CN103710698B - 一种光内同轴送丝辅助激光熔注模具表面耦合仿生修复方法 - Google Patents
一种光内同轴送丝辅助激光熔注模具表面耦合仿生修复方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供一种送丝辅助激光熔注模具表面耦合仿生修复方法，对模具表面使用后出现磨损、裂纹后需要修复，从仿生角度出发，研究耐磨损、抗疲劳生物原型；从减小模具表面修复应力应变角度，将生物原型抗磨损、耐疲劳的结构通过激光熔注“复制”在模具待修复表面；突破了传统模具修复概念，对模具表面磨损、裂纹及其附近有失效倾向区域进行联合仿生修复再造，显著提高模具修复表面的耐磨性与热疲劳性，延长模具使用寿命，为模具表面修复提供了一种新的方法。
Description
技术领域
本发明属于金属材料加工领域。
背景技术
模具是工业生产的基础工艺装备，在电子、汽车、电机、电器、仪器、仪表、家电和通讯等产品中，60%~80%的零部件都要依靠模具成形。以宁波为例，宁波被授予“中国模具之都”，宁波模具企业近年来发展迅速，铸造模已占全国的60%以上，压铸模占40%以上，粉末冶金模占25%以上，塑料模占全国16%。到2012年底，仅余姚、慈溪、宁海、北仑、象山等宁波市五大主要模具加工区域模具加工的企业超过10000家，从业人员达50万余人，模具产值达到320亿元，商品模突破100亿元，其中模具出口30亿元，五年平均增长率超过25％。虽然我国模具生产发展很快，但与国外先进水平相比还有很大差距，主要表现在制造周期长、制造精度低、模具寿命短等方面，其中模具寿命短的问题尤为突出。如国内普通压铸模具寿命一般为3-10万模次，国外可达到10-35万模次，对于那些要求保留压铸表面的制品，模具寿命有时仅有1-2万模次。模具寿命短直接导致资源浪费和生产成本的上升，因此，开展模具修复再造理论和方法的研究，延长模具使用寿命，具有重要的现实意义。如果通过模具修复再造提高模具寿命20%以上，不仅会给企业带来巨大经济效益，还可以优化资源配置，节约贵重金属材料，降低能源消耗，具有显著的社会效益。
自然界生物在优胜劣汰的生存环境，形成了能以最小材料和能源消耗获得最佳功能的最优结构，生物的这种结构是由材料、表面形态、结构多因素耦合形成的，依据相似性原理，在模具修复表面模仿形成这样的结构也可以获得优良的性能。
发明内容
本发明提供一种光内同轴送丝辅助激光熔注模具表面耦合仿生修复方法，在模具失效表面利用光内同轴送丝辅助激光熔注加工的方法，对表面进行耦合仿生修复再造。所述对表面进行耦合仿生修复再造包括从仿生和减小应力应变双重角度，根据模具表面磨损、热疲劳裂纹及其周围有失效倾向区域特征进行归一化分类，设计光内同轴送丝辅助激光熔注模具表面耦合仿生修复再造模型。所述采用激光光内同轴送丝方式，送丝速度为1.0~20m/min，送丝速度误差小于5%，焊丝直径为0.1~1.6mm。所述激光熔注采用后侧熔注陶瓷颗粒，送粉速度1～200mg/s，颗粒尺寸为10nm～1.0mm，在仿生单元体中陶瓷的体积分数为10%～50%，熔注层厚度0.01～2.0mm。所述陶瓷包括TiC、WC和SiC。所述耦合仿生修复是按模具表面耦合仿生修复再造模型，在模具表面激光熔注陶瓷颗粒而成仿生结构体，条形仿生单元体宽度W1为0.05～4.0mm，条形仿生单元体深度L1为0.1～3.0mm，圆形仿生单元体间距W2为0.5～10.0mm，圆形仿生单元体深度L2为0.1～3.0mm，圆形仿生单元体直径d为0.05～4.0mm，条形仿生单元体曲度θ为10～180度。
附图说明
图1模具表面仿生修复系统结构框图
图2光内同轴送丝辅助激光熔注制备多尺度陶瓷复合材料层示意图
图3模具修复表面耦合仿生结构体示意图
其中：W1条形仿生单元体宽度L1条形仿生单元体深度W2圆形仿生单元体间距L2圆形仿生单元体深度d圆形仿生单元体直径θ条形仿生单元体曲度。
具体实施方式
本发明突破了传统模具修复概念，从仿生和减小应力应变双重角度，对模具表面磨损、裂纹及其附近有失效倾向区域进行联合修复再造。光内同轴送丝辅助激光熔注模具表面仿生修复系统如图1所示，下面分别详细说明。
