CN111390136B - 一种仿生梯度表面球铁冲头及其加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于金属材料表面强化技术领域，具体涉及仿生梯度表面球铁冲头及其加工方法，仿生梯度表面球铁冲头，基材为球墨铸铁，表面带有耐磨、减阻、辅助脱附的仿生模型，冲头外壁表面加工出异距、异深度的仿生单元体，构建耐磨、抗疲劳仿生耦合表面。加工方法为分析失效冲头工作表面的失效形态，对冲头进行耦合仿生强化设计；对冲头表面进行预磨处理及清洁；采用激光熔凝的方法，在冲头表面形成均匀分布、晶粒组织细化的仿生单元体。冲头工作柱面分为α、β两个区域，调整激光器参数，加工两区域的A类单元体；再调整激光器参数，加工两区域的B类单元体。本发明采用了连续激光器的激光熔凝这种表面处理的方法，使冲头的使用寿命得到延长。

Description

一种仿生梯度表面球铁冲头及其加工方法

技术领域

本发明属于金属材料表面强化技术领域，具体涉及一种多种熔凝仿生单元体以不同的梯度方式耦合在工作表面构成新的耐磨功能表面的压铸冲头，其用于超高压、高速压铸机。

背景技术

高压铸造一直是高速、稳定生产高质量发动机缸体的主要生产手段。特别是超大型压力机速度快、效率高、成型效果好，例如奥迪系列的EA888型铝铸发动机，目前只有一汽铸造有限公司的4000吨压力机可以生产。但在生产过程中，巨大的压力对冲压冲头也造成了巨大磨损。冲头的工作环境温度在220-260℃之间，冲头的配合套筒面摩擦面的硬度在HRC70以上。随着冲头冲压次数的增加冲头圆柱面与套筒发生磨损导致冲头外表面尺寸超差。当冲头尺寸超差到一定范围时，会出现铝液在高压下从冲头边缘喷射出来，或者部分铝液在冲头上凝固，导致冲头卡在套筒中无法拔出。即使上述事故情况均没发生的情况下，也会因冲头的磨损造成冲头上粘附铝液，使压力机在推压的瞬时压力下降，导致模具内部的铝液充型不完全，最终造成压铸零件远端面出现缺陷报废。

以目前生产车间的情况来看，企业在既要保证压铸冲头的使用寿命又要降低冲头的生产成本。压铸模具冲头从早期的P型铜，每个冲头可以使用800-1000次，价格4500-5000人民币。经过改良后的冲头到目前的平均使用2000次，价格1500-1800人民币。之所以冲头的成本始终高居不下的主要原因是尽管采用了低成本的母材，但在低成本母材表面进行表面强化，无论是喷涂、热处理、渗氮等表面强化工艺的成本也仍然很高。目前已经有企业尝试用激光熔覆的方法来强化冲头，但由于激光熔覆粉末成本也非常高，熔覆强化的冲头成本也随之升高。

发明内容

针对现有技术所存在的上述不足，本发明目的是提供一种仿生梯度表面球铁冲头及其加工方法，在铸铁冲头外壁用激光连续熔凝的方式，对铸铁冲头进行差异分布仿生强化。

本发明利用仿生原理，采用激光熔凝的方法在冲头工作表面制备非均匀分布、晶粒组织细化的不同宽度，不同深度的仿生单元体模型。仿生单元体与母材形成了软硬相间的仿生物体结构。根据冲头在工作过程中冲压时的瞬时压力模拟量分布以及保压状态下的压力模拟量分布结果，有不同深度、宽度的硬质单元体和不同宽度的母材共同组成仿生耦合耐磨表面。

一种仿生梯度表面球铁冲头，用于超高压、高速推进压铸机，压力4000吨以上，冲头基材为球墨铸铁，表面带有耐磨、减阻、辅助脱附的仿生模型；冲头外壁经过高功率连续激光器进行激光熔凝强化处理，冲头外壁表面加工出异距、异深度的仿生单元体，构建耐磨、抗疲劳仿生耦合表面；不同的单元体间距和深度分布决定了冲头具有不同的耐磨性和抗疲劳性。

进一步地，所述仿生单元体界面宽度1—6mm，深度0.3—1.5mm，单元体基本为片状马氏体组织，硬度控制在800-920HV。

进一步地，从冲头工作端面向连接端面位置延伸50mm的柱面区域，由A1、B1两种单元体组合排布而成；其中A1单元体的宽度W_A1：1—2mm，深度H_A1：1.0—1.3mm，B1单元体宽度W_B1：4—6mm，深度H_B1：0.5—0.9mm，两种单元体硬度相同，排列方式为ABBABBA，其中A1和B1单元体的间距为0.8—2mm，B1和B1单元体的间距为0.3—0.5mm；从柱面50mm区域位置到冲头尾端，采用BAABAAB的排布方式，其中B1和A1单元体间距0.8—2mm，A1和A1单元体间距3—4mm。

相应地，一种仿生梯度表面球铁冲头的加工方法，包括以下步骤：

分析设计，

分析失效冲头工作表面的失效形态，根据其表面工作温度、受力状态、工作过程中的磨损方式，以及各种失效形式对应的表面变化情况，结合冲头表面与套筒磨损面的配合机制，对冲头进行耦合仿生强化设计，建立冲头工作表面仿生强化表面模型；

预磨，

对冲头表面进行预磨处理及清洁；

强化，

采用激光熔凝的方法，将激光束在冲头表面沿着预定轨迹进行扫描，使其表面熔化并快速凝固；在冲头表面形成均匀分布、晶粒组织细化的仿生单元体。

进一步地，对冲头进行耦合仿生强化设计，包括从应力和应变双重角度，根据冲头表面的磨损速度，铝液粘模情况以及冲头和铸件的失效情况特征进行差异性分布设计，设计异距、异深度仿生强化球墨铸铁冲头。

进一步地，强化步骤时，激光器为功率2000W—5000W光纤连续激光器，熔凝强化激光输出功率800W-2000W，离焦量100±20mm，扫描速度0.5—20mm/s。

进一步地，强化步骤时，冲头工作柱面分为α、β两个区域，计算每个区域单元体的加工条数，调整激光器参数，加工完成α区域和β区域的A类单元体；再调整激光器参数，加工完成α区域和β区域的B类单元体。

进一步地，激光束在冲头表面进行扫描时，通过机械手臂和变位机动作。

本发明的工作原理：

本发明突破了基础仿生强化模型的概念，利用仿生的思想考虑冲头表面的应力和应变双重作用关系，对冲头的失效模式进行综合考量，在冲头的不同区域采用异距、异深度耦合分布的方法进行耦合仿生设计并强化加工。对铸铁冲头进行激光仿生差异分布强化包括从应力和应变双重角度，根据冲头表面的磨损速度，铝液粘模情况以及冲头和铸件的失效情况特征进行差异化设计，设计冲头表面耐磨、减阻、辅助脱附的仿生模型。

冲头工作表面不同区域仿生强化模型的建立，是通过降减少低冲头表面应力和应变，降低磨损来设计的。根据冲头工作表面不同区域的失效特点，制备异距、异深度的仿生单元体，不同宽度、深度的硬质单元体与软质基体共同组成耦合仿生耐磨表面，不同深度和宽度的单元体分布，使冲头在工作时由单一面接触的磨损表面，转化为符合仿生原理线接触磨损表面。激光熔凝层和母材所组成的不同软硬详见的组合来赋予冲头表面不同的磨损性能。通过改变熔凝区和母材的面积比例，改变熔凝区自身的不同熔深，在冲头工作时会改变冲头表面的受力分布和摩擦磨损方式以及磨损碎屑的生成形状、大小以及排出方式。

与现有技术相比，本发明具有以下的技术效果：

本发明采用了连续激光器的激光熔凝这种表面处理的方法，结合机械手臂和变位机可以快速高效的加工冲头表面，冲头表面强度及抗磨损的能力，使冲头的使用寿命得到延长。使整个冲头外壁的表面受力更加均匀，减少疲劳裂纹萌生并减轻磨损，提高冲头的使用模次，从平均2000次提高到4000-6000模次不等。利用机械手臂与激光器的结合，可以实现自动化生产，节约人力资源。

附图说明

图1为本发明所述的冲头的柱面区域单元体分布的截面轮廓示意图；

图2为本发明所述的仿生单元体在冲头表面异距、异深度耦合分布图；

图3为本发明所述的仿生梯度表面球铁冲头的加工方法的步骤示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例详细描述一下本发明的具体内容。

本发明是在材料为耐热球铁的大型压铸机冲头表面制备仿生单元体，耐热球铁这种材料中的石墨形态为球状，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冲头无法使用。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，通过改变功率、离焦量、光斑面积、加工速度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，使得冲头仿生单元体的硬度达到800HV—920HV，晶粒平均尺寸为3μm左右。

一种仿生梯度表面球铁冲头，用于超高压、高速推进压铸机，压力4000吨以上，冲头基材为球墨铸铁，表面带有耐磨、减阻、辅助脱附的仿生模型；冲头外壁经过高功率连续激光器进行激光熔凝强化处理，冲头外壁表面加工出异距、异深度的仿生单元体，构建耐磨、抗疲劳仿生耦合表面；不同的单元体间距和深度分布决定了冲头具有不同的耐磨性和抗疲劳性。

在实际应用中，所述仿生单元体界面宽度1—6mm，深度0.3—1.5mm，单元体基本为片状马氏体组织，硬度控制在800—920HV。

如图1所示，从冲头工作端面向连接端面位置延伸50mm的柱面区域，由A1、B1两种单元体组合排布而成；其中A1单元体的宽度W_A1：1—2mm，深度H_A1：1.0—1.3mm，B1单元体宽度W_B1：4—6mm，深度H_B1：0.5—0.9mm，两种单元体硬度相同，排列方式为ABBABBA，其中A1和B1单元体的间距为0.8—2mm，B1和B1单元体的间距为0.3—0.5mm；从柱面50mm区域位置到冲头尾端，采用BAABAAB的排布方式，其中B1和A1单元体间距0.8—2mm，A1和A1单元体间距3—4mm。

如图2所示。激光熔凝层和母材所组成的不同软硬详见的组合来赋予冲头表面不同的磨损性能。通过改变熔凝区和母材的面积比例，改变熔凝区自身的不同熔深，在冲头工作时会改变冲头表面的受力分布和摩擦磨损方式以及磨损碎屑的生成形状、大小以及排出方式。

如图3所示，一种仿生梯度表面球铁冲头的加工方法，包括以下步骤：

分析设计，

分析失效冲头工作表面的失效形态，根据其表面工作温度、受力状态、工作过程中的磨损方式，以及各种失效形式对应的表面变化情况，结合冲头表面与套筒磨损面的配合机制，对冲头进行耦合仿生强化设计，建立冲头工作表面仿生强化表面模型；

预磨，

对冲头表面进行预磨处理及清洁；

强化，

采用激光熔凝的方法，将激光束在冲头表面沿着预定轨迹进行扫描，使其表面熔化并快速凝固；在冲头表面形成均匀分布、晶粒组织细化的仿生单元体。

在实际应用中，对冲头进行耦合仿生强化设计，包括从应力和应变双重角度，根据冲头表面的磨损速度，铝液粘模情况以及冲头和铸件的失效情况特征进行差异性分布设计，设计异距、异深度仿生强化球墨铸铁冲头。

在实际应用中，强化步骤时，激光器为功率2000W—5000W光纤连续激光器，其使用的激光器的功率为5000/2000/1500/1200/900/850/800W，熔凝强化激光输出功率800W-2000W，离焦量100±20mm，扫描速度0.5—20mm/s。

在实际应用中，强化步骤时，冲头工作柱面分为α、β两个区域，计算每个区域单元体的加工条数，调整激光器参数，加工完成α区域和β区域的A类单元体；再调整激光器参数，加工完成α区域和β区域的B类单元体。

在实际应用中，激光束在冲头表面进行扫描时，通过机械手臂和变位机动作。

在所述的冲头外壁表面，进行仿生非均匀设计。共设计九种不同的冲头耦合模型，具体加工参数和使用效果详见表1，

表1：冲头耦合单元体参数

表2：激光扫描参数

综上所述：本发明采用了连续激光器的激光熔凝这种表面处理的方法，使冲头的使用寿命得到延长。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，上述实施方式只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并加以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种仿生梯度表面球铁冲头，用于超高压、高速推进压铸机，压力4000吨以上，冲头基材为球墨铸铁，表面带有耐磨、减阻、辅助脱附的仿生模型；冲头外壁经过高功率连续激光器进行激光熔凝强化处理，冲头外壁表面加工出异距、异深度的仿生单元体，构建耐磨、抗疲劳仿生耦合表面；不同的单元体间距和深度分布决定了冲头具有不同的耐磨性和抗疲劳性，

所述仿生单元体界面宽度1—6mm，深度0.3—1.5mm，单元体基本为片状马氏体组织，硬度控制在800—920HV，

从冲头工作端面向连接端面位置延伸50mm的柱面区域，由A1、B1两种单元体组合排布而成；其中A1单元体的宽度W_A1：1—2mm，深度H_A1：1.0—1.3mm，B1单元体宽度W_B1：4—6mm，深度H_B1：0.5—0.9mm，两种单元体硬度相同，排列方式为ABBABBA，其中A1和B1单元体的间距为0.8—2mm，B1和B1单元体的间距为0.3—0.5mm；从柱面50mm区域位置到冲头尾端，采用BAABAAB的排布方式，其中B1和A1单元体间距0.8—2mm，A1和A1单元体间距3—4mm。

2.根据权利要求1所述的一种仿生梯度表面球铁冲头的加工方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1.分析设计，

分析失效冲头工作表面的失效形态，根据其表面工作温度、受力状态、工作过程中的磨损方式，以及各种失效形式对应的表面变化情况，结合冲头表面与套筒磨损面的配合机制，对冲头进行耦合仿生强化设计，建立冲头工作表面仿生强化表面模型；

S2.预磨，

对冲头表面进行预磨处理及清洁；

S3.强化，

采用激光熔凝的方法，将激光束在冲头表面沿着预定轨迹进行扫描，使其表面熔化并快速凝固；在冲头表面形成均匀分布、晶粒组织细化的仿生单元体。

3.根据权利要求2所述的一种仿生梯度表面球铁冲头的加工方法，其特征在于：对冲头进行耦合仿生强化设计，包括从应力和应变双重角度，根据冲头表面的磨损速度，铝液粘模情况以及冲头和铸件的失效情况特征进行差异性分布设计，设计异距、异深度仿生强化球墨铸铁冲头。

4.根据权利要求3所述的一种仿生梯度表面球铁冲头的加工方法，其特征在于：强化步骤时，激光器为功率2000w—5000w光纤连续激光器，熔凝强化激光输出功率800W-2000w，离焦量100±20mm，扫描速度0.5—20mm/s。

5.根据权利要求2或3所述的一种仿生梯度表面球铁冲头的加工方法，其特征在于：强化步骤时，冲头工作柱面分为α、β两个区域，计算每个区域单元体的加工条数，调整激光器参数，加工完成α区域和β区域的A类单元体；再调整激光器参数，加工完成α区域和β区域的B类单元体。

6.根据权利要求5所述的一种仿生梯度表面球铁冲头的加工方法，其特征在于：激光束在冲头表面进行扫描时，通过机械手臂和变位机动作。

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