CN110760842A - 一种基于振镜扫描的热锻模具激光仿生强化设备及方法 - Google Patents
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- C23C24/103—Coating with metallic material, i.e. metals or metal alloys, optionally comprising hard particles, e.g. oxides, carbides or nitrides
Abstract
本发明属于模具表面改性领域，公开了一种基于振镜扫描的热锻模具激光仿生强化设备及方法，将热锻模具数模导入到控制系统中，并标记需要方式强化处理的加工区域；在加工区域生成仿生单元结构，输出加工数控程序；将热锻模具安装到工作台上，使清理热锻模具表面油污，然后调整零点位置，使加工原点与编程起始点位置一致；在加工区域喷涂合金液，喷涂完成后进行干燥；启动设备和激光器进行表面熔凝处理，获得仿生单元。本发明基将激光表面改性技术与生物仿生原理相结合，在热锻模具表面制备出仿生单元体，制备时通过振镜控制激光扫描路线，简化了设备结构，提高加工效率，对于有复杂曲面的热锻模具有较好的适应性。
Description
技术领域
本发明属于模具表面改性领域，尤其涉及一种基于振镜扫描的热锻模具激光仿生强化设备及方法。
背景技术
目前，业内常用的现有技术是这样的：激光熔凝处理是利用激光热作用使材料扫描区域表层发生熔化，因熔化形成熔池较小，蓄热少，熔池内金属液快速冷却、凝固，可以得到晶粒细小的组织，形成高度过饱和固溶体，可以提高材料的硬度、耐磨性等。
热锻是机械制造的基础制造工艺，在汽车、船舶、装备制造等产业中具有十分重要的地位，而模具是热锻工艺中的核心工装，其使用寿命决定了生产效率和生产的成本。由于热锻模具工作时表面被反复加热和冷却，极易发生热疲劳开裂，从而导致模具失效。
激光仿生强化是使用高能激光束对热锻模具进行表面熔凝处理，通过控制激光扫描路线，使扫描路线上材料发生熔凝，而具有更高的硬度，未扫描区域仍保持原有性能，从而可以在热锻模表面形成具有类似蜻蜓翅膀、贝壳等“软硬相间”生物特征的表面，这种以线、网状结构分布的仿生单元，在热锻模具工作过程中，熔凝路径上高硬度的结构可以阻断热疲劳裂纹的扩展，从而提高表面抗热疲劳性能，大幅提高热锻模的使用寿命。
由于模具表面是复杂曲面，扫描时激光束需要与处理部位呈近垂直状态，仿生单元也需要达到一定的分布密度才能有良好的强化效果，因此激光扫描路线走形复杂、路线冗长。目前，激光表面仿生强化处理主要使用机床或者工业机器人作为运动执行机构，带动激光头运动，在模具表面进行扫描，制备出仿生单元。但是三轴数控机床只能处理简单平面和回转面，复杂曲面难以适应，五轴数控机床能满足复杂曲面运动需要但价格昂贵，工业机器人有较高自由度可满足复杂曲面的运动需要，但由于在扫描时，机器人需要多关节臂配合运动，动作幅度大，加工速度慢，效率低。
综上所述，现有技术存在的问题是：(1)热锻模具工作时表面被反复加热和冷却，极易发生热疲劳开裂，从而导致模具失效。
(2)激光扫描路线走形复杂、路线冗长。
(3)三轴数控机床只能处理简单平面和回转面，复杂曲面难以适应，五轴数控机床能满足复杂曲面运动需要但价格昂贵。
(4)工业机器人有较高自由度可用于复杂曲面扫描，但由于在扫描时，需要多关节臂配合运动，动作幅度大，加工速度慢，效率低。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于振镜扫描的热锻模具激光仿生强化设备及方法，该设备将由机械装置带动激光头进行扫描的方式变为由振镜微动来控制激光扫描，从而简化设备结构，加快扫描速度，提高加工效率，同时通过一个具有两个运动轴的变位机对扫描区域的方位进行实时调整，使激光束与扫描区域呈现近垂直状态，以获得更好强化效果。另外，相比于常规熔凝处理，本方法在熔凝时将多种耐高温抗磨损的陶瓷颗粒，溶入仿生单元中，形成具有增强相结构的仿生强化单元，进一步增强了仿生单元的耐磨性。
本发明是这样实现的，一种基于振镜扫描的热锻模具激光仿生强化设备的热锻模强化方法，所述基于振镜扫描的热锻模具激光仿生强化设备的热锻模强化方法包括：
步骤一，将热锻模具数模导入到控制系统中，并标记需要方式强化处理的加工区域；