模具表面仿生修复失效区域特征归一化模型：根据模具表面温度场、速度场、压力场及其多循环变化曲线，建立热作模具型芯、型腔的等效应力场，结合典型热作模具待修复失效区域几何特征，建立等效应力场与模具修复失效区域几何特征的关联模型，对热作模具待修复表面失效区域几何特征进行预测。结合预测失效区域不同几何特征，以模具待修复表面形态、材料、结构为研究对象，从模具表面仿生修复角度，对模具表面磨损、热疲劳裂纹及其周围有失效倾向区域特征进行归一化处理，设计模具表面仿生修复失效区域特征归一化模型。
模具表面修复激光熔注多尺度耐磨抗裂模型：从减小模具表面修复应力应变角度，通过光内同轴送丝辅助激光熔注参数优化，根据归一化模具表面失效区域不同特征，制备多尺度陶瓷梯度熔注层，如图2所示。通过对熔注复合材料层的陶瓷颗粒尺寸、陶瓷体积分数、陶瓷弥散形态、化学成分、组织结构、显微硬度、摩擦、磨损和热疲劳的实验分析，设计激光熔注参数与多尺度复合材料层耐磨抗裂关联模型。当模具表面有磨损或裂纹时，模具修复再造为填充磨损和裂纹区域，用光内同轴送丝辅助激光熔注加工方法；对于预测有失效倾向区域，但还没磨损或产生裂纹，采用激光熔注加工方法，制备模具激光熔注多尺度耐磨抗裂层。
模具表面修复耦合仿生耐磨抗裂模型：选择具有耐磨抗裂功能如贝壳等为生物原型，运用相似理论建立相应的生物模型，针对归一化模具表面失效区域不同特征，通过计算机数值模拟和特征参数优化，设计仿生单元体和不同单元体按一定规律偶联构成仿生结构体。仿生单元体设计包括仿生单元体的形态、几何尺寸、化学成分、组织形态、陶瓷颗粒尺寸、陶瓷体积分数和陶瓷弥散形态设计。仿生结构体设计包括各仿生单元体耦合形式和偶联结构形态设计。从减小模具表面修复应力应变角度，分析仿生单元体和仿生结构体应力应变，修正模具表面修复耦合仿生耐磨抗裂模型。
模具表面激光熔注耦合仿生修复再造模型：利用模具表面修复耦合仿生和激光熔注多尺度耐磨抗裂模型，根据仿生单元体的形态、几何尺寸、化学成分、组织形态及陶瓷颗粒尺寸、体积分数、弥散形态和仿生结构体的各单元体耦合形式、偶联结构形态对修复模具使用寿命影响规律，设计光内同轴送丝辅助激光熔注模具表面耦合仿生修复再造模型。
模具表面耦合仿生修复再造：针对模具表面不同特征的磨损、热疲劳裂纹及其周围有失效倾向区域，根据仿生修复再造模型，对模具进行仿生修复再造。
光内同轴送丝辅助激光熔注模具表面耦合仿生修复方法步骤如下：
1.根据模具表面温度场、速度场、压力场及其多循环变化曲线，建立热作模具型芯、型腔的等效应力场，结合典型热作模具待修复失效区域几何特征，设计等效应力场与模具修复失效区域几何特征的关联模型，对热作模具待修复表面失效区域几何特征进行预测。
2.以模具待修复表面形态、材料、结构为研究对象，从模具表面仿生修复角度，对模具表面磨损、热疲劳裂纹及其周围有失效倾向区域特征进行归一化分类，设计模具表面仿生修复失效区域特征归一化模型。
3.从减小模具表面修复应力应变角度，利用光内同轴送丝辅助激光熔注加工方法，根据归一化模具表面失效区域不同特征制备陶瓷梯度熔注层，熔注层厚度0.01～1.0mm，熔注层中陶瓷（TiC、WC和SiC）的体积分数为10%～50%，陶瓷颗粒尺寸为10nm～800μm，设计激光熔注参数与多尺度复合材料层耐磨抗裂关联模型。
4.选择具有耐磨抗裂功能如贝壳等为生物原型，运用相似理论建立相应的生物模型，针对模具表面失效区域的不同特征，通过计算机数值模拟和特征参数优化，进行仿生单元体和结构体设计，分析仿生单元体和结构体应力应变，从减小模具表面修复应力应变角度，修正模具表面修复耦合仿生耐磨抗裂模型。
5.利用模具表面修复耦合仿生和激光熔注多尺度耐磨抗裂模型，根据仿生单元体的形态、几何尺寸、化学成分、组织形态及陶瓷颗粒尺寸、体积分数、弥散形态和仿生结构体的各单元体耦合形式、偶联结构形态对修复模具使用寿命影响规律，设计光内同轴送丝辅助激光熔注模具表面耦合仿生修复再造模型。
6.针对模具表面不同特征的磨损、热疲劳裂纹及其周围有失效倾向区域，根据仿生修复再造模型，对模具进行仿生修复再造。
