CN104726688B - 一种考虑激光冲击效应的法兰内球笼挤压模具设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于挤压模具领域，尤其是涉及一种考虑激光冲击效应的法兰内球笼挤压模具设计方法，步骤如下：根据原法兰内球笼挤压模具和其实际工作状况确定激光冲击试样的热处理硬度和表面粗糙度，以此来制作与原法兰内球笼挤压模具材料相同的试样；确定合适的激光冲击参数，进而对试样表面进行激光冲击；冲击完成后分析计算在试样表面产生的微凹坑深度；根据微凹坑深度设计新的法兰内球笼挤压模具的尺寸；对所述新的法兰内球笼挤压模具进行激光冲击，最终得目标挤压模具。利用本发明所述方法对法兰内球笼挤压模具的设计改进之后，在法兰内球笼挤压模具使用初期其圆角及工作区表层已具有残余压应力层，提高了它的使用寿命和制造精度，避免了资源的浪费。

Description

一种考虑激光冲击效应的法兰内球笼挤压模具设计方法
技术领域
本发明属于挤压模具领域，尤其是涉及一种考虑激光冲击效应的法兰内球笼挤压模具设计方法。
背景技术
近几年，我国模具行业的发展特别迅速，在各种模具蓬勃发展的同时，模具的使用寿命都是我们不可避免要考虑的问题，其中挤压模的工作状况最差，在实际工作中经历着高温、高压以及经受着剧烈摩擦磨损的作用，导致模具很容易过早出现裂纹源以及发生磨损失效。而挤压模这类模具当其发生过度磨损后，其可修复性很低，报废率很高，最终结果导致资源的浪费和生产率的下降，为了改善这一现状提出一种考虑激光冲击效应的法兰内球笼挤压模具，可以在模具初始设计阶段提高模具表层硬度，在模具表面产生高达几百兆帕的残余压应力，并可在模具表面获得一定深度的残余压应力层，由于残余压应力的作用使模具抵抗磨损、抵抗初始裂纹源的能力大大提高，最终达到提高挤压模使用寿命的要求。
法兰内球笼被广泛应用在汽车传动装置中，直接影响着汽车使用性能和工作平稳性，传统法兰内球笼挤压模具由于容易出现各种缺陷导致法兰内球笼的质量达不到要求，使汽车在行驶中存在着安全隐患，法兰内球笼挤压模具性能的好坏直接决定了法兰内球笼在汽车上的使用性能，而采用一种考虑激光冲击效应的法兰内球笼挤压模具，很好的解决了这一问题。
发明内容
针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种考虑激光冲击效应的法兰内球笼挤压模具设计方法，提高挤压模具的抵抗磨损、抵抗初始裂纹源的能力，进而提高挤压模的使用寿命。
本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
一种考虑激光冲击效应的法兰内球笼挤压模具设计方法，包含下列步骤：
(1)确定激光冲击试样所需具备的热处理硬度和表面粗糙度；所述激光冲击试样所需具备的热处理硬度由原法兰内球笼挤压模具的实际工作状况确定；所述激光冲击试样的表面粗糙度由原法兰内球笼挤压模具的表面粗糙度确定；
(2)制作与原法兰内球笼挤压模具材料相同的激光冲击试样；
(3)确定激光冲击参数，所述激光冲击的各参数为：波长1054nm，脉宽10ns～23ns，激光脉冲能量10～30J，光斑直径4mm～6mm，搭接率50％～60％，冲击次数3～4次，约束层为厚度0.3mm～1mm的水流层，吸收层为厚度0.2mm～0.5mm的黑漆；
(4)对激光冲击试样的表面进行激光冲击；
(5)激光冲击完成后，分析计算激光冲击试样表面所产生的微凹坑深度；根据微凹坑深度重新设计新的法兰内球笼挤压模具的尺寸；
(6)对所述新的法兰内球笼挤压模具进行激光冲击，所述激光冲击的各参数与步骤(3)中相同，最终得目标挤压模具。
进一步的，步骤(2)中所述激光冲击试样经淬火、回火热处理过程获得所需具备的热处理硬度。
进一步的，步骤(2)中所述激光冲击试样为长方体，具体尺寸为20mm×40mm×5mm。
进一步的，步骤(4)中所述激光冲击的激光束方向始终与激光冲击试样的表面垂直。
进一步的，步骤(5)中新的法兰内球笼挤压模具的尺寸a＝A+h，A为原法兰内球笼挤压模具的工作尺寸，h为微凹坑深度。
本发明的有益效果：
本发明所述的一种考虑激光冲击效应的法兰内球笼挤压模具设计方法，在模具设计的初始阶段，将后续激光冲击工艺在模具表面产生的一定量的微凹坑深度加入考虑，依据微凹坑深度重新设计模具尺寸，使其通过激光冲击工艺在模具表面获得一定深度的残余压应力层时满足模具本身的目标尺寸，提高了制造精度和质量；传统的法兰内球笼挤压模具的设计只仅仅根据法兰内球笼产品的尺寸，直接设计法兰内球笼挤压模具的目标尺寸，得到的法兰内球笼挤压模具在使用早期容易在圆角和工作区产生微裂纹、点蚀和磨损破坏，导致法兰内球笼挤压模具的过早失效和报废，降低了法兰内球笼产品的制造精度、法兰内球笼挤压模具的工作效率和使用寿命，对资源造成很大的浪费；经本发明提出的方法对法兰内球笼挤压模具的设计改进之后，在法兰内球笼挤压模具的使用初期其圆角及工作区表层已经具有残余压应力，提高了法兰内球笼挤压模具的使用寿命和法兰内球笼产品的制造精度，避免了资源的浪费，使模具抵抗磨损、抵抗初始裂纹源的能力大大提高，提高了挤压模具的使用寿命。
