CN113118457B - 一种激光熔覆氮化制备高硬度、高强度刀模的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种激光熔覆氮化制备高硬度、高强度刀模的方法，包括以下步骤：S1，根据所制备的刀模设计图纸，利用专业的制图软件绘制刀模三维模型，保存为三维文件格式；S2，将S1中保存的文件载入切片软件，设置激光熔覆设备的激光功率、打印层厚、激光扫描速度以及送粉路参数，并生成相应的G代码；S3，将S2中生成的G代码导入激光熔覆设备上位机中；S4，将成形基体放置到成形平台，根据预设要求调节光斑大小、送粉量、载气气流量和保护气气流量；S5，打印刀模初胚；S6，对S5中打印的刀模初胚进行精加工，切削出刀锋，即可制备成高硬度、高强度刀模。通过采用激光束熔融金属粉末使其沉积成形并采用氮气保护，氮气渗入金属表面，从而提高了金属表面的强度。

Description

一种激光熔覆氮化制备高硬度、高强度刀模的方法
技术领域
本发明涉及刀模制造技术领域，特别涉及一种激光熔覆氮化制备高硬度、高强度刀模的方法。
背景技术
刀模是模切行业中比较常用的产品，一般用于冲压出所需的模切产品的形状。随着经济的快速发展，刀模应用领域也变得十分广泛，例如电子材料、印刷包装、塑料包装、皮革、玩具、汽车、装璜、橡胶制品、EVA以及各种泡棉、精密电子垫片、麦拉片、铭板、柔性线路板等行业都有刀模的应用。刀模在产品制造中有着举足轻重的作用。目前，刀模的制备主要有激光刀模、雕刻刀模、蚀刻刀模等方式。但是，不管哪种方式制备，制备周期都是繁琐的，例如雕刻刀模，精度可达到0.03 mm，也是刀模制备中应用最多的一种制备方式，但制备工序却达到18道工序之多，工艺繁琐，制备周期长。在新冠肺炎爆发之际，其主要原因就是口罩模具制备周期长，导致口罩紧俏。其次，刀模的制备属于一种减材的方式，在一定程度上对环境污染。
增材制造技术也称为3D打印技术，其将复杂的三维加工过程转化为平面加工过程，是一种创新型数字化制造技术，彻底改变了传统制造模式。整个成形过程包括：三维模型建立、分层切片、逐层堆积、最终成形这四个步骤。它具有数字化、智能化、柔性制造、无模具快速自由成形、制造周期短、工艺流程简单、与传统工艺相容性好，扩展性强，适应面广等技术特点。
对于刀模来说，判断一个刀模的性能好坏的重要指标就是耐磨性和硬度，对于传统制备模具一般选用高碳钢作为原材料，并需经过多次热处理才能到达所需的性能，金属3D打印过程是金属粉末快速熔融、快速凝固的过程，成形件的性能相当于锻件性能。但对金属3D打印来说高碳钢往往会带来孔洞、裂纹等缺陷，选用低碳钢则耐磨性和硬度达不到要求，选用其他类型金属材料（例如高熵合金），制备成本则会大大提高。
其次，随着技术的不断进步，材料也开始从单一性能的材料向多功能材料材料发展，例如既需要材料内部具有良好的延展性，外部具有高硬度。梯度功能材料为这一需求提供了帮助，但是由于高温梯度和不同材料之间的热膨胀系数不匹配而产生的残余应力和变形会产生有害影响。所以，如何设计不同成分之间的组成梯度来减少成形过程中诱发的残余应力是研究梯度功能材料的重要之所在。
激光氮化处理是目前金属表面强化的一种方式，通过激光束的高能量使金属表面微熔，使氮气渗入金属表面，从而提高金属表面的强度。激光熔覆技术是通过气体将金属粉体传送到激光头，在激光头中心处汇聚成一束粉流，并通过中心激光使其熔融沉积，在沉积过程中为了防止熔池氧化，还会有保护气保护熔池。
因此，本发明提出了一种激光熔覆氮化制备高硬度、高强度刀模的方法，本方法利用在激光熔覆过程中载气和保护气实现金属粉在沉积过程中的氮化，实现了高性能刀模的制备。该方法不仅缩短了制备刀模的周期，还提高了刀模的性能，提高了刀模的使用寿命。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种激光熔覆氮化制备高硬度、高强度刀模的方法，利用在激光熔覆过程中载气和保护气实现金属粉在沉积过程中的氮化，实现了高性能刀模的制备。为了解决上述问题，本发明提供的技术方案如下：
本发明的一种激光熔覆氮化制备高硬度、高强度刀模的方法，包括以下步骤：
S1，根据所制备的刀模设计图纸，利用专业的制图软件绘制刀模三维模型，保存为三维文件格式；
S2，将S1中保存的文件载入切片软件，设置激光熔覆设备的激光功率、打印层厚、激光扫描速度以及送粉路参数，并生成相应的G代码；
S3，将S2中生成的G代码导入激光熔覆设备上位机中；
S4，将成形基体放置到成形平台，根据预设要求调节光斑大小、送粉量、载气气流量和保护气气流量；
S5，打印刀模初胚；
S6，对S5中打印的刀模初胚进行精加工，切削出刀锋，即可制备成高硬度、高强度刀模。
进一步地，在S2中，激光熔覆设备的各项参数如下：
激光功率为200w-5000w、激光层厚为0.1mm-0.5mm、激光扫描速度为100 mm/min-800mm/min，送粉路为单路送粉或者双路送粉。
进一步地，在S4中，各项参数如下：
