CN110283968B - 一种模具激光表面硬化处理工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明创造提供了一种模具激光表面硬化处理工艺，具体步骤包括：对模具材料表面进行预处理；用硬度计测量硬化前基材的硬度，并记录该硬度数值；对模具非工作区域进行摸参数，找到合适该模具完全相变点的参数；规划淬火硬化工艺路径，确保淬火硬化区域均覆盖；对模具整体进行激光硬化相变处理；最后进行硬度检验。本发明创造所述的通过激光表面硬化的方式，针对模具表面各个不同区域及各区域间工艺路径规划合理，淬火硬化区域被完全覆盖，有效提高模具加工质量和使用寿命。
Description
技术领域
本发明创造属于模具表面改性技术领域，尤其是涉及一种模具激光表面硬化处理工艺。
背景技术
模具，由于其结构尺寸大，模具型面形状复杂，尺寸精度和表面质量要求高，使得模具制造周期长，成本高。尤其对于汽车模具这种在工作过程中要承受强烈的摩擦、径向应力及压缩应力，在生产使用过程中经常出现冲压出的覆盖件表面精度不够或尺寸偏差等现象。汽车模具通常釆用合金铸铁铸造而成，一般都需要后续表面处理。传统的一些处理手段如火焰淬火存在工艺上的不足，在生产使用过程中经常出现冲压出的覆盖件表面精度不够或尺寸偏差等现象。汽车模具的表面状态直接影响产品质量和模具使用寿命，亟需对现有的模具表面强化处理工艺进行改进。
模具利角是模具组成的重要部分，也是在生产的过程中对生产的零件质量评估起到至关重要的作用，在冲压工序的过程中模具利角所受作用力的大小和板料的力学性能、厚度等因素有关。对于冲裁模在正常的使用过程中，模具因摩擦产生的利角磨损是主要的失效形式。
模具利角磨损过程可分为初期磨损，正常磨损和急剧磨损三个阶段。
利角初期磨损阶段：模具利角与板料相碰时接触面积很小，利角的单位压力很大，造成利角端面的塑性变形，一般称为塌陷磨损。其磨损速度较快。
利角正常磨损阶段：当利角初期磨损达到一定程度后，利角部位的单位压力逐渐减轻，同时利角表面因应力集中产生应变硬化。这时，利角和被加工坯料之间的摩擦磨损成为主要磨损形式。
利角急剧磨损阶段：利角经长期工作以后，经受了频繁冲压会产生疲劳磨损，表面出现了损坏剥落。此时进入了利角急剧磨损阶段，磨损加剧，利角呈现疲劳破坏，模具已无法正常工作。模具使用时，必须控制在正常磨损阶段以内，出现急剧磨损时，要立即利角磨损修复。因此，利角磨损会直接导致模具使用寿命的缩短，也会导致所生产的零件质量不合格率较高，因此，有效保证利角的耐磨程度尤为重要。
总之，随着我国汽车工业部门的发展，对模具工业提出了更高的要求，特別是对如何提高模具加工质量和使用寿命的要求更加迫切。
发明内容
有鉴于此，本发明创造旨在克服现有技术中存在的问题，提出一种模具激光表面硬化处理工艺。
为达到上述目的，本发明创造的技术方案是这样实现的：
一种模具激光表面硬化处理工艺，包括如下步骤：
S1，对模具材料表面进行预处理；
S2，用硬度计测量硬化前基材的硬度，并记录该硬度数值；
S3，对模具非工作区域进行摸参数，找到合适该模具完全相变点的参数；
S4，规划淬火硬化工艺路径，确保淬火硬化区域均覆盖；
S5，对模具整体进行激光硬化相变处理；
S6，进行硬度检验。
进一步，在对模具非工作区域进行摸参数之前，先对工件表面进行探伤检测，排除裂纹、沙眼等缺陷。
进一步，在对模具整体进行激光硬化相变处理前，先进行工艺路径整体试运行，检查硬化区域是否完全覆盖。
进一步，找到适合模具完全相变点的参数的步骤如下，
第一步：在模具的同种材质部位非工作面上进行摸参数；
第二步：将焊接机器人移动到选择好的区域内进行轨迹试教；
第三步：调整工艺参数；
第四步：开激光器、开冷水机、开保护气体，进行硬化处理；
第五步：用工业纱布将模具表面的氧化层抛光处理；
第六步：使用硬度计对表面进行测量相变后的表面硬度，并记录硬度以及对应的参数；
第七步：将记录后的硬化测量值数据和与基材可到硬度值进行比对；
第八步：如果硬度接近，就可以执行下一步；如果硬度不到，则重新执行第三到七步。
进一步，在进行摸参数前先对需要做硬化处理的模具材质进行参数查阅，参数包括材质含碳量、相变温度、材质的淬火相变硬度可到值进行整理记录。
进一步，工艺参数包括功率、机器人移动扫描速度、焦距、光斑尺寸、离焦量、搭接量以及保护气气压。
进一步，进行硬度检验时，采用里氏硬度计对表面进行硬度测量，每个点分别测量三个点的硬度选取平均值进行标记该点的硬度数值。
进一步，淬火硬化的工艺路径为：先淬火利角区域，其次淬火弧面，最后淬火平面区域。
进一步，对利角区域的硬化处理划分为三道工序，
第一道利角边区硬化采用喷边技术处理：
第一步：将激光器的红光指示按钮打开；
第二步：将机器人移动到模具利角边沿上，记录机器人在模具利角边沿的位置；
第三步：通过激光器的红光进行位置优化调整，将激光器实心红光对齐模具利角边，沿着模具利角边上进行逐一的对光调整优化相对应的位置，并更新记录调整后的位置；
第四步：不出光试运行程序，检查是否满足喷边要求；
第五步：开激光、开冷水机、开保护气对试教完成的程序进行硬化处理；
第二道覆盖搭接区硬化采用覆盖搭接技术处理：
第一步：将机器人移动到距离模具利角边上5mm处作为起始点，并记录机器人的位置；
第二步：通过激光器的红光进行位置优化调整，确保起始点结束点的第二道覆盖搭接区硬化路径距离第一道利角边区路径都是5mm的距离；
第三步：选用第一组摸参数硬化区域的参数进行硬化处理；
第四步：开激光、开冷水机、开保护气对试教完成的程序进行硬化处理；
第五步：确认第一道利角边区和第二道覆盖搭接区硬化搭接覆盖区域为15MM；
第三道相变区硬化和第二道覆盖搭接区硬化之间的搭接量为3MM的覆盖区域。
进一步，对模具材料表面进行预处理的操作如下，
第一步：使用C2H5OH纯度为99％工业酒精对模具表面进行清理；
第二步：使用抹布对模具表面进行擦干净；
第三步：使用ZJ-822B工业重油污清洗剂，按清洗剂和水3:1的比例稀释调配，对模具表面需要硬化处理的区域进行清洗；
第四步：再使用高纯度工业酒精对模具表面进行整体清理。
相对于现有技术，本发明创造具有以下优势：
本发明创造所述的通过激光表面硬化的方式，针对模具表面各个不同区域及各区域间工艺路径规划合理，淬火硬化区域被完全覆盖，有效提高模具加工质量和使用寿命。
附图说明
构成本发明创造的一部分的附图用来提供对本发明创造的进一步理解，本发明创造的示意性实施例及其说明用于解释本发明创造，并不构成对本发明创造的不当限定。在附图中：
图1为本发明创造实施例中718H为基材所采用模具的示意图；
图2为本发明创造实施例中718S为基材所采用模具的示意图；
图3为本发明创造实施例中2738为基材所采用模具的示意图；
图4为图3的立体结构示意图；
图5为本发明创造实施例中淬火覆盖区域处的结构示意图。
附图标记说明：
1-利角区域；2-凸台区域；3-弧面区域；4-曲面区域；5-平面区域；6-摸参数区域；7-利角淬火区；8-淬火覆盖区；9-面淬火搭接区。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明创造中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在本发明创造的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明创造和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明创造的限制。在本发明创造的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明创造的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明创造中的具体含义。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明创造。
激光淬火是通过具有足够功率密度的激光束的照射，快速加热金属表面使其达到相变温度以上，金属材料内部则保持冷态，在停止加热后，由于热传导使表层金属急剧冷却，从而达到淬火的目的.
本发明正是基于上述技术条件基础而创造的一种模具激光表面硬化处理工艺，包括如下步骤：
步骤S1，对模具材料表面进行预处理；
对模具材料表面进行预处理的操作分三步进行，
第一步：使用C2H5OH纯度为99％工业酒精对模具表面进行清理；
第二步：使用抹布对模具表面进行擦干净；
第三步：使用ZJ-822B工业重油污清洗剂，按清洗剂和水3:1的比例稀释调配，对模具表面需要硬化处理的区域进行清洗；
具体清洗方法：将清洗剂打开进行调配，按照清洗剂和水的比例是3:1的比例进行稀释调配，调配完成后沿着需要硬化区域的模具表面进行喷刷，清洗剂喷刷上等待15分钟，可直接清洗去除表面的污渍和油渍，使得模具表面无污渍存在。
由于清洗剂包含强烈的渗透乳化剂、锈抑制剂、稳定剂混合液增强对污垢的溶解能力，可以快速的去除模具表面的污垢，该方法的可以清洗防锈油、冲压油、拉伸油、润滑油、燃料油以及某些特定的污垢杂质等，使用方便，操作起来便捷，可运用多种污垢清洗；
第四步：再使用高纯度工业酒精对模具表面进行整体清理。
步骤S2，用硬度计测量硬化前基材的硬度，并记录该硬度数值；
步骤S3，对模具非工作区域进行摸参数，找到合适该模具完全相变点的参数；具体步骤如下：
在进行摸参数前先对需要做硬化处理的模具材质进行参数查阅，参数包括材质含碳量、相变温度、材质的淬火相变硬度可到值进行整理记录。
第一步：在模具的同种材质部位非工作面上进行摸参数；
第二步：将焊接机器人移动到选择好的区域内进行轨迹试教；
第三步：调整工艺参数，所述的工艺参数包括功率、机器人移动扫描速度、焦距、光斑尺寸、离焦量、搭接量以及保护气气压；通常，调整时不能同时变化二个或者二个以上的变量，以确保直观的体现出各个参数的影响；
第四步：开激光器、开冷水机、开保护气体，进行硬化处理；
第五步：用工业纱布将模具表面的氧化层抛光处理；
第六步：使用硬度计对表面进行测量相变后的表面硬度，并记录硬度以及对应的参数；
第七步：将记录后的硬化测量值数据和与基材可到硬度值进行比对；
第八步：如果硬度接近，就可以执行下一步；如果硬度不到，则重新执行第三到七步。
步骤S4，规划淬火硬化工艺路径，确保淬火硬化区域均覆盖，且淬火时涉及不到不需要淬火的区域；
步骤S5，开激光器、开冷水机、开保护气体，对模具整体进行激光硬化相变处理；本发明采用的是氮气作为保护气体，将氮气瓶口的气体调节阀调节到6-10mbar之间，确保在激光淬火硬化的过程中保护气体中的氮原子会受激光高温与模具表面的基体的碳原子产生部分渗氮，正是由于保护气体中氮原子参与淬火硬化，使得模具表面的硬度和模具表面的耐磨性得到提高；
步骤S6，最后进行硬度检验。硬度检验时，采用里氏硬度计对表面进行硬度测量，每一点均是分别测量三个点的硬度，选取平均值进行标记该点的硬度数值。
采用激光淬火不但能避免现有基础中常规的火焰淬火导致的表面精度和尺寸偏差等问题，而且可对工件局部表面进行强化，其硬化层可精确控制，其工艺过程易实现电脑控制的生产自动化。
本发明在对模具整体进行激光硬化相变处理前，通常先进行工艺路径整体试运行，检查硬化区域是否完全覆盖。在一个可选的实施例中，在进行激光硬化相变处理前，可先在模具工件表面涂一层薄薄的含碳量10％的白色吸光涂料(白色吸光涂料可选用主要成分为Al2O3和SiO2的涂料)；
取吸光涂料15g,放入杯中，加入300ml酒精，0.2g虫胶，稀释混匀，刷涂在模具表面上；所采用的白色涂料可以使得模具基体表面处于的温度持续一段时间，确保有更多的相变发生，选择使用白色涂料是因为激光通过白色涂料后可以通过原子进行二次折射对基体再次进行激光加热，使得模具的表面相变持续时间加长、硬化层加深，硬度有所提高。
在对模具摸参数区域6(非工作区域)进行摸参数之前，先对工件表面进行探伤检测，排除裂纹、沙眼等缺陷。
准备材料：着色探伤清洗剂一瓶、着色探伤渗透剂一瓶、着色探伤显像剂一瓶。通常用H-ST型着色渗透探伤剂检测。
检测操作如下：
第一步：承接工艺流程A在材料表面使用着色探伤清洗剂将材料表面清洗干净，表面没有明显的污物，如油污、锈蚀、切屑、漆层等，然后用清洗剂充分洗净。最后待清洗剂挥发干净，使得被检材料表面保持干燥；
第二步：将清理干净的材料放置好，然后将着色探伤渗透剂对被检材料表面进行均匀喷涂，喷涂完毕之后，等待约渗透5-15分钟；
第三步：等待约渗透5-15分钟之后，使用清洗剂将喷在工件表面的渗透剂清洗干净，使得被检材料表面清洁，最后用干净的白布擦干；
第四步：将被测材料表面的渗透剂清理干净并擦干之后，将显像剂充分摇匀，对被检材料表面保持距离150mm-300mm均匀喷涂，等待几分之后，即可显示模具本身的缺陷。
第五步：在被测材料表面喷涂显像剂后，观察模具材料表面，直至迹痕的大小不发生变化为止，必要时可进行多次探伤；
第六步：清除多余的渗透剂时，应防止过清洗或清洗不足(保证工件表面没有渗透剂即可)。
目前大部分的激光淬火硬化程序都是使用机器人现场试教程序进行激光淬火，但是手动现场试教工作量大，精准度不够高，工作效率低下，工艺路径不容易控制，规划出现不合理过程繁琐等情况。
而使用离线编程可节约大部分试教时间，工作效率优速提升，工艺路径可以提前处理，精准度高于现场试教等多方面的优势。因此，规划淬火工艺路径时，采用离线编程软件进行编程(如现有的Tebis离线编程软件)。
在Tebis离线编程处理中对工艺路径进行规划：
首先淬火利角区域1，其次淬火凸台区域2、弧面区域3、曲面区域4，最后淬火平面区域5；
在Tebis数据处理中对整个数据进行分项选择；
首先选取需要激光淬火硬化的区域进行处理，其次将不需要激光淬火硬化的数据过滤到不需要处理的工作层里面。
程序编制完成后在仿真界面对轨迹进行仿真，启动设备仿真按钮进行程序试运行仿真，仿真的过程中对工艺路径进行仿真模拟观察检查是否有不合理、是否和激光头发生干涉的地方，对其校准修改。设备试运行程序优化完成后，开气、开光、开水对模具表面进行激光淬火处理。
本发明中对利角区域的硬化处理划分为三道工序，
第一道利角边区硬化采用喷边技术处理：
第一步：将激光器的红光打开；
第二步：将机器人移动到模具利角边沿上，记录机器人在模具利角边沿的位置；
第三步：通过激光器的红光进行位置优化调整，将激光器额实心红光对齐模具利角边，沿着模具利角边上进行逐一的对光调整优化相对应的位置，并更新记录调整后的位置；
第四步：不出光试运行程序，检查是否满足喷边要求；
第五步：开激光、开冷水机、开保护气对试教完成的程序进行硬化处理；
第二道覆盖搭接区硬化采用覆盖搭接技术处理：
第一步：将机器人移动到距离模具利角边上5mm处作为起始点，并记录机器人的位置；
第二步：通过激光器的红光进行位置优化调整，确保起始点结束点的第二道覆盖搭接区硬化路径距离第一道利角边区路径都是5mm的距离；
第三步：选用第一组摸参数硬化区域的参数进行硬化处理；
第四步：开激光、开冷水机、开保护气对试教完成的程序进行硬化处理；
第五步：确认第一道利角边区和第二道覆盖搭接区硬化搭接覆盖区域为15MM；
第三道相变区硬化和第二道覆盖搭接区硬化之间的搭接量为3MM的覆盖区域。
如图5所示，淬火覆盖区域8的淬火硬化会将利角淬火区域7进行二次淬火，与平面区域形成面淬火搭接区9，使得淬火利角区域的马氏体完全转变的热处理过程从而提升相变硬度，提高模具使用寿命，耐磨性，确保生产出来的零件质量有所保证。
利角硬化处理后进行凸台硬化处理：
第一步：将机器人移动到凸台位置对其进行试教，记录保存程序；
第二步：调用凸台硬化组参数对其进行硬化处理；
第三步：开激光、开冷水机、开保护气对试教完成的程序进行硬化处理；
确保每二道之间的搭接量为3MM的覆盖区域。
之后进行平面硬化处理：
第一步：将机器人移动到平面位置对其进行试教，记录保存程序；
第二步：调用平面硬化组参数对其进行硬化处理；
第三步：开激光、开冷水机、开保护气对试教完成的程序进行硬化处理；
确保每二道之间的搭接量为3MM的覆盖区域。
之后曲面以及弧面硬化处理：
第一步：将机器人移动到曲面及弧面位置对其进行试教，记录保存程序；
第二步：调用曲面以及弧面硬化组参数对其进行硬化处理；
第三步：开激光、开冷水机、开保护气对试教完成的程序进行硬化处理；
确保每二道之间的搭接量为3MM的覆盖区域。
实施例1
718H为基材，如图1所示，在淬火时，采用“德国DILAS,3KW”进口半导体激光器扫描涂有含碳量10％的吸光涂料的区域。激光功率为1300W、1600W，扫描速度480mm/min、600mm/min，光斑尺寸15mm*2mm，激光器焦距405mm，淬火完后硬度在HRC58-62，淬火层深在0.8-1.5mm。客户需求淬火硬度为HRC50-54，淬火深度0.8mm,变形量控制0.01mm。参数表1：
经过使用以上参数，通过三坐标检测反馈变形量在0.001mm以内，硬度深度均满足需求。
实施例2
718S为基材，如图2所示，在淬火时，采用“德国DILAS,3KW”进口半导体激光器扫描涂有含碳量10％的吸光涂料的区域。激光功率为1300W、1600W，扫描速度480mm/min、600mm/min，光斑尺寸15mm*2mm，激光器焦距405mm，淬火完后硬度在HRC58-62，淬火层深在0.8-1.5mm。客户需求淬火硬度为HRC50-54，淬火深度0.8mm,变形量控制0.01mm。参数表2：
经过上述实例1和实例2的验证，以上参数均可使用在718模具钢上，并且都能满足实际生产需求的验证。
实施例3
2738为基材，如图3和4所示，经过上述A-G的工艺流程后，在淬火时，采用“德国DILAS,3KW”进口半导体激光器扫描。基本参数为激光功率为1800W，扫描速度540-720mm/min，光斑尺寸15*2mm，激光器焦距380mm，客户要求淬火完后硬度在HRC55-60左右，淬火层深在0.8-1.5mm。参数表3：
以上所述仅为本发明创造的较佳实施例而已，并不用以限制本发明创造，凡在本发明创造的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明创造的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种模具激光表面硬化处理工艺，其特征在于，包括如下步骤：
S1，对模具材料表面进行预处理；具体操作如下，
第一步：使用C2H5OH纯度为99％工业酒精对模具表面进行清理；
第二步：使用抹布对模具表面进行擦干净；
第三步：使用ZJ-822B工业重油污清洗剂，按清洗剂和水3:1的比例稀释调配，对模具表面需要硬化处理的区域进行清洗；
第四步：再使用高纯度工业酒精对模具表面进行整体清理；
S2，用硬度计测量硬化前基材的硬度，并记录该硬度数值；
S3，对模具非工作区域进行摸参数，找到合适该模具完全相变点的参数；
找到适合模具完全相变点的参数的步骤如下，
第一步：在模具的同种材质部位非工作面上进行摸参数；
第二步：将焊接机器人移动到选择好的区域内进行轨迹试教；
第三步：调整工艺参数；
第四步：开激光器、开冷水机、开保护气体，进行硬化处理；其中，利用氮气作为保护气体；
第五步：用工业纱布将模具表面的氧化层抛光处理；
第六步：使用硬度计对表面进行测量相变后的表面硬度，并记录硬度以及对应的参数；
第七步：将记录后的硬化测量值数据和与基材可到硬度值进行比对；
第八步：如果硬度接近，就可以执行下一步；如果硬度不到，则重新执行第三到七步；
S4，规划淬火硬化工艺路径，确保淬火硬化区域均覆盖；淬火硬化的工艺路径为：先淬火利角区域，其次淬火弧面，最后淬火平面区域；
其中，对利角区域的硬化处理划分为三道工序，
第一道利角边区硬化采用喷边技术处理：
第一步：将激光器的红光指示按钮打开；
第二步：将机器人移动到模具利角边沿上，记录机器人在模具利角边沿的位置；
第三步：通过激光器的红光进行位置优化调整，将激光器额实心红光对齐模具利角边，沿着模具利角边上进行逐一的对光调整优化相对应的位置，并更新记录调整后的位置；
第四步：不出光试运行程序，检查是否满足喷边要求；
第五步：开激光、开冷水机、开保护气对试教完成的程序进行硬化处理；
第二道覆盖搭接区硬化采用覆盖搭接技术处理：
第一步：将机器人移动到距离模具利角边上5mm处作为起始点，并记录机器人的位置；
第二步：通过激光器的红光进行位置优化调整，确保起始点结束点的第二道覆盖搭接硬化路径距离第一道利角边区路径都是5mm的距离；
第三步：选用第一组摸参数硬化区域的参数进行硬化处理；
第四步：开激光、开冷水机、开保护气对试教完成的程序进行硬化处理；
第五步：确认第一道利角边区和第二道覆盖搭接区硬化搭接覆盖区域为15MM；
第三道相变区硬化和第二道覆盖搭接区硬化之间的搭接量为3MM的覆盖区域；
S5，在模具工件表面涂一层薄薄的含碳量10％的白色吸光涂料，该白色吸光涂料主要成分为Al2O3和SiO2的涂料；具体的，取吸光涂料15g,放入杯中，加入300ml酒精，0.2g虫胶，稀释混匀，刷涂在模具表面上，之后对模具整体进行激光硬化相变处理；
S6，进行硬度检验。
2.根据权利要求1所述的一种模具激光表面硬化处理工艺，其特征在于：在对模具非工作区域进行摸参数之前，先对工件表面进行探伤检测，排除裂纹、沙眼缺陷。
3.根据权利要求1所述的一种模具激光表面硬化处理工艺，其特征在于：在对模具整体进行激光硬化相变处理前，先进行工艺路径整体试运行，检查硬化区域是否完全覆盖。
4.根据权利要求1所述的一种模具激光表面硬化处理工艺，其特征在于：在进行摸参数前先对需要做硬化处理的模具材质进行参数查阅，参数包括材质含碳量、相变温度、材质的淬火相变硬度可到值进行整理记录。
5.根据权利要求1所述的一种模具激光表面硬化处理工艺，其特征在于：工艺参数包括功率、机器人移动扫描速度、焦距、光斑尺寸、离焦量、搭接量以及保护气气压。
6.根据权利要求1所述的一种模具激光表面硬化处理工艺，其特征在于：进行硬度检验时，采用里氏硬度计对表面进行硬度测量，每个点分别测量三个点的硬度选取平均值进行标记该点的硬度数值。
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