步骤二，在加工区域生成仿生单元结构，输出加工数控程序；
步骤三，将热锻模具安装到工作台上，使清理热锻模具表面油污，然后调整零点位置，使加工原点与编程起始点位置一致；
步骤四，在加工区域喷涂合金液，喷涂完成后进行干燥；
步骤五，启动设备和激光器进行表面熔凝处理，加工时数控程序通过控制系统驱动变位机将模具待加工区域移动至合适位置，数控程序控制扫描振镜的X、Y轴伺服电机，驱动光斑在模具表面做高速扫描运动，扫描的路线上，获得仿生单元。
进一步，步骤二中，仿生单元生成时设定激光功率为2800-3000W，激光光斑1.5-1.8mm，扫描速度48-52mm/s，扫描间距2-2.5mm。
进一步，步骤四，合金液中含有14.5-15.5％TiC，1.2-1.5％VC，5.5-6.0％Cr2O3，6.5-7.0％WC，喷涂厚度0.03-0.04mm，喷涂完成后使用热风枪进行干燥。
进一步，步骤五，获得深度0.4-0.5mm，硬度650-750HV的仿生单元。
本发明的另一目的在于提供一种实施所述基于振镜扫描的热锻模具激光仿生强化设备的热锻模强化方法的基于振镜扫描的热锻模具激光仿生强化设备，所述基于振镜扫描的热锻模具激光仿生强化设备设置有变位机，所述变位机放置在设备舱内部；
所述设备舱的上端固定安装有扫描振镜，所述扫描振镜的外部固定安装有准直镜，所述准直镜通过光纤连接半导体激光器；
所述变位机、扫描振镜、半导体激光器均与控制系统电连接。
进一步，所述扫描振镜的下端安装有保护透镜。
进一步，所述准直镜与所述扫描振镜之间安装有动态聚焦镜。
进一步，所述扫描振镜中安装有X轴伺服电机带动的反光镜和Y轴伺服电机带动的反光镜。
进一步，所述变位机设置有两个运动轴，第二运动轴上安装有用于安装固定热锻模具的工作台。
本发明的另一目的在于提供一种利用任意一项所述基于振镜扫描的热锻模具激光仿生强化设备的激光束扫描方法，所述激光束扫描方法包括：
由半导体激光器发射出波长为1微米的高能红外激光，经光纤传输至准直镜，经准直后激光束变为平行光，经动态聚焦镜聚焦作用使焦点聚焦到模具表面、光斑直径达到设定值；
扫描振镜中安装有X轴伺服电机带动的反光镜和Y轴伺服电机带动的反光镜，X轴伺服电机和Y轴伺服电机受控制系统控制，带动反光镜发生偏转，激光束经X轴反光镜偏转反射后沿X轴扫描，经Y轴反光镜偏转反射后可以沿Y轴扫描，两组反光镜协同运动使激光在工作区域内做受控扫描运动；
变位机在第1轴上安装有工作台用于安装固定热锻模具，第1轴运动使工作台旋转，第2轴运动使工作台前后翻转，变位机的2个轴的运动受到控制系统的联动控制，在加工过程中控制系统发出控制信号，驱动变位机的两个轴协同运动，不断把待扫描区域移动至激光可达的部位，同时通过第1轴的转动和第2轴的摆动旋转使激光束与扫描区域呈近垂直状态，获得扫描角度。
综上所述，本发明的优点及积极效果为：基于振镜扫描的热锻模具激光仿生强化设备将激光表面改性技术与生物仿生原理相结合，在热锻模具表面制备出仿生单元体，制备时通过振镜控制激光扫描路线，可以简化设备结构，提高加工效率，对于有复杂曲面的热锻模具有较好的适应性。
技术效果对比
| 对比内容 | 三轴数控机床 | 五轴数控机床 | 工业机器人 | 本设备 |
| 平面结构适用 | 适用 | 适用 | 适用 | 适用 |
| 复杂曲面结构适用 | 不适用 | 适用 | 适用 | 适用 |
| 设备复杂程度 | 低 | 高 | 高 | 低 |
| 加工效率 | 低 | 低 | 低 | 高 |
相比于现有技术，本发明的优点进一步包括：
现有技术在使用工业机器人进行表面仿生单元制备加工时激光扫描速度为4-5mm/s，而使用本发明设备，可以通过高速响应的扫描振镜，将加工速度提升至48-52mm/s，加工效率提升约10倍。
使用本发明设备进行熔凝处理是在封闭的设备舱内进行，设备舱可以充填惰性气体，熔凝时可以获得更好的保护，提高仿生单元的质量。
合金液中含有多种耐高温抗磨损的陶瓷颗粒，在熔凝处理时这些颗粒固溶进入仿生单元中，形成具有增强相结构的仿生强化单元，进一步增强了仿生单元的耐磨性。
东风锻造有限公司J558B型热锻模具，在未进行激光仿生强化处理的模具使用寿命为3000件次，而使用本发明方法强化之后使用寿命提高到8100件次。湖北三环锻造有限公司C66热锻模具使用本方法强化之后寿命由1800件次提高到3700件次，效果显著。