光斑大小为直径1mm-3mm的圆形光斑、送粉量为0-10r/min、载气气流量为5L/min-20L/min、保护气气流量为5L/min-20L/min。其中，送粉量的单位r/min即为转/分钟，载气气流量和保护气气流量的单位L/min即为升/分钟。
进一步地，设置各项参数的方法是：光斑大小是通过Z轴调节，送粉量是通过送粉机转盘转速调节，载气气流量和保护气气流量是通过气流阀调节。
进一步地，在S4中所述成形基体为具有磁性的钢材，所述成形基体的厚度为10mm-20mm。
进一步地，在S5中，所述打印刀模初胚的方法是通过金属粉末熔融沉积成形，其中，金属粉末为球形颗粒金属粉末，金属粉末粒度在100-200目。
进一步地，所述载气用于传输所述金属粉末以及氮化处理，所述保护气用于防止所述金属粉末熔融后被氧化以及氮化处理，所述载气和所述保护气为氮气或者氩气。
进一步地，S2中，若采用单路送粉，则所述载气和所述保护气均为氮气，实现整个模具氮化；
若采用双路送粉，则所述载气一路为氮气、另一路为氩气，实现梯度氮化。
进一步地，所述载气和所述保护气经过激光头汇聚一处，形成气流束。
进一步地，所述激光头为三通道或者四通道同轴激光头。
本发明提供的激光熔覆氮化制备高硬度、高强度刀模的方法的有益效果是：
通过采用激光束熔融金属粉末使其沉积成形并采用氮气保护，氮气渗入金属表面，从而提高了金属表面的强度。
在刀模成形过程中，加入激光氮化处理，在成形过程中，增强了刀模强度。减少了传统刀模，通过后期热处理等工艺流程来增强刀模的强度，在保证刀模高强度的前提下，缩短了刀模制备周期，从而降低了刀模的制备成本，实现了高强度刀模的快速制备过程。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例的方法步骤示意图；
图2是本发明实施例二产品的硬度分布曲线图；
图3是本发明实施例二产品的拉伸曲线图；
图4是本发明实施例三产品的硬度分布曲线图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明实施例中的技术方案，并使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明。
在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
实施例一
请参考图1至图4，本实施例的一种激光熔覆氮化制备高硬度、高强度刀模的方法，包括以下步骤：
S1，根据所制备的刀模设计图纸，利用专业的制图软件绘制刀模三维模型，保存为三维文件格式；其中，优选地选用Solidworks绘制刀模三维模型，保存的文件格式优选为.STL文件。
S2，将S1中保存的文件载入切片软件，设置激光熔覆设备的激光功率、打印层厚、激光扫描速度以及送粉路参数，并生成相应的G代码；
S3，将S2中生成的G代码导入激光熔覆设备上位机中；
S4，将成形基体放置到成形平台，根据预设要求调节光斑大小、送粉量、载气气流量和保护气气流量；
S5，打印刀模初胚；
S6，对S5中打印的刀模初胚进行精加工，切削出刀锋，即可制备成高硬度、高强度刀模。
作为本实施例的优选方式，在S2中，激光熔覆设备的各项参数如下：
激光功率为200w-5000w、打印层厚为0.1mm-0.5mm、激光扫描速度为100 mm/min-800mm/min，送粉路为单路送粉或者双路送粉。
进一步优选地，在S4中，各项参数如下：
光斑大小为直径1mm-3mm的圆形光斑、送粉量为0-10r/min、载气气流量为5L/min-20L/min、保护气气流量为5L/min-20L/min。其中，设置各项参数的方法是：光斑大小是通过Z轴调节，送粉量是通过送粉机转盘转速调节，载气气流量和保护气气流量是通过气流阀调节。
进一步优选地，在S4中成形基体为具有磁性的钢材，成形基体的厚度为10mm-20mm。在S5中，打印刀模初胚的方法是通过金属粉末熔融沉积成形，其中，金属粉末为球形颗粒金属粉末，金属粉末粒度在100-200目。
其中，载气用于传输金属粉末以及氮化处理，保护气用于防止金属粉末熔融后被氧化以及氮化处理，载气和保护气为氮气或者氩气。
进一步优选地，在S2中，若采用单路送粉，则载气和保护气均为氮气，实现整个模具氮化；若采用双路送粉，则载气一路为氮气、另一路为氩气，实现梯度氮化。载气和保护气经过激光头汇聚一处，形成气流束。激光头为三通道或者四通道同轴激光头。
实施例二
请参考图1、图2和图3，本实施例的一种激光熔覆氮化制备高硬度、高强度刀模的方法，包括以下步骤：
首先，准备好在制备时需要使用的材料。选用420球形颗粒粉，粒径为
Figure 794056DEST_PATH_IMAGE001
，即420球形颗粒粉的粒度为100-200目；成形基体选用45#钢，用砂纸打磨去除氧化层，打磨完成后用丙酮进行擦拭。
然后，根据实施例一所述的基本步骤，即：
S1，根据刀模平面图纸绘制刀模三维模型，并生成.STL文件。
S2，把.STL文件导入切片软件中，设置激光功率为400w，激光扫描速度为350 mm/min，打印层厚为0.2 mm，送粉路为单路送粉，生成G代码。
S3，将S2中生成的G代码导入上位机。
S4，在S3将G代码导入上位机后，调节Z轴高度，确定光斑大小、送粉量以及载气和保护气的气流量；其中，光斑大小为直径3mm的圆形光斑，送粉量为0.3r/min，载气和保护气均选用氮气，且载气气流量设置为5L/min，保护气气流量设置为15L/min。
S5，在S4调节和设置好各项参数后，打印刀模初胚；并对打印出的刀模初胚进行精加工，切削出刀锋，即可制备成高硬度、高强度刀模。
S6，对成形后的刀模进行硬度测试，硬度达700 HV，拉伸强度达1900 MPa，分别如图2和图3所示。
实施例三
请参考图1和图4，本实施例的一种激光熔覆氮化制备高硬度、高强度刀模的方法，包括以下步骤：
首先，准备好在制备时需要使用的材料。选用420球形颗粒粉，粒径为
Figure 468751DEST_PATH_IMAGE002
，即420球形颗粒粉的粒度为100-200目；成形基体选用45#钢，用砂纸打磨去除氧化层，打磨完成后用丙酮进行擦拭。
然后，根据实施例一所述的基本步骤，即：
S1，根据刀模平面图纸绘制刀模三维模型，并生成.STL文件。
S2，把.STL文件导入切片软件中，设置激光功率为400w，激光扫描速度为350 mm/min，打印层厚为0.2 mm，送粉路为双路送粉，即先由第一路送粉，成形50%时，再由第二路送粉，生成G代码。
S3，将S2中生成的G代码导入上位机。
S4，在S3将G代码导入上位机后，调节Z轴高度，确定光斑大小、送粉量以及载气和保护气的气流量；其中，光斑大小为直径3mm的圆形光斑，送粉量为0.3r/min；第一路载气选用氩气，第二路载气选用氮气，保护气选用氩气，第一路载气气流量设置为5L/min，保护气气流量设置为15L/min，第二路载气流量设置为10L/min，保护气气流量设置为1L/min。
S5，在S4调节和设置好各项参数后，打印刀模初胚；并对打印出的刀模初胚进行精加工，切削出刀锋，即可制备成高硬度、高强度刀模。
S6，对成形后的刀模进行硬度测试，硬度成梯度上升，最高硬度达600 HV，如图4所示。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处。
以上结合附图对本发明的实施方式作出详细说明，但本发明不局限于所描述的实施方式。对本领域的技术人员而言，在不脱离本发明的原理和精神的情况下对这些实施例进行的多种变化、修改、替换和变型均仍落入在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种激光熔覆氮化制备高硬度、高强度刀模的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，根据所制备的刀模设计图纸，利用专业的制图软件绘制刀模三维模型，保存为三维文件格式；
S2，将S1中保存的文件载入切片软件，设置激光熔覆设备的激光功率、打印层厚、激光扫描速度以及送粉路参数，并生成相应的G代码，激光熔覆设备的各项参数如下：激光功率为200w-5000w、打印层厚为0.1mm-0.5mm、激光扫描速度为100mm/min-800mm/min以及送粉路为单路送粉或者双路送粉；
若采用单路送粉，则载气和保护气均为氮气，实现整个刀模氮化；若采用双路送粉，则所述载气第一路为氩气、第二路为氮气，所述保护气均为氩气，实现整个刀模梯度氮化；
S3，将S2中生成的G代码导入激光熔覆设备上位机中；
S4，将成形基体放置到成形平台，根据预设要求调节光斑大小、送粉量、载气气流量和保护气气流量，各项参数如下：光斑大小为直径1mm-3mm的圆形光斑、送粉量为0-10r/min、载气气流量为5L/min-20L/min以及保护气气流量为5L/min-20L/min，其中，光斑大小是通过Z轴调节、送粉量是通过送粉机转盘转速调节以及载气气流量和保护气气流量是通过气流阀调节；
S5，打印刀模初胚，所述打印刀模初胚的方法是通过金属粉末熔融沉积成形，其中，金属粉末为球形颗粒金属粉末，金属粉末粒度在100-200目；
S6，对S5中打印的刀模初胚进行精加工，切削出刀锋，即可制备成高硬度、高强度刀模。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在S4中所述成形基体为具有磁性的钢材，所述成形基体的厚度为10mm-20mm。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述载气和所述保护气经过激光头汇聚一处，形成气流束。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述激光头为三通道或者四通道同轴激光头。
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