CN110695534B - 一种高效高精打磨抛光复杂模具的激光加工方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种高效高精打磨抛光复杂模具的激光加工方法，属于激光加工技术领域，具体包括三个步骤：步骤一，选取具有复杂曲面的模具钢，测试其原始表面粗糙度及表面几何特征尺寸；步骤二，设定激光参数及抛光区域进行激光抛光；步骤三，激光抛光完后，测试其表面粗糙度及表面几何特征尺寸，最后计算抛光效率。与现有技术相比，本发明取得的技术突破在于可以抛光传统方法不能打磨的复杂模具表面，不仅提高了塑料模具钢的表面光洁度，抛光效率高，精度高，对原有模具外形几何特征尺寸的影响小，而且提高了塑料模具钢的表面力学性能，抛光效率可达390cm2/h，达到了模具表面“控形控性”的目的。

Description

一种高效高精打磨抛光复杂模具的激光加工方法
技术领域
本发明属于激光加工技术领域，具体涉及一种高效高精打磨抛光复杂模具的激光加工方法。
研究背景
在模具制造过程中，为消除其表面的磨削、铣削和电火花等粗糙划痕，表面抛光成了必不可少的工序。但随着航空航天、汽车电子、医疗器械等行业中产品的多样化，零件多为自由曲面，对模具的外形尺寸、表面光洁度提出了更为严格的要求，使抛光难度进一步增大。
另一方面，针对塑料模具钢而言，在使用过程中不可避免承受着磨损、热疲劳、冲蚀、应力腐蚀等物理和化学作用，主要失效形式有疲劳失效、磨损失效、断裂失效和塑性变形等，进一步为模具的成形与成性提出了更加苛刻的要求。
目前国内外针对模具抛光主要有机械抛光和非机械抛光两种形式，机械抛光主要包括：传统的砂纸或油石条打磨、磨头机械抛光、机构辅助抛光等；非机械抛光主要包括：电化学抛光、等离子抛光、液体喷射抛光、磁流体抛光、激光抛光、超声抛光以及多种工艺复合式的抛光方法。
但是已有研究和实践操作表明机械抛光大部分依赖人工，不能形成批量生产，针对自由曲面、斜面、大拐点和高深径比的几何特征抛光效率低，易造成表面永久性损伤；电化学、等离子、液体喷射、磁流体和超声抛光等技术成本较高，抛光面积较小，不利于实现模具的自动化抛光，而且电化学和液体喷射技术对环境污染严重。
作为一种新型材料表面处理技术，激光抛光技术基于激光材料热力学及快速熔凝作用机理，通过精确控制激光熔化金属粗糙表面和优化非平衡态固液汽相变，将自动化程度较高的机械手臂与高功率激光器相结合，通过较优的激光参数，来使粗糙的材料表面变的平滑，提高材料表面的光洁度，而且对原有材料的外形几何特征尺寸影响小。该方法无需机械研磨剂和抛光工具，属于非接触式抛光，可以抛光传统方法不能打磨的复杂模具表面，抛光效率高，而且还具有自动化加工的可能性，解决了人工打磨模具的依赖性。
德国弗劳霍恩激光研究所、北京航空航天大学、英国考文垂制造技术中心、香港理工大学等国内外著名研究机构针对激光抛光技术做了大量的研究工作，指出激光抛光可大幅度提高材料表面的光洁度，对原有材料外形几何特征尺寸的影响小，并使金属材料表面形成50-300μm厚且组织相对均匀的抛光层，同时提高了金属材料表面的硬度、耐磨性、耐腐蚀以及抗拉压性能。
但是在实际激光抛光塑料模具钢过程中，当激光照射模具钢表面时，除了散射或反射而损失的部分外，大量光子通过与模具钢中金属晶格的相互作用使其振动而转换成热能，如何选取恰当的激光参数与平台条件，需要根据影响激光抛光的各种因素，如：光斑直径、波长、脉宽、频率、搭接率、氧含量、功率、扫描速度、扫描次数、试件原始表面粗糙度、试件原始形貌尺寸来确定。虽然已有学者通过调节激光的光斑直径、波长、脉宽、频率、搭接率、氧含量和功率等参数来进行激光抛光塑料模具钢，但是抛光效率低，精度低，不能实现工业化应用。
因此开发一种可以抛光打磨复杂塑料模具钢，对原有模具外形几何特征尺寸的影响小，且抛光效率高，精度高，自动化程度高，绿色环保，并在抛光后提高模具表面力学性能的激光抛光方法，成为目前科研工作者亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高效高精打磨抛光复杂模具的激光加工方法，该方法不仅可以提高具有复杂曲面的模具钢表面光洁度，抛光效率高，精度高，对原有模具外形几何特征尺寸的影响小，而且可以提高模具表面的力学性能，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一，选取具有复杂曲面的塑料模具钢，采用接触式粗糙度仪测试其原始表面粗糙度Ra值，采用三坐标测量仪测试其表面几何特征尺寸；
步骤二，采用波长1064nm、光斑直径55μm、脉宽50-120ns、功率145-285W的纳秒脉冲激光器，设定区域为35×20mm的扫描尺寸，并设定合适的激光参数对步骤一中的塑料模具钢进行激光抛光；