附图说明
图1是本发明实施例提供的基于振镜扫描的热锻模具激光仿生强化设备的结构图。
图中：1、半导体激光器；2、光纤；3、准直镜；4、动态聚焦镜；5、扫描振镜；6、保护透镜；7、设备舱；8、控制系统；9、变位机；10、工作台。
图2是本发明实施例提供的基于振镜扫描的热锻模具激光仿生强化设备的热锻模强化方法流程图。
图3是使用本方法进行仿生强化的热锻模具失效后的照片。
图4是未经仿生强化处理的J558B型热锻模具，在锻压3000件后失效的照片。
具体实施方式
为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下。
现有技术中，热锻模具工作时表面被反复加热和冷却，极易发生热疲劳开裂，从而导致模具失效。激光扫描路线走形复杂、路线冗长。三轴数控机床只能处理简单平面和回转面，复杂曲面难以适应，五轴数控机床能满足复杂曲面运动需要但价格昂贵。工业机器人有较高自由度可用于复杂曲面扫描，但由于在扫描时，需要多关节臂配合运动，动作幅度大，加工速度慢，效率低。
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于振镜扫描的热锻模具激光仿生强化设备，下面结合附图1对本发明作详细的描述。
该基于振镜扫描的热锻模具激光仿生强化设备包括：半导体激光器1、光纤2、准直镜3、动态聚焦镜4、扫描振镜5、保护透镜6、设备舱7、控制系统8、变位机9、工作台10。
设置有变位机9，所述变位机9放置在设备舱7内部。
设备舱7的上端固定安装有扫描振镜5，所述扫描振镜5的外部固定安装有准直镜3，所述准直镜3通过光纤2连接半导体激光器1。
所述变位机9、扫描振镜5、半导体激光器1均与控制系统8电连接。
所述扫描振镜5的下端安装有保护透镜6。
所述准直镜3与所述扫描振镜之间安装有动态聚焦镜4。
扫描振镜5中安装有X轴伺服电机带动的反光镜和Y轴伺服电机带动的反光镜。
所述变位机9设置有两个运动轴，第一运动轴上安装有用于安装固定热锻模具的工作台10。
如图2所示，本发明实施例提供的基于振镜扫描的热锻模具激光仿生强化设备的热锻模强化方法包括：
S101，将热锻模具数模导入到控制系统中，并标记强化处理的加工区域。
S102，在加工区域生成仿生单元结构，输出加工数控程序。仿生单元生成时设定激光功率为2800-3000W，激光光斑1.5-1.8mm，扫描速度48-52mm/s，扫描间距2-2.5mm。
S103，将热锻模具安装到工作台上，使用酒精擦洗清理热锻模具表面油污，然后调整零点位置，使加工原点与编程起始点位置一致。
S104，在加工区域喷涂合金液，合金液中含有14.5-15.5％TiC，1.2-1.5％VC，5.5-6.0％Cr2O3，6.5-7.0％WC，喷涂厚度0.03-0.04mm，喷涂完成后使用热风枪进行干燥。
S105，启动设备和激光器进行表面熔凝处理，加工时数控程序通过控制系统驱动变位机将模具待加工区域移动至合适位置，数控程序控制扫描振镜的X、Y轴伺服电机，从而驱动光斑在模具表面做高速扫描运动，扫描的路线上，可以获得深度约0.4-0.5mm，硬度650-750HV的仿生单元。
下面结合具体效果对本发明作进一步描述。
现有技术在使用工业机器人进行表面仿生单元制备加工时激光扫描速度为4-5mm/s，而使用本发明设备，可以通过高速响应的扫描振镜，将加工速度提升至48-52mm/s，加工效率提升约10倍。
使用本发明设备进行熔凝处理是在封闭的设备舱内进行，设备舱可以充填惰性气体，熔凝时可以获得更好的保护，提高仿生单元的质量。
合金液中含有多种耐高温抗磨损的陶瓷颗粒，在熔凝处理时这些颗粒固溶进入仿生单元中，形成具有增强相结构的仿生强化单元，进一步增强了仿生单元的耐磨性。
东风锻造有限公司J558B型热锻模具，在未进行激光仿生强化处理的模具使用寿命为3000件次，而使用本发明方法强化之后使用寿命提高到8100件次。湖北三环锻造有限公司C66热锻模具使用本方法强化之后寿命由1800件次提高到3700件次，效果显著。
图3是使用本方法进行仿生强化的热锻模具失效后的照片，从照片中能清晰看到，强化单元突出于表面，未强化区域发生磨损而凹陷，说明仿生强化单元有较高的耐磨性。
图4是未经仿生强化处理的J558B型热锻模具，在锻压3000件后失效的照片，从照片所示区域可以明显看出热疲劳裂纹较多，龟裂严重，右图是使用本方法对所示区域进行仿生强化处理，锻压3000件后的照片，在同样区域疲劳裂纹明显减少，磨损状况得到很大改善，到模具失效时，使用寿命达到了8100件次。
本发明提供一种基于振镜扫描的热锻模具激光仿生强化设备的激光束扫描方法，弥补了激光仿生强化处理中存在的缺陷，使用时，由半导体激光器发射出波长为1微米左右的高能红外激光，经光纤传输至准直镜，经准直后激光束变为平行光，经动态聚焦镜聚焦作用使焦点聚焦到模具表面、光斑直径达到设定值。扫描振镜中安装有X轴伺服电机带动的反光镜和Y轴伺服电机带动的反光镜，X轴伺服电机和Y轴伺服电机受控制系统控制，带动反光镜发生偏转，激光束经X轴反光镜偏转反射后可以沿X轴扫描，经Y轴反光镜偏转反射后可以沿Y轴扫描，两组反光镜协同运动即可使激光在工作区域内做受控扫描运动。变位机有2个运动轴，在第1轴上安装有工作台用于安装固定热锻模具，第1轴运动使工作台旋转，第2轴运动使工作台前后翻转，变位机的2个轴的运动受到控制系统的联动控制，在加工过程中控制系统发出控制信号，驱动变位机的两个轴协同运动，不断把待扫描区域移动至激光可达的部位，同时通过第1轴的转动和第2轴的摆动旋转使激光束与扫描区域呈近垂直状态，以获得理想的扫描角度。此设备依靠振镜高速微动来控制激光束的扫描，因此扫描的速度快、精度高，同时在扫描复杂曲面的时候，由变位机的配合运动，使得复杂曲面的扫描也变得更加容易，因而该设备在加工时能获得更高的加工效率和更好的加工效果，使用方便。
本发明基于振镜扫描的热锻模具激光仿生强化设备将激光表面改性技术与生物仿生原理相结合，在热锻模具表面制备出仿生单元体，制备时通过振镜控制激光扫描路线。
以上所述仅是对本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。
Claims (10)
1.一种基于振镜扫描的热锻模具激光仿生强化设备的热锻模强化方法，其特征在于，所述基于振镜扫描的热锻模具激光仿生强化设备的热锻模强化方法包括：
步骤一，将热锻模具数模导入到控制系统中，并标记需要方式强化处理的加工区域；
步骤二，在加工区域生成仿生单元结构，输出加工数控程序；
步骤三，将热锻模具安装到工作台上，使清理热锻模具表面油污，然后调整零点位置，使加工原点与编程起始点位置一致；
步骤四，在加工区域喷涂合金液，喷涂完成后进行干燥；
步骤五，启动设备和激光器进行表面熔凝处理，加工时数控程序通过控制系统驱动变位机将模具待加工区域移动至合适位置，数控程序控制扫描振镜的X、Y轴伺服电机，驱动光斑在模具表面做高速扫描运动，扫描的路线上，获得仿生单元。
2.如权利要求1所述的基于振镜扫描的热锻模具激光仿生强化设备的热锻模强化方法，其特征在于，步骤二中，仿生单元生成时设定激光功率为2800-3000W，激光光斑1.5-1.8mm，扫描速度48-52mm/s，扫描间距2-2.5mm。
3.如权利要求1所述的基于振镜扫描的热锻模具激光仿生强化设备的热锻模强化方法，其特征在于，步骤四，合金液中含有14.5-15.5％TiC，1.2-1.5％VC，5.5-6.0％Cr2O3，6.5-7.0％WC，喷涂厚度0.03-0.04mm，喷涂完成后使用热风枪进行干燥。
4.如权利要求1所述的基于振镜扫描的热锻模具激光仿生强化设备的热锻模强化方法，其特征在于，步骤五，获得深度0.4-0.5mm，硬度650-750HV的仿生单元。
5.一种实施权利要求1-4任意一项所述基于振镜扫描的热锻模具激光仿生强化设备的热锻模强化方法的基于振镜扫描的热锻模具激光仿生强化设备，其特征在于，所述基于振镜扫描的热锻模具激光仿生强化设备设置有变位机，所述变位机放置在设备舱内部；
所述设备舱的上端固定安装有扫描振镜，所述扫描振镜的外部固定安装有准直镜，所述准直镜通过光纤连接半导体激光器；
所述变位机、扫描振镜、半导体激光器均与控制系统电连接。
6.如权利要求5所述基于振镜扫描的热锻模具激光仿生强化设备，其特征在于，所述扫描振镜的下端安装有保护透镜。
7.如权利要求6所述基于振镜扫描的热锻模具激光仿生强化设备，其特征在于，所述准直镜与所述扫描振镜之间安装有动态聚焦镜。
8.如权利要求5所述基于振镜扫描的热锻模具激光仿生强化设备，其特征在于，所述扫描振镜中安装有X轴伺服电机带动的反光镜和Y轴伺服电机带动的反光镜。
9.如权利要求5所述基于振镜扫描的热锻模具激光仿生强化设备，其特征在于，所述变位机设置有两个运动轴，第二运动轴上安装有用于安装固定热锻模具的工作台。
10.一种利用权利要求5～9任意一项所述基于振镜扫描的热锻模具激光仿生强化设备的激光束扫描方法，其特征在于，所述激光束扫描方法包括：
由半导体激光器发射出波长为1微米的高能红外激光，经光纤传输至准直镜，经准直后激光束变为平行光，经动态聚焦镜聚焦作用使焦点聚焦到模具表面、光斑直径达到设定值；
扫描振镜中安装有X轴伺服电机带动的反光镜和Y轴伺服电机带动的反光镜，X轴伺服电机和Y轴伺服电机受控制系统控制，带动反光镜发生偏转，激光束经X轴反光镜偏转反射后沿X轴扫描，经Y轴反光镜偏转反射后沿Y轴扫描，两组反光镜协同运动使激光在工作区域内做受控扫描运动；
变位机在第1轴上安装有工作台用于安装固定热锻模具，第1轴运动使工作台旋转，第2轴运动使工作台前后翻转，变位机的2个轴的运动受到控制系统的联动控制，在加工过程中控制系统发出控制信号，驱动变位机的两个轴协同运动，不断把待扫描区域移动至激光可达的部位，同时通过第1轴的转动和第2轴的摆动旋转使激光束与扫描区域呈近垂直状态，获得扫描角度。
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Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201911211532.9A Pending CN110760842A (zh) | 2019-12-02 | 2019-12-02 | 一种基于振镜扫描的热锻模具激光仿生强化设备及方法 |
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|---|---|
| CN (1) | CN110760842A (zh) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114473215A (zh) * | 2022-01-29 | 2022-05-13 | 江苏拜欧尼克智能科技有限公司 | 一种钛合金模锻模具的仿生强化方法 |
| CN116105644A (zh) * | 2023-04-10 | 2023-05-12 | 清华大学 | 射线扫描成像方法及射线加工方法 |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103469198A (zh) * | 2013-06-05 | 2013-12-25 | 武汉团结点金激光科技有限公司 | 一种汽车变速箱齿轮热锻模具激光再制造修复工艺 |
| WO2018058966A1 (zh) * | 2016-09-30 | 2018-04-05 | 英诺激光科技股份有限公司 | 一种激光薄膜刻蚀装置及方法 |
| CN108555464A (zh) * | 2018-06-29 | 2018-09-21 | 华中科技大学 | 一种大型复杂曲面动态聚焦激光加工方法及系统 |
| CN109903342A (zh) * | 2019-02-25 | 2019-06-18 | 西安交通大学 | 一种基于扫描振镜的激光原位加工装备及方法 |
| CN211284544U (zh) * | 2019-12-02 | 2020-08-18 | 湖北汽车工业学院 | 一种基于振镜扫描的热锻模具激光仿生强化设备 |
-
2019
- 2019-12-02 CN CN201911211532.9A patent/CN110760842A/zh active Pending
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| Title |
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| 徐滨士 等编著: "《激光加工技术》", 31 March 2016, 国防工业出版社, pages: 264 * |
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