根据模具表面磨损、热疲劳裂纹及其周围有失效倾向区域特征进行归一化分类，然后根据光内同轴送丝辅助激光熔注模具表面耦合仿生修复再造模型，对模具表面进行仿生修复再造。模具材料为H13，激光器为2kW光纤激光器、五轴CNC数控系统和精密送粉器，WC粉末由熔池中后部注入，注入方向与激光扫描方向相同，与基体表面的角度为45°。激光熔注采用铸造WC陶瓷粉末作为注入材料，平均尺寸为100μm，呈不规则多边形状，由WC和W2C两相组成，采用负离焦2.0mm，激光束加工斑点尺寸为4.0mm，焊丝材料为H13，激光功率密度P=320W/mm2，扫描速度v=0.5m/min，负离焦量5mm，送粉速度m=90mg/s，送丝速度1000mm/min，熔注层中陶瓷（WC）的体积分数为30%，陶瓷以均匀梯度弥散形态。在模具表面加工成一定纹理网格，如图3（a）所示，该网格仿生结构体是由条形单元体和圆形单元体按一定规律耦合而成，其深度方向截面如图3（b）所示，单元体中弥散熔注了碳化物陶瓷颗粒。其中条形仿生单元体宽度W1为2.0mm，条形仿生单元体深度L1为1.0mm，圆形仿生单元体间距W2为4.0mm，圆形仿生单元体深度L2为1.5mm，圆形仿生单元体直径d为2.5mm，条形仿生单元体曲度θ为150度。模具表面激光熔注仿生修复后延长模具使用寿命1.0倍以上。
Claims (3)
1.一种光内同轴送丝辅助激光熔注模具表面耦合仿生修复方法，其特征在于：在模具失效表面利用光内同轴送丝辅助激光熔注加工的方法，对表面进行耦合仿生修复再造；所述对表面进行耦合仿生修复再造包括从仿生和减小应力应变双重角度，根据模具表面磨损、热疲劳裂纹及其周围有失效倾向区域特征进行归一化分类，设计光内同轴送丝辅助激光熔注模具表面耦合仿生修复再造模型；所述采用激光光内同轴送丝方式，送丝速度为1.0~20m/min，送丝速度误差小于5%，焊丝直径为0.1~1.6mm；所述激光熔注采用后侧熔注陶瓷颗粒，送粉速度1～200mg/s，颗粒尺寸为10nm～1.0mm，在仿生单元体中陶瓷的体积分数为10%～50%，熔注层厚度0.01～2.0mm。
2.根据权利要求1所述的方法，所述陶瓷包括TiC、WC和SiC。
3.按权利要求1所述的光内同轴送丝辅助激光熔注模具表面耦合仿生修复方法，其特征在于所述耦合仿生修复是按模具表面耦合仿生修复再造模型，在模具表面激光熔注陶瓷颗粒而成仿生结构体，条形仿生单元体宽度W1为0.05～4.0mm，条形仿生单元体深度L1为0.1～3.0mm，圆形仿生单元体间距W2为0.5～10.0mm，圆形仿生单元体深度L2为0.1～3.0mm，圆形仿生单元体直径d为0.05～4.0mm，条形仿生单元体曲度θ为10～180度。
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Effective date of registration: 20141021 Address after: 315100 Ningbo, Zhejiang Higher Education Park money Hunan Road No. 1 Applicant after: Ningbo Institute of Technology, Zhejiang University Applicant after: Ningbo Donghao Die Casting Co., Ltd. Address before: 315100 Ningbo, Zhejiang Higher Education Park money Hunan Road No. 1 Applicant before: Ningbo Institute of Technology, Zhejiang University |
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| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20160413 Termination date: 20190923 |
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |