CN109158522B - 具有耦合仿生表面的大型曲轴模具 - Google Patents
具有耦合仿生表面的大型曲轴模具 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种具有耦合仿生表面的大型曲轴模具，该模具工作表面参照报废模具的磨损情况，根据受力大小、破坏方式以及磨损形貌不同分成三个区域：模腔内凸起部分为A区，模腔凹陷部分为B区，上下模合模的接触面为C区；A区制备密排的粗条纹单元体模型，可以有效的减缓磨损；B区制备稀疏的细条纹单元体模型，可以有效的阻碍疲劳裂纹的发展，以及减缓磨损；C区制备均匀排布的网格状单元体模型以增强模具圆弧过渡连接处的强度，可以有效的减缓磨损。本发明能够使模具工作表面的硬度、耐磨性和抗热裂纹发展的性能的得到显著的提高。
Description
技术领域
本发明属于金属材料表面强化技术领域，涉及一种具有耦合仿生表面强化的大型曲轴模锻模具。
背景技术
在大型曲轴锻造的过程中，模具需要承受巨大的冲击压力。模腔表面形状复杂，深浅不一，使得各模腔表面受力不均匀。当炽热的金属进入型腔后，型腔表面快速升温相当于进行了回火处理，流动的坯料对模腔产生冲刷、挤压和摩擦，使模具软化同时加剧磨损。在这个过程中不仅破坏了模具的表面粗糙度，导致锻件产生偏差，还会导致模具表面出现沟痕。此外在反复的锻造过程中模具要承受循环的热应力和磨损，使模具出现热裂纹和压塌等塑性变形。这些缺陷降低模具的质量，减少模具使用寿命导致模具失效而报废，造成极大的资源浪费。
以目前生产车间的情况来看，大型模具后期的强化处理方式以渗氮和热处理为主。渗氮和热处理会使模具表面形成韧性较差的硬化层。在实际生产过程中，模具工作面受到冲击压力的影响会使硬化层出现局部开裂。大型锻造模具局部出现裂纹就会影响到锻件的质量。因此以目前的处理方法并不能明显的提高模具的使用寿命。如果能使用一种方法针对大型曲轴模具的工作表面所受应力不同和磨损形貌不同，进行预处理则可以大大提高其性能和使用寿命，节约大量资源和生产成本。对此通过对自然界的观察知晓，土壤动物蝼蛄、蜣螂，以及穿山甲、马陆等长期在土壤中穿行，体表却不受损伤。经研究发现，承受挤压和摩擦较严重的体表都存在非光滑形态。所以采用激光熔凝的方法，在模具的工作表面加工出耦合仿生非光滑模型，来应对生产过程中产生的疲劳和磨损。
发明内容
本发明要解决的问题是提供了一种能够延长使用寿命的具有耦合仿生表面的大型曲轴模具。
为了解决上述技术问题，本发明的具有耦合仿生表面的大型曲轴模具，其工作表面分为三个区域：模腔内凸起部分为A区，模腔凹陷部分为B区，上下模合模的接触面为C区；A区制备有密排的粗条纹单元体模型，粗条纹单元体模型的宽度为a1，a1＝3.3-4.5mm,深度为b1，b1＝0.3-0.5mm,相邻粗条纹单元体模型间距为c1，c1＝1.1-1.5mm,粗条纹单元体模型的倾斜角度为β1，β1＝30°-50°；B区制备有稀疏排列的细条纹单元体模型，细条纹单元体模型的宽度为a2，a2＝1.1-1.5mm,深度为b2，b2＝0.7-1.1mm,相邻两条细条纹单元体模型间距为c2，c2＝2.2-3.6mm,细条纹单元体模型的倾斜角度为β2，β2＝30°-50°；C区制备有均匀排布的网格状单元体模型，网格状单元体模型由相互交叉的条状单元体构成,条状单元体的宽度为a3，a3＝1.1-1.2mm；深度为b3，b3＝0.6-0.9mm，倾斜角度为β3，β3＝30°-50°,相邻两条条状单元体间距为c3，c3＝1.5-2.2mm。
本发明参照报废模具的磨损情况，按照磨损形貌和犁沟深度并结合模具表面受力的计算机有限元分析结果，采用区块强化方式处理。根据受力大小、破坏方式以及磨损形貌不同将待处理部分分成三个区域。工作表面出现犁沟等磨损形貌的模腔内凸起部分为A区，磨损程度较小但热疲劳纹较多的模腔凹陷部分为B区和具有疲劳纹和较浅犁沟的上下模合模的接触面为C区；A区制备密排的粗条纹单元体模型，可以有效的减缓磨损；B区制备稀疏的细条纹单元体模型，可以有效的阻碍疲劳裂纹的发展，以及减缓磨损；C区制备均匀排布的网格状单元体模型以增强模具圆弧过渡连接处的强度，可以有效的减缓磨损。
所述粗条纹单元体模型、细条纹单元体模型、网格状单元体模型的维氏硬度为502HV-620HV，组织为细化的马氏体和铁素体，晶粒平均尺寸为2-4μm。
粗条纹单元体模型，使用能量密度在16.62-22.26J/mm2，离焦量为98-99mm的激光光束进行加工，扫描速度为0.5-1.5mm/s。
所述粗条纹单元体模型的截面形貌为U型，宽深比范围在6.6-15。
所述细条纹单元体模型，使用能量密度在27.66-29.95J/mm2，离焦量为98-99mm的激光光束进行加工；扫描速度为0.5-1.5mm/s。
所述细条纹单元体模型的截面形貌为U型，宽深比范围在1-2.15。
所述大型曲轴模具材料为4Cr2MoVNi；网格状单元体模型，使用能量密度在22.26-27.66J/mm2，离焦量为98-99mm的激光光束进行加工，扫描速度为0.5-1.5mm/s。
所述网格状单元体模型的截面形貌为U型，宽深比范围在1-2.15。
本发明利用仿生原理，采用激光熔凝的方法在曲轴模具工作表面制备均匀分布、晶粒组织细化的粗条纹单元体模型、细条单元体模型和网格状单元体模型。单元体与母材形成了软硬相间的仿生物体结构。细化后的单元体不仅使得其硬度提高而且如同在模具表面形成钉扎起到强化作用，母体材料将单元体包围连成一个整体使其表面所受应力更加均匀，使模具工作表面的硬度、耐磨性和抗热裂纹发展的性能的得到显著的提高。
本发明是在材料为B2(4Cr2MoVNi)的大型曲轴模具表面制备仿生单元体。模具的工作压力为12500吨，工作温度在400℃左右。由于B2(4Cr2MoVNi)这种材料不同于其他模具材料，其在激光熔凝时易产生飞溅使其表面粗糙程度提高而导致锻件质量下降。所以在激光加工单元体的过程中，若有一项激光参数选择的不适合都会导致实验的失败。因此用控制单一变量的方法，通过改变电流、脉宽、频率等参数后所做实验得到大量的数据。从中挑选单元体性能较好的参数进行反复微调后确定能量密度范围，使得模具仿生单元体的硬度达到502HV-620HV，高于模具母材硬度30.4％-61.0％；晶粒平均尺寸为2-4μm。
本发明采用了激光熔凝这种表面处理的方法，结合机械手臂可以灵活的加工形状复杂的模具表面，提高模具表面强度及模具抗磨损的能力，使模具的使用寿命得到延长。利用机械手臂与激光器的结合，易于实现自动化生产，节约人力资源。
相比较传统渗氮处理工艺，所述模具采用激光熔凝的方法制备单元体模型，具有加工方便灵活，模具后期处理工时短，易于实现自动化生产，节约人力资源，减少污染排放的特点。熔凝处理后的模具表面形成软硬相间的仿生结构，可以减少模具表面的残余应力。从而增强模具的抗疲劳、抗磨损的能力，达到延长模具使用寿命的目的。所述加工设备由6+3自由度机械手臂夹持的激光器与旋转工作台连接后，在大型曲轴模具工作面进行激光耦合仿生强化处理，以达到模具表面强化、延长使用寿命。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细说明：
图1是受损模具的局部图片。
图2a是A区展开示意图，图2b粗条纹单元体模型的剖面图。
图3a是B区展开示意图，图3b细条纹单元体模型的剖面图。
图4a是C区展开示意图，图4b网格状单元体模型的剖面图。
图5a是单元体组织照片，图5b是单元体电镜照片。
具体实施方式
本发明的大型曲轴模具，其工作表面采用激光强化处理制备耦合仿生表面。根据仿生理论，采用激光熔凝的方法通过在模具表面制备不同形貌的仿生单元体模型来提高硬度，能够更好的满足模具在工作状态时的要求。所获得的单元体类似于生物表面的硬质单元。相比于母材单元体内晶粒组织得到明显的细化，硬度得到明显的提高。
实施案例
如图1所示，参照报废大型曲轴模具的磨损情况，本发明按照磨损形貌和犁沟深度并结合模具表面受力的计算机有限元分析结果，采用区块强化方式处理。根据受力大小、破坏方式以及磨损形貌不同将大型曲轴模具工作表面分成三个区域。工作表面出现犁沟等磨损形貌的模腔内凸起部分为A区，磨损程度较小但热疲劳纹较多的模腔凹陷部分为B区，具有疲劳纹和较浅犁沟的上下模合模的接触面为C区；三个区域分别制备不同的耦合仿生模型。
针对磨损较大的A区工作表面，制备密排的粗条纹单元体模型。如图2a、图2b所示，粗条纹单元体模型宽度为a1，a1＝3.3-4.5mm，深度为b1，b1＝0.3-0.5mm；相邻粗条纹单元体模型间距为c1，c1＝1.1-1.5mm；粗条纹单元体模型的倾斜角度为β1，β1＝30°-50°；使用能量密度在16.62-22.26J/mm2，离焦量为98-99mm的激光光束进行加工，扫描速度为0.5-1.5mm/s。
粗条纹单元体模型宽深比范围在6.6-15，使得单元体模型覆盖到A区表面，增加模具表面硬度，提高模具的耐磨性。在磨损实验中观察发现，未处理的试验试样的磨损失重比为0.993％，而表面制备粗条纹单元体模型的试样的磨损失重比为0.397％。相对于未处理试样，A区域的耐磨性提高两倍以上。
针对磨损较小，疲劳裂纹出现密集的B区工作表面，制备细条纹单元体模型。如图3a、图3b所示，细条纹单元体模型的宽度为a2，a2＝1.1-1.5mm；深度为b2，b2＝0.7-1.1mm；相邻两条细条纹单元体模型中心间距离为c2，c2＝2.2-3.6mm；细条纹单元体模型的倾斜角度为β2，β2＝30°-50°。使用能量密度在27.66-29.95J/mm2，离焦量为98-99mm的激光光束进行加工；扫描速度为0.5-1.5mm/s。
细条纹单元体模型宽深比范围在1-2.15，使得单元体模型覆盖到B区表面。增加单元体模型的深度，能够提高模具的抗疲劳性能。在疲劳实验中观察发现，在未处理的试验试样表面，出现长度超过1mm的疲劳裂纹数量为123条，而表面制备细条纹单元体模型的试样表面疲劳裂纹数量为56条，且长度为0.7mm。相对于未处理试样，B区的抗疲劳性能提高两倍以上。
针对具有疲劳纹和较浅犁沟的上下模合模的接触面C区工作表面，制备网格状单元体模型。网格状单元体模型由相互交叉的条状单元体构成；条状单元体的宽度为a3，a3＝1.1-1.2mm；深度为b3，b3＝0.6-0.9mm，倾斜角度为β3，β3＝30°-50°；相邻两条条状单元体间距为c3，c3＝1.5-2.2mm。使用能量密度在22.26-27.66J/mm2，离焦量为98-99mm的激光光束进行加工，扫描速度为0.5-1.5mm/s。
条状单元体宽深比范围在1-2.15，使得网格状单元体模型覆盖C区表面。适当增加网格状单元体模型的深度，能够提高模具的抗疲劳性能。将模型设计成网格状，能够增加其抵抗磨损性能。在疲劳实验中观察发现，在未处理的试验试样表面，出现长度超过1mm的疲劳裂纹数量为123条，而表面制备网格状单元体模型的试样表面疲劳裂纹数量为43条，且长度为0.3mm。相对于未处理试样，C区的抗疲劳性能提高两倍以上；在磨损实验中观察发现，未处理的试验试样的磨损失重比为0.993％，而表面制备网格状单元体模型的试样的磨损失重比为0.717％。相对于未处理试样，C区的耐磨性提高接近一倍。
以B2(4Cr2MoVNi)这种曲轴模具材料为例，其硬度为320HV，室温下屈服强度1237MPa，抗拉强度1395MPa。
在B2(4Cr2MoVNi)曲轴模具表面制备仿生单元体后单元体参数性能见表1，使用激光参数见表2，激光熔凝处理后仿生单元体的平均力学性能及表面粗糙度见表3。生产车间每套模具生产锻件的数量为使用寿命。表面粗糙度越大对锻件表面质量影响越大。在不影响锻件的后期加工的情况下，调节激光参数，可以优化模具表面光洁度。
表1
表2
表3
Claims (8)
1.一种具有耦合仿生表面的大型曲轴模具，其特征在于该模具工作表面按照受力大小、破坏方式以及磨损形貌不同分为三个区域：模腔内凸起部分为A区，模腔凹陷部分为B区，上下模合模的接触面为C区；A区制备有密排的粗条纹单元体模型，粗条纹单元体模型的宽度为a1，a1＝3.3-4.5mm,深度为b1，b1＝0.3-0.5mm,相邻粗条纹单元体模型间距为c1，c1＝1.1-1.5mm,粗条纹单元体模型的倾斜角度为β1，β1＝30°-50°；B区制备有稀疏排列的细条纹单元体模型，细条纹单元体模型的宽度为a2，a2＝1.1-1.5mm,深度为b2，b2＝0.7-1.1mm,相邻两条细条纹单元体模型间距为c2，c2＝2.2-3.6mm,细条纹单元体模型的倾斜角度为β2，β2＝30°-50°；C区制备有均匀排布的网格状单元体模型，网格状单元体模型由相互交叉的条状单元体构成,条状单元体的宽度为a3，a3＝1.1-1.2mm；深度为b3，b3＝0.6-0.9mm，倾斜角度为β3，β3＝30°-50°,相邻两条条状单元体间距为c3，c3＝1.5-2.2mm。
2.根据权利要求1所述的具有耦合仿生表面的大型曲轴模具，其特征在于所述粗条纹单元体模型、细条纹单元体模型、网格状单元体模型的维氏硬度为502HV-620HV，组织为细化的马氏体和铁素体，晶粒平均尺寸为2-4μm。
3.根据权利要求2所述的具有耦合仿生表面的大型曲轴模具，其特征在于粗条纹单元体模型，使用能量密度在16.62-22.26J/mm2，离焦量为98-99mm的激光光束进行加工，扫描速度为0.5-1.5mm/s。
4.根据权利要求1所述的具有耦合仿生表面的大型曲轴模具，其特征在于所述粗条纹单元体模型的截面形貌为U型，宽深比范围在6.6-15。
5.根据权利要求2所述的具有耦合仿生表面的大型曲轴模具，其特征在于所述细条纹单元体模型，使用能量密度在27.66-29.95J/mm2，离焦量为98-99mm的激光光束进行加工；扫描速度为0.5-1.5mm/s。
6.根据权利要求1所述的具有耦合仿生表面的大型曲轴模具，其特征在于所述细条纹单元体模型的截面形貌为U型，宽深比范围在1-2.15。
7.根据权利要求2所述的具有耦合仿生表面的大型曲轴模具，其特征在于所述大型曲轴模具材料为4Cr2MoVNi；网格状单元体模型，使用能量密度在22.26-27.66J/mm2，离焦量为98-99mm的激光光束进行加工，扫描速度为0.5-1.5mm/s。
8.根据权利要求1所述的具有耦合仿生表面的大型曲轴模具，其特征在于所述网格状单元体模型的截面形貌为U型，宽深比范围在1-2.15。
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Legal Events
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| GR01 | Patent grant | ||
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Granted publication date: 20210430 |
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