CN114603104A - 一种具有复合仿生耦合结构的压铸冲头及其加工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有复合仿生耦合结构的压铸冲头及其加工方法，其中压铸冲头包括球墨铸铁基体，在球墨铸铁基体的摩擦表面形成凹陷在其内部的仿生耦合结构，仿生耦合结构包括双次激光熔凝成型的单一仿生单元体和复合仿生单元体；仿生耦合结构表面呈向下凹陷的弧形。本发明通过单一仿生单元体、复合仿生单元体复合叠加，可以改变冲头表面摩擦应力集中的位置、大小及分布状态，降低工作表面的摩擦应力值，提升冲头的使用寿命；同时通过构建具有一定下凹深度的仿生耦合结构表面形状，防止硬质的仿生单元体对压室的摩擦磨损，增加了储油、减磨效果，有效保护了压室内表面，可提升压室使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及金属材料表面强化技术领域，更具体的说是涉及一种具有复合仿生耦合结构的压铸冲头及其加工方法。
背景技术
利用冷压室高压铸造成形是现阶段铝合金、铜合金等有色合金及复杂黑色金属铸件的主要成形方式。
但是，在高压铸造成形过程中，压铸冲头的工作环境复杂，偏磨现象严重，冲头表面及其对应的压室表面均存在有严重的磨损失效问题，单个球墨铸铁压铸冲头的使用寿命较短，在日常生产中经常需要停机更换，导致生产节拍停滞，严重影响生产效率，造成废件率提升；而现有的表面强化技术往往对压铸冲头表面进行简单的全表面硬化处理，会导致与冲头配套的压室内壁的被磨问题升级，使得压室的使用寿命降低1/4至1/3，而更换压室的成本远高于冲头强化的节约成本，导致不得不同时对压室也进行相应硬化处理，大幅提高运用成本；若采用简单仿生结构强化，虽然降低了加工成本，但由于仿生单元体硬度过高，且表面粗糙度较高，更容易划伤压室，使得压室提前报废。
因此，提供一种耐磨、减磨功能的具有复合仿生耦合结构的压铸冲头及其加工方法是本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种具有复合仿生耦合结构的压铸冲头及其加工方法，在球墨铸铁冲头表面采用多道次激光熔凝方式，加工一组不与压室内壁接触，但具有稍高硬度且能够分散冲头表面应力的仿生耦合结构。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种具有复合仿生耦合结构的压铸冲头，包括球墨铸铁基体，在所述球墨铸铁基体的摩擦表面形成凹陷在其内部的仿生耦合结构，所述仿生耦合结构包括双次激光熔凝成型的单一仿生单元体和复合仿生单元体；所述仿生耦合结构表面呈向下凹陷的弧形。
通过采取以上方案，本发明的有益效果是：
通过单一仿生单元体、复合仿生单元体复合叠加，可以改变冲头表面摩擦应力集中的位置、大小及分布状态，降低工作表面的摩擦应力值，提升冲头的使用寿命；同时通过构建具有一定下凹深度的仿生耦合结构表面形状，防止硬质的仿生单元体对压室的摩擦磨损，增加了储油、减磨效果，有效保护了压室内表面，可提升压室使用寿命。
进一步的，所述单一仿生单元体宽度为0.5-3mm，深度为0.75-3mm；所述单一仿生单元体最低点与所述摩擦表面间距为0.3-0.7mm；所述单一仿生单元体的材料组织包括马氏体和团聚变态莱氏体；所述单一仿生单元体硬度为60-85HRC；所述复合仿生单元体的材料组织包括变态莱氏体；所述复合仿生单元体硬度为50-80HRC。
进一步的，所述单一仿生单元体为典型单元体结构，所述典型单元体结构包括但不仅限于点状结构、条状结构、折线状结构和波浪线状结构；所述复合仿生单元体通过任意两种所述典型单元体结构叠加复合而成。
进一步的，所述复合仿生单元体设置在距离冲头工作端面5mm处至H0的柱面区域，当压铸压力P≤40MPa时，所述复合仿生单元体选用的两种所述典型单元体结构分别为点状结构和折线状结构，当40<P<60MPa时，所述复合仿生单元体选用的两种所述典型单元体结构分别为条状结构和折线状结构；当P≥60MPa，所述复合仿生单元体选用的两种所述典型单元体结构分别为条状结构和波浪线状结构；所述单一仿生单元体设置在距离冲头工作端面H0处至2H0的柱面区域，当压铸压力P≤60MPa时，所述单一仿生单元体选用条状结构；当P>60MPa是，所述单一仿生单元体选用波浪线状结构；其中H0根据冲头直径D0选择：当D0<＝70mm，H0＝23mm，当70mm<D0<＝130mm，H0＝40mm，当D0>＝130mm，H0＝55mm。
