CN108115283B - 根据成分与工况制备耦合仿生表面的方法及热镦模具 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种热镦模具表面制备耦合仿生单元的方法及热镦模具，该方法如下：采用激光熔凝方法，根据热镦模具的成分确定制备仿生单元体的激光加工能量密度，在热镦模具表面形成仿生单元体；在合金元素总量为4.0‑7.0(wt％)、7.0‑10.0(wt％)的热镦模具分别采用激光加工能量密度为4.23‑10.71J/mm2、6.63‑16.27J/mm2的激光束加工仿生单元体。本发明综合考虑热镦模具成分和具体工况采用激光技术在热镦模具上制备耦合仿生表面，从而获得不同的性能。与母体材料的光滑表面回转体热镦模具相比，使用寿命提升了0.6‑2倍。
Description
技术领域
本发明属于热镦模具表面强化领域，涉及一种采用激光技术针对热镦模具成分和具体工况制备耦合仿生表面的方法及其热镦模具。
背景技术
模具是工业生产中一种重要的工艺装备，尤其是在汽车、机械、家电和军工产业中，60％以上的零件是由模具加工成型的。高精度、高寿命模具生产越来越受到重视。降低模具制造成本，提高模具使用寿命,简化模具生产工序和制造周期已成为制造业急需解决的重大技术难题。
仿生学是运用从生物界发现的机理与规律来解决人类需求的一门综合性的交叉学科，它是研究生物系统的结构、形状、功能、能量转换、信息控制等各种优异的特性，并把它们应用到工程技术系统中，改善已有的工程技术，为工程技术提供新的设计思想、工作原理和系统构成的技术科学。激光融凝处理是典型的快速加热和快速凝固过程。模具钢在高速冷却结晶后，可以提高碳化物的弥散度，改善合金元素及碳化物分布，因而表面硬度和热稳定性都有提高，改善了材料表面的耐磨性、疲劳强度和耐腐蚀性，可延长模具的寿命。在众多旨在提高模具寿命的技术方法中，激光仿生强化是从仿生角度出发，通过研究耐磨损生物原型，将生物耐磨损的表面模型通过将仿生思想与激光熔凝方法结合应用到热镦模具表面，可以显著提高模具的耐磨性和热疲劳性，从而提高模具寿命。
热镦模具作为一类在高温下进行压力加工的模具，在工作时，承受着很大压力和冲击力，模具加工表面与高温金属接触局部温度很高，炙热金属被强制变形时，与模具型腔表面摩擦，模具极易磨损。在不同的工况下，对模具的使用寿命有不同的要求。目前国内针对提高热镦模具耐磨性的工艺方法尚少。大多采用渗碳或者渗氮处理，成本高，不但不能根据不同工作表面针对性的强化，而且也不能根据具体使用需求对模具使用寿命差异性的提升。所以寻找一种针对性强且满足不同使用需求的有效提高热镦模具耐磨性的从而提高使用寿命的方法，是企业急需解决的技术问题，具有重要的实际意义。
发明内容：
本发明要解决的技术问题是提供一种热镦模具表面制备耦合仿生单元的方法，该方法根据热镦模具成分确定制备耦合仿生单元体的激光加工能量密度，使得热镦模具能够有效抵抗磨损。
为了解决上述技术问题，本发明的热镦模具表面制备耦合仿生单元的方法如下：采用激光熔凝方法，根据热镦模具的成分确定制备仿生单元体的激光加工能量密度，用激光束在热镦模具表面进行扫描，使得其表面熔化并快速凝固，在其表面形成仿生单元体；在碳含量为0.33-0.55(wt％)、合金元素总量为4.0-7.0(wt％)的热镦模具上加工仿生单元体采用激光加工能量密度为4.23-10.71J/mm2；在碳含量为0.33-0.55(wt％)、合金元素总量为7.0-10.0(wt％)的热镦模具上加工仿生单元体采用激光加工能量密度为6.63-16.27J/mm2。
碳含量为0.33-0.55(wt％)、合金元素总量为4.0-7.0(wt％)的热镦模具上加工的仿生单元体，其硬度为470-720HV，粗糙度Ra为5000-10000nm。
碳含量为0.33-0.55(wt％)、合金元素总量为7.0-10.0(wt％)的热镦模具上加工的仿生单元体，其硬度为560-750HV，粗糙度Ra为4000-8000nm。
碳含量和合金元素含量会对热镦模具的热传导产生不同的影响，并且热镦模具的热传导率是无法根据碳含量和合金元素含量来估计的。激光加工能量密度的选择与热镦模具的热传导率有关，如果激光参数选择不当，会导致加工的仿生单元体硬度不足或者出现热镦模具表面粗糙等情况，并且合适的激光参数也是本领域技术人员无法预估的，必须要发明人通过大量的实验才能确定。本发明选择激光加工能量密度4.23-10.71J/mm2的激光在碳含量为0.33-0.55(wt％)、合金元素总量为4.0-7.0(wt％)的热镦模具上加工仿生单元体，仿生单元体的硬度可以达到470-730HV，粗糙度Ra可达到5000-10000nm。本发明选择激光加工能量密度6.63-16.27J/mm2的激光在碳含量为0.33-0.55(wt％)、合金元素总量为7.0-10.0(wt％)的热镦模具上加工仿生单元体，仿生单元体硬度可以达到560-750HV，粗糙度Ra可达到4000-8000nm。
当激光加工能量密度为4.23-10.71J/mm2时，激光器功率为400W，电流为140-150A，脉宽为4-9ms，频率为2.5-7.5Hz，扫描速度为0.5-2.0mm/s，光斑直径1.52mm。
当激光加工能量密度为6.63-16.27J/mm2，激光器功率为400W，电流为150-165A，脉宽为5.5-12ms，频率为2.5-7.5Hz，扫描速度为0.5-2.0mm/s，光斑直径1.52mm。
进一步，本发明的热镦模具表面制备耦合仿生单元的方法，还可以根据热镦模具的不同使用工况确定仿生单元体的分布；在连续使用时间相对较短或者对抗磨损性能及强韧性要求相对较低的热镦模具上制备间距相对较大的仿生单元体，在连续使用时间相对较长或者对抗磨损性能及强韧性要求相对较高的热镦模具上制备间距相对较小的仿生单元体。
在实际应用中，热镦模具连续使用时间不同，有些工况需要连续使用时间较短或者对抗磨损性能及强韧性要求相对较低，若热镦模具上仿生单元体分布密度较大，则会造成仿生单元体加工成本的浪费；对于需要连续使用时间较长或者对抗磨损性能及强韧性要求相对较高的的工况，若仿生单元体分布密度较小，则会造成热镦模具达不到应有的使用寿命。本发明根据热镦模具的不同使用工况确定仿生单元体的分布，即避免了加工成本的浪费又能够保证热镦模具的使用要求。
采用上述热镦模具表面制备耦合仿生单元的方法制备的热镦模具，所述热镦模具碳含量为0.33-0.55(wt％),合金元素总量为4.0-7.0(wt％)，仿生单元体截面为弓形，其深度h为0.4-0.7mm，宽度w为1.0-1.6mm。
采用上述热镦模具表面制备耦合仿生单元的方法制备的热镦模具，所述热镦模具碳含量为0.33-0.55(wt％)、合金元素总量为7.0-10.0(wt％)，仿生单元体截面为弓形，其深度h为0.5-1.0mm，宽度w为1.4-2.0mm。
采用上述热镦模具表面制备耦合仿生单元的方法制备的热镦模具，所述热镦模具为回转体，其上表面制备圆环形网格状仿生单元体，圆环形内部网格状仿生单元体，其相邻两条同向倾斜仿生单元体起始点与回转体圆心连线之间的夹角θ1为9°-18°，仿生单元体与加工起点圆切线的夹角θ2为15°-30°。
所述热镦模具为回转体，其上表面制备有圆环形树叶脉络状仿生单元体，圆环形内部中间制备一圆形仿生单元体作为树叶脉络状仿生单元体的中间脉络；圆形仿生单元体内侧相邻两条同向仿生单元体起始点与热镦模具圆心连线之间的夹角θ3为9°-18°，外侧相邻两条同向单元体起始点与热镦模具圆心连线之间的夹角θ3为9°-18°；设任一外侧仿生单元体与圆形仿生单元体相交点为A，设任一内侧仿生单元体与圆形仿生单元体相交点为B，外侧仿生单元体与圆形仿生单元体A点切线之间的夹角θ4为4°-10°；内侧直线单元体与圆形仿生单元体B点切线之间的夹角θ5为26°-35°。