步骤三，激光抛光完后，采用接触式粗糙度仪测试其表面粗糙度小于Ra 0.1μm，并用三坐标测量仪测试其表面几何特征尺寸，最后计算抛光效率。
其中，步骤一所述的塑料模具钢具有自由曲面、斜面、大拐点和高深径比的几何特征，其初始表面粗糙度为Ra 4.0-8.5μm。
其中，步骤二所述的激光参数中，扫描次数为5次，第1次、第2次和第3次的扫描速度为230mm/s，第4次的扫描速度为1000mm/s，第5次的扫描速度为1300mm/s，且时间间隔均为5-15s。
其中，步骤三所述的表面几何特征尺寸与抛光前相比减小量在0.8％以内，且抛光效率为150-390cm2/h。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)本发明将激光抛光技术应用到复杂曲面塑料模具钢的表面抛光，无需机械研磨剂和抛光工具，属于非接触式抛光，可以抛光传统方法不能打磨的复杂模具表面，解决了对人工打磨模具的依赖性；
(2)本发明基于激光材料热力学及快速熔凝作用机理，不仅提高了塑料模具钢的表面光洁度，对原有模具外形几何特征尺寸的影响小，而且提高了塑料模具钢的表面力学性能等，真正达到了模具抛光的控形控性；
(3)本发明方法简单，抛光效率高，可达390cm2/h，精度高，自动化程度高，绿色环保，可实现复杂曲面塑料模具钢任意区域的大面积和重复性加工，易于实现工业化应用。
附图说明
图1为本发明的方法流程图；
图2为本发明抛光前的表面光学显微形貌与共聚焦相貌；
图3为本发明抛光后的表面光学显微形貌与共聚焦相貌；
图4为本发明抛光前后表面硬度对比；
图5为本发明抛光前的表面经摩擦磨损实验后的扫描电镜形貌；
图6为本发明抛光后的表面经摩擦磨损实验后的扫描电镜形貌。
具体实施方式
为更好地理解本发明内容，以下结合附图和具体实施例对本发明技术方案进行详细介绍，所举实例只用于解释本发明，并不用于限定本发明的范围。
本实施实例以实现P20模具钢的抛光为例，具体抛光流程如图1所示，主要包括如下步骤：
步骤一，选取具有自由曲面和斜面的塑料模具钢，采用接触式粗糙度仪测试其原始表面粗糙度为Ra 6.5μm，其表面光学显微形貌与共聚焦相貌如图2所示，随后采用三坐标测量仪测试其表面几何特征尺寸；
步骤二，采用波长1064nm、光斑直径55μm、脉宽85ns、功率176W的纳秒脉冲激光器，设定区域为35×20mm的扫描尺寸，并设定激光的扫描次数为5次，第1次、第2次和第3次的扫描速度为230mm/s，第4次的扫描速度为1000mm/s，第5次的扫描速度为1300mm/s，且时间间隔均为8s，对步骤一中的塑料模具钢进行激光抛光；
步骤三，激光抛光完后，采用接触式粗糙度仪测试其表面粗糙度为Ra 0.08μm，其表面光学显微形貌与共聚焦相貌如图3所示，并用三坐标测量仪测试其表面几何特征尺寸与抛光前相比减小量为0.6％以内，且抛光效率为285cm2/h。
本实施实例中，通过维氏硬度计测定其抛光前后的硬度值如图4所示，可见抛光后的表面维氏硬度从平均525Hv提高了大约100Hv。
本实施例中，抛光前的表面经摩擦磨损实验后的扫描电镜形貌如图5所示，抛光后的表面经摩擦磨损实验后的扫描电镜形貌如图6所示，对比图5与图6可知，经过激光抛光，模具钢经摩擦磨损实验后的表面的剥离率降低，磨痕较浅，剥落颗粒较少，且实验中产生的微观犁沟形貌并不明显，可见其耐磨性显著提高。
本发明的上述实施例是为了说明本发明所做的举例，并不用于限定本发明的实施方式，凡是在本发明精神和原则内，对本发明方法、步骤或条件所作的任何修改、改进等，均属于本发明的范围。

Claims (1)

1.一种高效高精打磨抛光复杂模具的激光加工方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一，选取具有自由曲面、斜面、大拐点和高深径比的几何特征，其初始表面粗糙度为Ra 4.0-8.5μm的复杂曲面塑料模具钢，采用接触式粗糙度仪测试其初始表面粗糙度Ra值，采用三坐标测量仪测试其表面几何特征尺寸；
步骤二，采用波长1064nm、光斑直径55μm、脉宽50-120ns、功率145-285W的纳秒脉冲激光器，设定区域为35×20mm的扫描尺寸，并设定合适的激光参数，扫描次数为5次，第1次、第2次和第3次的扫描速度为230mm/s，第4次的扫描速度为1000mm/s，第5次的扫描速度为1300mm/s，且时间间隔均为5-15s，对步骤一中的塑料模具钢进行激光抛光；
步骤三，激光抛光完后，采用接触式粗糙度仪测试其表面粗糙度小于Ra 0.1μm，并用三坐标测量仪测试其表面几何特征尺寸与抛光前相比减小量在0.8％以内，最后计算抛光效率为150-390cm2/h。
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