附图说明
图1为本发明所述模具设计方法的流程示意图。
图2为激光冲击试样示意图。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。
如图1所示，选取原法兰内球笼挤压模具，其材料为W6Mo5Cr4V2，实际工作状况下所需热处理硬度为58-63HRC，表面粗糙度为0.08μm～0.16μm，其中一个工作区设计尺寸A为φ68mm。因而将材料W6Mo5Cr4V2在淬火温度1160-1270℃，回火温度550-680℃热处理，获得所需的热处理硬度，并满足所需表面粗糙度，以此制作实验用激光冲击试样，具体尺寸为20mm×40mm×5mm。
设定激光冲击的各参数为波长为1054nm，脉宽23ns，激光脉冲能量12J，光斑直径4mm，搭接率60％，冲击次数3次，约束层为0.4mm的水流层，吸收层为0.4mm的黑漆，激光束与激光冲击试样表面法相夹角为70°-90°，对制得的激光冲击试样激光冲击，使模具表面获得一定深度的残余压应力层，冲击过程中确保激光冲击的激光束的方向始终垂直激光冲击试样表面。冲击完成后采用表面形貌仪测量冲击产生的微凹坑深度为h＝20μm，即激光冲击在法兰内球笼挤压模具上可以产生的变形量等于微凹坑深度h。在进行法兰内球笼挤压模具设计最初阶段将微凹坑深度h加入考虑，即法兰内球笼挤压模具一工作区设计尺寸a＝A+h，即a＝68mm+20μm。
实施二，选取原法兰内球笼挤压模具，其材料为YXR33，实际工作状况下所需热处理硬度为58-60HRC，表面粗糙度为0.12μm～0.20μm，其中一个工作区设计尺寸A为φ78mm。因而将材料YXR33在淬火温度1080-1160℃，回火温度560-600℃热处理，获得所需的热处理硬度，并满足所需表面粗糙度，以此制作实验用激光冲击试样，具体尺寸为20mm×40mm×5mm。
设定激光冲击的各参数为波长为1054nm，脉宽10ns，激光脉冲能量15J，光斑直径5mm，搭接率50％，冲击次数3次，约束层为0.9mm的水流层，吸收层为0.5mm的黑漆，激光束与激光冲击试样表面法相夹角为70°-90°，对制得的激光冲击试样激光冲击，使模具表面获得一定深度的残余压应力层，冲击过程中确保激光冲击的激光束的方向始终垂直激光冲击试样表面。冲击完成后采用表面形貌仪测量冲击产生的微凹坑深度为h＝25μm，即激光冲击在法兰内球笼挤压模具上可以产生的变形量等于微凹坑深度h。在进行法兰内球笼挤压模具设计最初阶段将微凹坑深度h加入考虑，即法兰内球笼挤压模具一工作区设计尺寸a＝A+h，即a＝78mm+25μm。
所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种考虑激光冲击效应的法兰内球笼挤压模具设计方法，其特征在于，包含下列步骤：
(1)确定激光冲击试样所需具备的热处理硬度和表面粗糙度；所述激光冲击试样所需具备的热处理硬度由原法兰内球笼挤压模具的实际工作状况确定；所述激光冲击试样的表面粗糙度由原法兰内球笼挤压模具的表面粗糙度确定；
(2)制作与原法兰内球笼挤压模具材料相同的激光冲击试样；
(3)确定激光冲击参数，所述激光冲击的各参数为：波长1054nm，脉宽10ns～23ns，激光脉冲能量10～30J，光斑直径4mm～6mm，搭接率50％～60％，冲击次数3～4次，约束层为厚度0.3mm～1mm的水流层，吸收层为厚度0.2mm～0.5mm的黑漆；
(4)对激光冲击试样的表面进行激光冲击；
(5)激光冲击完成后，分析计算激光冲击试样表面所产生的微凹坑深度；根据微凹坑深度重新设计新的法兰内球笼挤压模具的尺寸；
(6)对所述新的法兰内球笼挤压模具进行激光冲击，所述激光冲击的各参数与步骤(3)中相同，最终得目标挤压模具；步骤(5)中新的法兰内球笼挤压模具的尺寸a＝A+h，A为原法兰内球笼挤压模具的工作尺寸，h为微凹坑深度。
2.根据权利要求1所述的一种考虑激光冲击效应的法兰内球笼挤压模具设计方法，其特征在于，步骤(2)中所述激光冲击试样经淬火、回火热处理过程获得所需具备的热处理硬度。
3.根据权利要求1所述的一种考虑激光冲击效应的法兰内球笼挤压模具设计方法，其特征在于，步骤(2)中所述激光冲击试样为长方体，具体尺寸为20mm×40mm×5mm。
4.根据权利要求1所述的一种考虑激光冲击效应的法兰内球笼挤压模具设计方法，其特征在于，步骤(4)中所述激光冲击的激光束方向始终与激光冲击试样的表面垂直。
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