所述热镦模具为回转体，其上表面制备有圆环形-条状复合仿生单元体，条状仿生单元体制备于两条圆环形仿生单元体内，相邻条状仿生单元体之间的平均间距为0-2mm。
本发明利用仿生原理，采用激光熔凝的方法，根据成分在热镦模具表面制备有一定仿生模型形分布大幅度提升硬度的仿生单元体。仿生单元体与母体形成了软硬相间仿生结构。硬度提升后的仿生单元体能在热镦模具表面形成阻碍磨损的保护层，母体材料将仿生单元体包围连成一体，使其表面应力分布更加均匀，这两种综合作用使热镦模具的抗磨损性能及强韧性得到显著提升。
本发明的有益效果：
1.针对热镦模具的磨损失效情况，采用激光表面处理技术在热镦模具表面制备出不同模型的仿生耦合表面，改善了热镦模具的耐磨性。
2.由于热镦模具的成分不同和具体工况不同，考虑到失效表面情况的不同，斟酌采用三种仿生耦合模型，用合适的加工方案和有加工效率的模型以达到最佳的强化效果。
本发明所采用的手段是：由计算机设计出不同形态、尺寸和分布规律的仿生单元体模型，采用实验的方法，选取较为良好的仿生单元体大小和一定分布规律的仿生模型。采用激光熔凝的方法在回转热镦模具表面加工出具有一定排布规律和大小的仿生单元体，最终得到具有软硬相间仿生耐磨表层的回转热镦模具。
本发明采用激光技术根据热镦模具成分和具体工况在热镦模具上制备耦合仿生表面。不同回转热镦模具的碳含量和合金成分含量的不同，母材的硬度也不同，激光加工后仿生单元体的硬度亦不同。因此综合考虑回转体热镦模具的具体工况，选用不同形态、尺寸和分布模型的仿生耦合表面，从而获得不同的性能。与母体材料的光滑表面回转体热镦模具相比，使用寿命提升了0.6-2倍。本发明还具有制造工艺简单、性能可靠、成本低、性价比高等优点。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
图1是本发明采用激光技术在热镦模具表面制备仿生耦合单元体的纵截面示意图。
图2是本发明的采用激光技术制备网格状仿生单元体的热镦模具示意图。
图3是本发明的采用激光技术制备树叶脉络仿生单元体的热镦模具示意图。
图4本发明的采用激光技术制备环形-条状复合状仿生单元体的热镦模具示意图。
具体实施方式：
如图1、2所示，表面制备有网格状仿生单元体的热镦模具，热镦模具为回转体，其上表面制备圆环形网格状仿生单元体，圆环形内部网格状仿生单元体，其相邻两条同向倾斜仿生单元体起始点与圆心连线之间的夹角θ1为9°-18°，仿生单元体与加工起点圆切线的夹角θ2为15°-30°。
当其母体材料碳含量为0.33-0.55(wt％)、合金元素总量为4.0-7.0(wt％)时，激光加工能量密度采用4.23-10.71J/mm2，仿生单元体截面为弓形，其深度h为0.4-0.7mm，宽度w为1.0-1.6mm，硬度为470-730HV，粗糙度Ra为5000-10000nm。与光滑表面热镦模具相比使用寿命提升0.4-0.8倍。
表面制备有网格状仿生单元体的热镦模具，当其母体材料碳含量为0.33-0.55(wt％)、合金元素总量为7.0-10.0(wt％)时，激光加工能量密度采用6.63-16.27J/mm2，仿生单元体截面为弓形，其深度h为0.5-1.0mm，宽度w为1.4-2.0mm，硬度为560-750HV，粗糙度Ra为4000-8000nm。与光滑表面热镦模具相比使用寿命提升0.6-1.5倍。
如图1、3所示，表面制备有圆环形树叶脉络状仿生单元体的热镦模具，圆环形内部中间制备一圆形仿生单元体作为树叶脉络状仿生单元体的中间脉络；圆形仿生单元体内侧相邻两条同向仿生单元体起始点与热镦模具圆心连线之间的夹角θ3为9°-18°，外侧相邻两条同向单元体起始点与热镦模具圆心连线之间的夹角θ3为9°-18°；设任一外侧直线仿生单元体与圆形仿生单元体相交点为A，任一内侧直线仿生单元体与圆形仿生单元体相交点为B，外侧直线仿生单元体与圆形仿生单元体A点切线之间的夹角θ4为4°-10°；内侧直线单元体与圆形仿生单元体B点切线之间的夹角θ5为26°-35°。