一种具有复合仿生耦合结构的压铸冲头的加工方法，包括以下步骤：
S1.分析设计：通过有限元分析及对报废冲头失效表面进行分析，确认其重磨损、中磨损、轻磨损区域，按各区域不同被磨情况，设计并优化仿生强化模型；
S2.预处理：对冲头表面进行清洁、预磨处理；
S3.构建强化结构：采用四道次变参数激光熔凝工艺对仿生耦合结构进行加工，先加工单一仿生单元体和形成复合仿生单元体的任一种典型单元体结构，再叠加加工形成复合仿生单元体的另一种典型单元体结构，最后进行仿生耦合结构的软化加工，并深化向下凹陷的深度。
进一步的，在构建强化结构步骤时，采用四道次变参数激光加工工序，其中第1、3道次加工单一仿生单元体和形成复合仿生单元体的任一种典型单元体结构，第2、4道次加工形成复合仿生单元体的另一种典型单元体结构，且按照第1、2、3、4道次的顺序顺次加工。
进一步的，在采用四道次变参数激光加工工序时，激光器选用为2000W—6000W的光纤连续激光器，在第1、2道次时，激光输出功率为700-800W，离焦量为负离焦20±5mm，扫描速度0.5-1.5mm/s，在第3、4道次时，激光输出功率为800-950W，离焦量为正离焦20±5mm，扫描速度0.3-0.8mm/s；其中每道次间隔时间T根据冲头直径尺寸D0决定：
D0<＝70mm，T＝1～2min；70mm<D0<＝130mm，T＝3～5min；D0>＝130mm，T＝5～7min。
进一步的，在构建强化结构步骤时，冲头工作柱面按磨损应力大小分为α、β两个区域，α区域为重磨损区域，β区域为中磨损区域，α区域叠加加工两种典型单元体结构，β区域加工一种典型单元体结构；α和β区域的第一层典型单元体结构相同或相近，并优先加工，然后再在α区域加工第二层叠加的另一种典型单元体结构，最后再次按照此顺序重新进行单元体软化和向下凹陷表面形状加工。
进一步的，激光束在冲头表面进行扫描时，通过机器人和焊接变位机联动进行弧形面加工。
通过采取以上方案，本发明的有益效果是：
四道次变参数激光加工可以充分降低但不过度软化仿生耦合结构的硬度，使其适合与大多数压室进行配合工作；同时采用连续激光器激光熔凝表面处理工艺，结合机器人和焊接变位机，能够实现精确的复杂曲面轨迹加工。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1附图为本发明提供的一种具有复合仿生耦合结构的压铸冲头的结构示意图；
图2附图为本发明提供的仿生耦合结构的结构示意图；
图3附图为本发明提供的复合仿生单元体的结构示意图；
图4附图为图3中A部分的放大结构示意图；
图5附图为图4中A-A截面的结构示意图；
图6附图为本发明提供的点状结构的结构示意图；
图7附图为本发明提供的条状结构的结构示意图；
图8附图为本发明提供的折线状结构的结构示意图；
图9附图为本发明提供的波浪线状结构的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1-9所示，本发明实施例公开了一种具有复合仿生耦合结构的压铸冲头，包括球墨铸铁基体1，在球墨铸铁基体1的摩擦表面形成凹陷在其内部的仿生耦合结构2，仿生耦合结构2包括双次激光熔凝成型的单一仿生单元体21和复合仿生单元体22；仿生耦合结构2表面呈向下凹陷的弧形。本发明通过单一仿生单元体21、复合仿生单元体22复合叠加，加工出具有异结构、异距、异下凹深度、异相对角度的仿生耐磨、减磨强化结构，与球墨铸铁基体1形成软-中-硬三种不同硬度区的非均匀表面，可以改变冲头表面摩擦应力集中的位置、大小及分布状态，降低工作表面的摩擦应力值，提升冲头的使用寿命；通过对同一单元体的双次激光扫描，可以改变单元体组织，降低硬度，提高韧性，减轻单元体对压室内表面可能造成的磨损，从而解决单次加工的仿生单元体为马氏体组织，硬度一般大于75HRC，对于大部分硬度在60-70HRC左右的压室内表面来说，硬度过高，容易造成压室过磨，反而导致生产成本上升的问题；同时通过构建具有一定下凹深度的仿生耦合结构2表面形状，防止硬质的仿生单元体对压室的摩擦磨损，增加了储油、减磨效果，有效保护了压室内表面，可提升压室使用寿命。
具体的，单一仿生单元体21宽度为0.5-3mm，深度为0.75-3mm；单一仿生单元体21最低点与摩擦表面间距为0.3-0.7mm；单一仿生单元体21的材料组织包括马氏体和团聚变态莱氏体；单一仿生单元体21硬度为60-85HRC；复合仿生单元体22的材料组织包括变态莱氏体；复合仿生单元体22硬度为50-80HRC。
具体的，单一仿生单元体21为典型单元体结构，典型单元体结构包括但不仅限于点状结构、条状结构、折线状结构和波浪线状结构；复合仿生单元体22通过任意两种典型单元体结构叠加复合而成。两种典型单元体结构叠加复合时，需考虑交叉锐角部的应力集中问题，若交叉部位的应力集中较大，则高硬单元体更容易造成表面开裂，因此在加工前需进行模拟计算，确定适合的复合角度。
具体的，复合仿生单元体22设置在距离冲头工作端面5mm处至H0的柱面区域，当压铸压力P≤40MPa时，复合仿生单元体选用的两种典型单元体结构分别为点状结构和折线状结构，当40<P<60MPa时，复合仿生单元体22选用的两种典型单元体结构分别为条状结构和折线状结构；当P≥60MPa，复合仿生单元体选用的两种典型单元体结构分别为条状结构和波浪线状结构；单一仿生单元体21设置在距离冲头工作端面H0处至2H0的柱面区域，当压铸压力P≤60MPa时，单一仿生单元体21选用条状结构；当P>60MPa时，单一仿生单元体21选用波浪线状结构；其中H0根据冲头直径D0选择：当D0<＝70mm，H0＝23mm，当70mm<D0<＝130mm，H0＝40mm，当D0>＝130mm，H0＝55mm。
本发明实施例还公开了一种具有复合仿生耦合结构的压铸冲头的加工方法，包括以下步骤：
S1.分析设计：通过有限元分析及对报废冲头失效表面进行分析，确认其重磨损、中磨损、轻磨损区域，按各区域不同被磨情况，设计并优化仿生强化模型；
S2.预处理：对冲头表面进行清洁、预磨处理；
S3.构建强化结构：采用四道次变参数激光熔凝工艺对仿生耦合结构2进行加工，先加工单一仿生单元体21和形成复合仿生单元体22的任一种典型单元体结构，再叠加加工形成复合仿生单元体22的另一种典型单元体结构，最后进行仿生耦合结构2的软化加工，并深化向下凹陷的深度。
本发明采用四道次激光熔凝加工，降低仿生单元体硬度、增加下凹深度，并对仿生耦合结构进行叠加复合设计，大幅提高了压铸冲头的使用寿命，有效保护了压室表面，在一定程度上提高了压室的使用时限。
具体的，在构建强化结构步骤时，采用四道次变参数激光加工工序，其中第1、3道次加工单一仿生单元体21和形成复合仿生单元体22的任一种典型单元体结构，第2、4道次加工形成复合仿生单元体22的另一种典型单元体结构，且按照第1、2、3、4道次的顺序顺次加工。其中典型单元体结构根据其结构、角度的不同，具有不同的应力分散能力，典型单元体结构上的应力集中位置也不相同，需要先根据压铸工艺进行冲头表面应力区域计算，再选择合适的典型单元体结构。
具体的，在采用四道次变参数激光加工工序时，激光器选用为2000W—6000W的光纤连续激光器，在第1、2道次时，激光输出功率为700-800W，离焦量为负离焦20±5mm，扫描速度0.5-1.5mm/s，在第3、4道次时，激光输出功率为800-950W，离焦量为正离焦20±5mm，扫描速度0.3-0.8mm/s；其中每道次间隔时间T根据冲头直径尺寸D0决定：
D0<＝70mm，T＝1～2min；70mm<D0<＝130mm，T＝3～5min；D0>＝130mm，T＝5～7min；
在此过程中，激光扫描道次加工顺序、激光功率、扫描速度以及离焦量决定了单元体硬度、单元体宽度和单元体表面下凹深度，采用正交试验法分析并获得了关于激光功率、扫描速度、离焦量与单元体硬度、宽度及深度的回归方程，根据回归方程进行相应参数的计算及确定，以获得适当硬度和下凹深度的仿生耦合结构2，仿生耦合结构2硬度和下凹深度往往需要与压室材料及表面硬度相关联，以获得最佳的耐磨、减磨效果；其中各参数回归方程如下所示：
激光功率与单元体宽度：Y＝0.0046X-2.386；
扫描速度与单元体宽度：Y＝-0.225X+4.493；
离焦量与单元体宽度：Y＝0.094X+5；
激光功率与单元体深度：Y＝0.0043X-3.783；
焊接速度与单元体深度：Y＝-0.15X+2.406；
离焦量与单元体深度：Y＝0.159X+4.191；
激光功率与单元体硬度：Y＝0.79X-220；
焊接速度对单元体硬度：Y＝-22X+894.6；
离焦量与单元体硬度：Y＝10.6X+965.6。
实际操作时，第一次扫描采用负离焦、高速、小功率工艺参数，从而获得组织硬化的单元体，而同一结构的第二次扫描一般采用正离焦、低速、大功率工艺参数，使单元体组织发生软化，并加深下凹深度。
具体的，在构建强化结构步骤时，冲头工作柱面按磨损应力大小分为α、β两个区域，α区域为重磨损区域，β区域为中磨损区域，α区域叠加加工两种典型单元体结构，在最大程度上提供耐磨和减磨强化效果，β区域加工一种典型单元体结构，即可提供充分的耐磨减磨强化；α和β区域的第一层典型单元体结构相同或相近，并优先加工，然后再在α区域加工第二层叠加的另一种典型单元体结构，最后再次按照此顺序重新进行单元体软化和向下凹陷表面形状加工；
在重磨损区域，往往选用简单的线型结构和复杂的弧线型结构相复合的方式，以线性结构为基础，叠加复杂弧线型结构；而在中磨损区域，若摩擦应力较小，则使用简单线形结构，若摩擦应力仍较大，则选择复杂弧线型结构。
具体的，激光束在冲头表面进行扫描时，通过机器人和焊接变位机联动进行弧形面加工。
本发明的工作原理：
1)本发明突破了典型的仿生强化模型类型，不再以简单的“点、条、网”单元体结构为主，而是设计了折线、波浪线等具有曲线特征的单元体结构，曲线型单元体虽然加工难度更大，但可以将原来集中与冲头表面或单元体根部的摩擦应力分散，并主要作用在硬质单元体整个斜向方向，进一步降低摩擦面和单元体上的应力，减轻磨损效果；
2)同时本发明中的仿生耦合结构2凹陷在球墨铸铁基体1的内部，在摩擦磨损过程中并不与压室表面接触，因此高硬的单元体不会导致压室内表面磨损程度加剧问题，同时由于具有一定的凹陷距离，在偏磨状态下，硬度稍高的单元体也不会与压室内表面接触，减少了偏磨造成的压室过度磨损问题，仿生耦合结构2可以在磨损过程中储存一定量的磨损颗粒，降低磨粒磨损对摩擦面的磨损效果，同时仿生耦合结构2凹陷处，可以少量存储润滑油，提高压铸过程中的润滑效果，保护压室，具有明显的减磨作用；
3)本发明不再简单考虑单一仿生结构的作用，而是突破性的采用叠加复合的方式，即运用了简单单元体在单一方向对摩擦应力减小、磨损磨粒的阻碍作用，同时也混合了复杂单元体在斜向分散单元体应力集中，疏导磨损磨粒移动方向的作用，增强摩擦表面的耐磨强化效率；
4)采用了四道次激光熔凝工艺进行仿生耦合结构的成型加工，通过具有一定间隔时间的重复性激光熔凝加工，降低了单元体的硬度，提高其韧性，并加强了单元体表面的下凹深度，有效解决了激光加工仿生单元体硬度过高、韧性不足而导致的冲头寿命提升但压室寿命降低问题、偏磨时单元体对压室过度磨损问题，以及高压力作用下，仿生单元体与基体交界易开裂的问题，同时增强了单元体结构对润滑和减磨的作用效果。
5)在采用计算机模拟分析的前提下，针对冲头表面应力分布的差异，进行了差异化区域强化设计，仅在重磨损区域进行了叠加复合设计，提高了单元体结构的加工效率，节约了加工成本。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (9)
1.一种具有复合仿生耦合结构的压铸冲头，包括球墨铸铁基体，在所述球墨铸铁基体的摩擦表面形成凹陷在其内部的仿生耦合结构，其特征在于，所述仿生耦合结构包括双次激光熔凝成型的单一仿生单元体和复合仿生单元体；所述仿生耦合结构表面呈向下凹陷的弧形。
2.根据权利要求1所述的一种具有复合仿生耦合结构的压铸冲头，其特征在于，所述单一仿生单元体宽度为0.5-3mm，深度为0.75-3mm；所述单一仿生单元体最低点与所述摩擦表面间距为0.3-0.7mm；所述单一仿生单元体的材料组织包括马氏体和团聚变态莱氏体；所述单一仿生单元体硬度为60-85HRC；所述复合仿生单元体的材料组织包括变态莱氏体；所述复合仿生单元体硬度为50-80HRC。
3.根据权利要求1所述的一种具有复合仿生耦合结构的压铸冲头，其特征在于，所述单一仿生单元体为典型单元体结构，所述典型单元体结构包括但不仅限于点状结构、条状结构、折线状结构和波浪线状结构；所述复合仿生单元体通过任意两种所述典型单元体结构叠加复合而成。
4.根据权利要求3所述的一种具有复合仿生耦合结构的压铸冲头，其特征在于，所述复合仿生单元体设置在距离冲头工作端面5mm处至H0的柱面区域，当压铸压力P≤40MPa时，所述复合仿生单元体选用的两种所述典型单元体结构分别为点状结构和折线状结构，当40<P<60MPa时，所述复合仿生单元体选用的两种所述典型单元体结构分别为条状结构和折线状结构；当P≥60MPa，所述复合仿生单元体选用的两种所述典型单元体结构分别为条状结构和波浪线状结构；所述单一仿生单元体设置在距离冲头工作端面H0处至2H0的柱面区域，当压铸压力P≤60MPa时，所述单一仿生单元体选用条状结构；当P>60MPa是，所述单一仿生单元体选用波浪线状结构；其中H0根据冲头直径D0选择：当D0<＝70mm，H0＝23mm，当70mm<D0<＝130mm，H0＝40mm，当D0>＝130mm，H0＝55mm。
5.根据权利要求1-4任一项所述的一种具有复合仿生耦合结构的压铸冲头的加工方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.分析设计：通过有限元分析及对报废冲头失效表面进行分析，确认其重磨损、中磨损、轻磨损区域，按各区域不同被磨情况，设计并优化仿生强化模型；
S2.预处理：对冲头表面进行清洁、预磨处理；
S3.构建强化结构：采用四道次变参数激光熔凝工艺对仿生耦合结构进行加工，先加工单一仿生单元体和形成复合仿生单元体的任一种典型单元体结构，再叠加加工形成复合仿生单元体的另一种典型单元体结构，最后进行仿生耦合结构的软化加工，并深化向下凹陷的深度。
6.根据权利要求5所述的一种具有复合仿生耦合结构的压铸冲头的加工方法，其特征在于，在构建强化结构步骤时，采用四道次变参数激光加工工序，其中第1、3道次加工单一仿生单元体和形成复合仿生单元体的任一种典型单元体结构，第2、4道次加工形成复合仿生单元体的另一种典型单元体结构，且按照第1、2、3、4道次的顺序顺次加工。
7.根据权利要求6所述的一种具有复合仿生耦合结构的压铸冲头的加工方法，其特征在于，在采用四道次变参数激光加工工序时，激光器选用为2000W—6000W的光纤连续激光器，在第1、2道次时，激光输出功率为700-800W，离焦量为负离焦20±5mm，扫描速度0.5-1.5mm/s，在第3、4道次时，激光输出功率为800-950W，离焦量为正离焦20±5mm，扫描速度0.3-0.8mm/s；其中每道次间隔时间T根据冲头直径尺寸D0决定：
D0<＝70mm，T＝1～2min；70mm<D0<＝130mm，T＝3～5min；D0>＝130mm，T＝5～7min。
8.根据权利5-7任一项所述的一种具有复合仿生耦合结构的压铸冲头的加工方法，其特征在于，在构建强化结构步骤时，冲头工作柱面按磨损应力大小分为α、β两个区域，α区域为重磨损区域，β区域为中磨损区域，α区域叠加加工两种典型单元体结构，β区域加工一种典型单元体结构；α和β区域的第一层典型单元体结构相同或相近，并优先加工，然后再在α区域加工第二层叠加的另一种典型单元体结构，最后再次按照此顺序重新进行单元体软化和向下凹陷表面形状加工。
9.根据权利要求7所述的一种具有复合仿生耦合结构的压铸冲头的加工方法，其特征在于，激光束在冲头表面进行扫描时，通过机器人和焊接变位机联动进行弧形面加工。
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