把激光器（4）、45°全反镜（6）、光斑大小调节装置（7）和冲击头转换装置（19）串联起来，其一端连接着激光器（4），一端连接着冲击头转换装置（19），冲击头B（11）位于工件夹具系统上面；工件夹具系统包括五轴联动工作台（15），模具（14）、夹头A（13）和夹头B（16），模具（14）通过夹头A（13）和夹头B（16）固定在五轴联动工作台（15）；控制系统包括计算机（1）、数字控制器（2）和激光控制器（3），计算机（1）通过数字控制器（2）分别控制激光控制器（4）、光斑大小调节装置（7）和五轴联动工作台（15），激光控制器（3）控制激光器（4）。
5.根据权利要求4所述的一种汽车LED前照灯模具的激光热力效应强化延寿方法的激光热力效应强化装置，其特征在于，还包括转换冲击头（9）和冲击头（11）的工作位置的冲击头转换装置（19）。
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