上述表面制备有圆环形树叶脉络状仿生单元体的热镦模具，当其母体材料碳含量为0.33-0.55(wt％)、合金元素总量为4.0-7.0(wt％)时，激光加工能量密度采用4.23-10.71J/mm2，仿生单元体截面为弓形，其深度h为0.4-0.7mm，宽度w为1.0-1.6mm，硬度为470-730HV，粗糙度Ra为5000-9000nm。与光滑表面热镦模具相比使用寿命提升0.8-1.0倍。
上述表面制备有圆环形树叶脉络状仿生单元体的热镦模具，当其母体材料碳含量为0.33-0.55(wt％)、合金元素总量为7.0-10.0(wt％)时，激光加工能量密度采用6.63-16.27J/mm2，仿生单元体截面为弓形，其深度h为0.5-1.0mm，宽度w为1.4-2.0mm，硬度为560-750HV，粗糙度Ra为4000-8000nm。与光滑表面热镦模具相比使用寿命提升1.4-1.8倍。
如图1、4所示，表面制备有圆环形-条状复合仿生单元体的热镦模具，条状仿生单元体制备于两条圆环形仿生单元体内，各条状仿生单元体之间近似于平行，相邻条状仿生单元体之间的间距靠近内环处较小，靠近外环处稍大。仿生单元体之间的平均间距可以0-2mm范围内。
上述表面制备有圆环形-条状复合状仿生单元体的热镦模具，当其母体材料碳含量为0.33-0.55(wt％)、合金元素总量为4.0-7.0(wt％)时，激光加工能量密度采用4.23-10.71J/mm2，仿生单元体截面为弓形，深度h为0.4-0.7mm，宽度w为1.0-1.6mm，硬度为470-720HV，粗糙度Ra为5000-10000nm。与光滑表面热镦模具相比使用寿命提升1.5-2.0倍。
上述表面制备有表面制备有圆环形-条状复合状仿生单元体的热镦模具，当其母体材料碳含量为0.33-0.55(wt％)、合金元素总量为7.0-10.0(wt％)时，激光加工能量经大量实验调整确定范围为6.63-16.27J/mm2，仿生单元体截面为弓形，其深度h为0.5-1.0mm，宽度w为1.4-2.0mm，硬度为560-750HV，粗糙度Ra为4000-8000nm。与光滑表面热镦模具相比使用寿命提升1.8-2.3倍。
采用本发明在热镦模具制备仿生单元体时，根据热镦模具表面易磨损失效的部位、热镦模具表面形状和工作应力的分布情况，确定采用的仿生加工模型，还有仿生单元体的形状、大小及其他特性。然后根据热镦模具成分对激光加工能量密度进行选择，确定不同模型的仿生单元体的加工参数以及加工路径。最后采用激光融凝的方式在热镦模具易磨损失效的部位加工出不同模型的仿生单元体，完成仿生耦合热镦模具的制备。
热镦模具仿生耦合表面的制备过程如下：
将待加工热镦模具固定在旋转工作台上。
将激光器的激光头安装在机器人手臂上，根据热镦模具表面设计的仿生模型的加工路径，调用机械手的圆环加工程序，加工出圆环形仿生单元体，同理调用机械手的加工程序，控制旋转工作台转动一定时间,控制激光头在水平方向和垂直方向同时移动，加工出斜条纹、直线纹仿生单元体。然后再控制旋转工作台转动一定时间，再重复加工出斜条纹、直线纹仿生单元体；
加工完毕检验热镦模具表面仿生单元体，确定仿生单元体饱满完整，且没有凸起，完成热镦模具制备。
仿生单元体制备过程中，也可以将待加工热镦模具固定在工作台上，然后通过机器人手臂带动激光头在X方向和Y方向同时移动，加工出环状仿生单元体；机器人手臂带动激光头在X方向和Y方向同时移动，加工出斜条纹仿生单元体；机器人手臂带动激光头在X或Y方向移动，加工出直线纹仿生单元体。
实施例1
本实施例在制造表面具有仿生单元体的热镦模具时，根据热镦模具具体工况如：表面形状、易失效部位情况和工况需求，对热镦模具的表面进行激光仿生耐磨强化。根据母材材质，确定激光参数。如图2所示，在热镦模具工作表面制备一定密度网状仿生单元体，对热镦过程中的接触表面的滑动磨损产生犁沟产生堤坝阻碍作用。
试样1：
碳含量:0.41(wt％)；合金元素含量：8.67(wt％)；仿生单元体特征参数：深度h为0.56mm，宽度w为1.53mm，硬度为680Hv，粗糙度Ra为6300nm；网状仿生单元体内部相邻两条同向倾斜仿生单元体起始点与热镦模具圆心连线的夹角θ1为9°、12°、18°，仿生单元体与加工起点圆切线夹为θ2为20°；激光加工参数：能量密度为：8.90J/mm2，电流为150A，脉宽为8ms，频率为5Hz，扫描速度为1mm/s，光斑直径1.52mm。
试样2：
碳含量：0.55(wt％)；合金元素含量：4.52(wt％)；仿生单元体特征参数：深度h为0.52mm，宽度w为1.37mm，硬度为710Hv，粗糙度为8760nm；网状仿生单元体内部相邻两条同向倾斜仿生单元体起始点与热镦模具圆心连线的夹角θ1为9°、12°、18°，仿生单元体与加工起点圆切线夹角θ2为20°；激光加工参数：能量密度为：7.96J/mm2，电流为140A，脉宽为8ms，频率为5Hz，扫描速度为1mm/s，光斑直径1.52mm。
试样3：
碳含量：0.37(wt％)；合金元素含量：9.37(wt％)；生单元体特征参数：深度h为0.63mm，宽度w为1.52mm，截面面积S为0.64mm2，硬度为700Hv，粗糙度Ra为5960nm；网状仿生单元体内部相邻两条同向倾斜仿生单元体起始点与热镦模具圆心连线的夹角θ1为9°、12°、18°，仿生单元体与加工起点圆切线夹角θ2为20°；激光加工参数：能量密度为：9.24J/mm2，电流为155A，脉宽为8ms，频率为5Hz，扫描速度为1mm/s，光斑直径1.52mm。
每条斜条型仿生单元体加工时间大约20s，网状仿生单元体在两种热镦模具表面的分布密度(用仿生单元体加工条数表示)与加工效率(时间)和使用寿命的提高的关系如表1。
表1
实施例2
本实施例在制造表面具有仿生单元体的热镦模具时，根据热镦模具具体工况如：表面形状、易失效部位情况和工况需求，对热镦模具的表面进行激光仿生耐磨强化。根据母材材质，确定激光参数。如图3所示，在热镦模具工作表面制备一定密度树叶脉络型仿生单元体，不仅对热镦过程中的接触表面的滑动磨损产生犁沟产生堤坝阻碍作用还可以增强对抗粘着磨损、剥落的作用。
试样1：
碳含量:0.41(wt％)；合金元素含量：8.67(wt％)；仿生单元体特征参数：深度h为0.56mm，宽度w为1.53mm，硬度为680Hv，粗糙度Ra为6300nm；树叶脉络型仿生单元体内部相邻两条同向倾斜仿生单元体起始点与热镦模具圆心连线的夹角θ1为9°、12°、18°，设任一外侧仿生单元体与圆形仿生单元体相交点为A，设任一内侧仿生单元体与圆形仿生单元体相交点为B，外侧直线仿生单元体与圆形仿生单元体A点的切线之间的夹角θ4为4°的单元体排布；内侧侧直线单元体与圆形单元体B点切线之间的夹角θ5为26°。；激光加工参数：能量密度为：8.90J/mm2，电流为150A，脉宽为8ms，频率为5Hz，扫描速度为1mm/s，光斑直径1.52mm。
试样2：
碳含量：0.55(wt％)；合金元素含量：4.52(wt％)；仿生单元体特征参数：深度h为0.52mm，宽度w为1.37mm，硬度为710Hv，粗糙度为8760nm；树叶脉络型仿生单元体内部相邻两条同向倾斜仿生单元体起始点与热镦模具圆心连线的夹角θ1为9°、12°、18°，设任一外侧仿生单元体与圆形仿生单元体相交点为A，设任一内侧仿生单元体与圆形仿生单元体相交点为B，外侧直线仿生单元体与圆形仿生单元体A点的切线之间的夹角θ4为4°的单元体排布；内侧侧直线单元体与圆形单元体B点切线之间的夹角θ5为26°。；激光加工参数：能量密度为：7.96J/mm2，电流为140A，脉宽为8ms，频率为5Hz，扫描速度为1mm/s，光斑直径1.52mm。
试样3：
碳含量：0.37(wt％)；元素含量：9.37(wt％)；生单元体特征参数：深度h为0.63mm，宽度w为1.52mm，截面面积S为0.64mm2，硬度为700Hv，粗糙度Ra为5960nm；树叶脉络型仿生单元体内部相邻两条同向倾斜仿生单元体起始点与热镦模具圆心连线的夹角θ1为9°、12°、18°，设任一外侧仿生单元体与圆形仿生单元体相交点为A，设任一内侧仿生单元体与圆形仿生单元体相交点为B，外侧直线仿生单元体与圆形仿生单元体A点的切线之间的夹角θ4为4°的单元体排布；内侧侧直线单元体与圆形单元体B点切线之间的夹角θ5为26°。激光加工参数：能量密度为：9.24J/mm2，电流为155A，脉宽为8ms，频率为5Hz，扫描速度为1mm/s，光斑直径1.52mm。
每条直线仿生单元体加工时间大约10s，圆环形仿生单元体加工时间大约为320s，树叶脉络型仿生单元体在三种热镦模具表面的分布密度(用仿生单元体加工条数表示)与加工效率(时间)和使用寿命的提高的关系如表2。
表2
实施例3
本实施例在制造表面具有仿生单元体的热镦模具时，根据回转热镦模具具体工况如：表面形状、易失效部位情况和工况需求，对热镦模具的表面进行激光仿生耐磨强化。根据母材材质，确定激光参数。如图4所示，在热镦模具工作表面制备一定密度,环形-条状复合型仿生单元体对热镦过程中的接触表面表面进行整体显著强化，尽量减小摩擦系数不阻碍滑动磨损的作用。
试样1：
碳含量:0.41(wt％)；合金元素含量：8.67(wt％)；仿生单元体特征参数：深度h为0.56mm，宽度w为1.53mm，硬度为680Hv，粗糙度Ra为6300nm；条状仿生单元体制备于两条圆环形仿生单元体内，各条状仿生单元体之间近似于平行，相邻条状仿生单元体之间的间距靠近内环处较小，靠近外环处稍大。仿生单元体之间的平均间距可以0-2mm范围内；激光加工参数：能量密度为：8.90J/mm2，电流为150A，脉宽为8ms，频率为5Hz，扫描速度为1mm/s，光斑直径1.52mm。
试样2：
碳含量：0.55(wt％)；合金元素含量：4.52(wt％)；仿生单元体特征参数：深度h为0.52mm，宽度w为1.37mm，硬度为710Hv，粗糙度为8760nm；条状仿生单元体制备于两条圆环形仿生单元体内，各条状仿生单元体之间近似于平行，相邻条状仿生单元体之间的间距靠近内环处较小，靠近外环处稍大。仿生单元体之间的平均间距可以0-2mm范围内；激光加工参数：能量密度为：7.96J/mm2，电流为140A，脉宽为8ms，频率为5Hz，扫描速度为1mm/s，光斑直径1.52mm。
试样3：
碳含量：0.37(wt％)；元素含量：9.37(wt％)；生单元体特征参数：深度h为0.63mm，宽度w为1.52mm，截面面积S为0.64mm2，硬度为700Hv，粗糙度Ra为5960nm；条状仿生单元体制备于两条圆环形仿生单元体内，各条状仿生单元体之间近似于平行，相邻条状仿生单元体之间的间距靠近内环处较小，靠近外环处稍大。仿生单元体之间的平均间距可以0-2mm范围内；激光加工参数：能量密度为：9.24J/mm2，电流为155A，脉宽为8ms，频率为5Hz，扫描速度为1mm/s，光斑直径1.52mm。
每条直线仿生单元体加工时间大约10s，两条圆环形仿生单元体加工时间大约为630s，环形-条状复合型仿生单元体在三种热镦模具表面的分布密度(用仿生单元体加工条数表示)与加工效率(时间)和使用寿命的提高的关系如表3。
表3
由表1、表2可以看出，圆环形树叶脉络状仿生单元体与网状仿生单元体相比，其加工时间短、效率高。由表3可以看出当仿生单元体密度较大时，能够显著提高热墩模具的使用寿命。
Claims (8)
1.一种热镦模具表面制备耦合仿生单元的方法，其特征在于该方法如下：采用激光熔凝方法，根据热镦模具的成分确定制备仿生单元体的激光加工能量密度，用激光束在热镦模具表面进行扫描，使得其表面熔化并快速凝固，在其表面形成仿生单元体；在碳含量为0.33-0.55(wt％)、合金元素总量为4.0-7.0(wt％)的热镦模具上加工仿生单元体采用激光加工能量密度为4.23-10.71J/mm2；在碳含量为0.33-0.55(wt％)、合金元素总量为7.0-10.0(wt％)的热镦模具上加工仿生单元体采用激光加工能量密度为6.63-16.27J/mm2；当激光加工能量密度为4.23-10.71J/mm2时，激光器功率为400W，电流为140-150A，脉宽为4-9ms，频率为2.5-7.5Hz，扫描速度为0.5-2.0mm/s，光斑直径1.52mm；当激光加工能量密度为6.63-16.27J/mm2时，激光器功率为400W，电流为150-165A，脉宽为5.5-12ms，频率为2.5-7.5Hz，扫描速度为0.5-2.0mm/s，光斑直径1.52mm。
2.根据权利要求1所述的热镦模具表面制备耦合仿生单元的方法，其特征在于碳含量为0.33-0.55(wt％)、合金元素总量为4.0-7.0(wt％)的热镦模具上加工的仿生单元体，其硬度为470-720HV，粗糙度Ra为5000-10000nm。
3.根据权利要求1所述的热镦模具表面制备耦合仿生单元的方法，其特征在于碳含量为0.33-0.55(wt％)、合金元素总量为7.0-10.0(wt％)的热镦模具上加工的仿生单元体，其硬度为560-750HV，粗糙度Ra为4000-8000nm。
4.根据权利要求1所述的热镦模具表面制备耦合仿生单元的方法，其特征在于还根据热镦模具的不同使用工况确定仿生单元体的分布；在连续使用时间相对较短或者对抗磨损性能及强韧性要求相对较低的热镦模具上制备间距相对较大的仿生单元体，在连续使用时间相对较长或者对抗磨损性能及强韧性要求相对较高的热镦模具上制备间距相对较小的仿生单元体。
5.一种采用如权利要求4所述的热镦模具表面制备耦合仿生单元的方法制备的热镦模具，其特征在于所述热镦模具的碳含量为0.33-0.55(wt％),合金元素总量为4.0-7.0(wt％)时，仿生单元体截面为弓形，其深度h为0.4-0.7mm，宽度w为1.0-1.6mm；热镦模具的碳含量为0.33-0.55(wt％)、合金元素总量为7.0-10.0(wt％)时，仿生单元体截面为弓形，其深度h为0.5-1.0mm，宽度w为1.4-2.0mm。
6.根据权利要求5所述的热镦模具，其特征在于所述热镦模具为回转体，其上表面制备圆环形网格状仿生单元体，圆环形内部网格状仿生单元体，其相邻两条同向倾斜仿生单元体起始点与回转体圆心连线之间的夹角θ1为9°-18°，仿生单元体与加工起点圆切线的夹角θ2为15°-30°。
7.根据权利要求5所述的热镦模具，其特征在于所述热镦模具为回转体，其上表面制备有圆环形树叶脉络状仿生单元体，圆环形内部中间制备一圆形仿生单元体作为树叶脉络状仿生单元体的中间脉络；圆形仿生单元体内侧相邻两条同向仿生单元体起始点与热镦模具圆心连线之间的夹角θ3为9°-18°，外侧相邻两条同向单元体起始点与热镦模具圆心连线之间的夹角θ3为9°-18°；设任一外侧仿生单元体与圆形仿生单元体相交点为A，设任一内侧仿生单元体与圆形仿生单元体相交点为B，外侧仿生单元体与圆形仿生单元体A点切线之间的夹角θ4为4°-10°；内侧直线单元体与圆形仿生单元体B点切线之间的夹角θ5为26°-35°。
8.根据权利要求5所述的热镦模具，其特征在于所述热镦模具为回转体，其上表面制备有圆环形-条状复合仿生单元体，条状仿生单元体制备于两条圆环形仿生单元体内，相邻条状仿生单元体之间的平均间距为0-2mm。
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