CN115781032A - 一种基于加热辅助的模具表面纹理激光铣削方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于加热辅助的模具表面纹理激光铣削方法，包括以下步骤：取待激光铣削模具置于包含加热装置的纳秒激光加工系统中；通过加热装置将待铣削模具表面预热到既定温度；设定纳秒激光加工系统的激光铣削工艺参数，开启纳秒激光铣削及保护气体系统，对模具表面进行铣削加工；完成激光铣削加工后，调控加热装置的加热参数，使模具表面温度逐渐冷却至室温。本发明通过对模具进行辅助加热，促进纳秒激光加工铣削过程中模具表面材料的汽化去除，提高纳秒激光的铣削速率；且能避免因热应力导致的模具表层微裂纹缺陷；本发明通过加热辅助，提高激光铣削重熔层强化层厚度，进一步提高模具的使用寿命。
Description
技术领域
本发明属于激光加工技术领域，具体涉及一种基于加热辅助的模具表面纹理激光铣削方法。
背景技术
模具表面纹理激光铣削是通过高能脉冲激光束在模具表面循环扫描，通过材料的精密去除，实现模具表面纹理、微流道等加工，在皮革、塑料等模具领域应用广泛，具有环保、精度及柔性化程度高等优势。其中，相较于超快激光铣削技术，纳秒激光铣削的成本更低，激光铣削表面还会因为产生晶粒细小的重熔强化层，使模具的表面硬度显著提高。
然而，由于单脉冲能较低，纳秒激光铣削的效率较低；并且激光铣削表面在激光辐照加热后会发生快速冷却，激光铣削重熔层常会因为热应力作用产生微裂纹缺陷，导致模具使用时的疲劳寿命显著降低。
因此，需要进一步提高纳秒激光铣削时材料去除效率，降低激光铣削后表面重熔层的冷却速率，减小热应力。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种基于加热辅助的模具表面纹理激光铣削方法，该方法效率更高，且能避免因热应力导致的模具表层微裂纹缺陷。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种基于加热辅助的模具表面纹理激光铣削方法，包括以下步骤：
a、取待激光铣削模具置于包含加热装置的纳秒激光加工系统中；优选的，模具的材质为高合金模具钢、碳素模具钢或球墨铸铁；加热装置为加热台、感应加热设备或热风加热设备。
b、通过加热装置将模具表面预热到既定温度；优选的，加热装置的加热温度为200-800℃，温度误差小于30℃；进一步优选的，所述加热装置的加热温度为400-650℃，温度误差小于10℃。
c、设定纳秒激光加工系统的激光铣削工艺参数，开启纳秒激光铣削及保护气体系统，对模具表面进行铣削加工；保护气体系统中的保护气体为氩气、氮气或氦气。优选的，纳秒激光加工系统的激光铣削工艺参数为：纳秒激光的平均功率20-1500W；激光脉冲重复频率1-70kHz；激光脉冲宽度1-500ns；光斑直径20-100μm；填充线间距10-120μm；扫描速率10-2000mm/s。进一步优选的，纳秒激光加工系统的激光铣削工艺参数为：纳秒激光的平均功率70-1000W；激光脉冲重复频率20-65kHz；激光脉冲宽度5-100ns；光斑直径25-80μm；填充线间距20-90μm；扫描速率30-1000mm/s。更进一步优选的，纳秒激光加工系统的激光铣削工艺参数为：纳秒激光的平均功率70-1000W；激光脉冲重复频率30-60kHz；激光脉冲宽度8-50ns；光斑直径30-60μm；填充线间距25-50μm；扫描速率100-700mm/s。
d、完成激光铣削加工后，调控加热装置的加热参数，使模具表面温度逐渐冷却至室温。优选的，模具表面温度的冷却速率小于20℃/s。进一步优选的，模具表面温度的冷却速率小于5℃/s。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1、本发明通过对模具进行辅助加热，促进纳秒激光加工铣削过程中模具表面材料的汽化去除，提高纳秒激光的铣削速率；
2、模具表面加热后，激光铣削表面熔池与模具基体的温度梯度减小，冷却速率降低；并且在模具加热温度至室温范围内的冷却速率可控，有效减少激光铣削模具时重熔层的热应力，避免微裂纹等缺陷。
3、本发明通过加热辅助，提高激光铣削重熔层强化层厚度，进一步提高模具的使用寿命。
附图说明
图1为本发明实施例1中模具激光铣削后截面扫描形貌；
图2为本发明实施例1中模具激光铣削重熔层形貌；
图3为本发明对比例1中模具激光铣削后截面扫描形貌；
图4为本发明对比例1中模具激光铣削重熔层形貌。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
实施例1
一种基于加热辅助的模具表面纹理激光铣削加工方法，包括以下步骤：
(1)选用5mm厚的Cr12MoV钢为待激光铣削模具材料样品，将样品置于加热台表面，再将样品的待铣削表面调整至纳秒激光加工系统的激光束焦点附近；
(2)开启加热台，结合在线红外测温，将待铣削表面加热至400℃；
(3)设定激光铣削区域为4mm×4mm的正方形区域，设定激光功率为70W，光斑直径为30μm，脉冲宽度为24ns，重复频率为55kHz，填充方式为网格填充，填充线间距为30μm，扫描速率为500mm/s，扫描次数为50次。并开启氩气保护气体，气体流量为5L/min。
(4)完成激光铣削加工后，调控加热台的加热参数，使样品温度以约5℃/s的冷却速率降至室温附近。由图1和图2中激光铣削界面的扫描形貌分析结果，激光铣削加工微槽的深度为325μm，铣削加工后模具表面重熔强化层深度为23.1μm，重熔层无微裂纹缺陷。
对比例1
一种模具表面纹理激光铣削加工方法，包括以下步骤：
(1)选用5mm厚的Cr12MoV钢为待激光铣削模具材料样品，将样品待铣削表面直接置于纳秒激光加工系统的激光束焦点附近；
(2)设定激光铣削区域为4mm×4mm的正方形区域，设定激光功率为70W，光斑直径为30μm，脉冲宽度为24ns，重复频率为55kHz，填充方式为网格填充，填充线间距为30μm，扫描速率为500mm/s，扫描次数为50次。并开启氩气保护气体，气体流量为5L/min。
(3)完成激光铣削加工后，样品直接在空气中冷却至室温。
由图3和图4中激光铣削界面的扫描形貌分析结果，激光铣削加工微槽的深度为203μm，重熔层厚度为203μm。相较实施例1在400℃辅助加热温度中进行加热激光铣削，材料的去除效率显著降低。并且，由于激光铣削的重熔层在基体快速散热作用下，热应力大，产生了微裂纹缺陷。
显然，所描述的实施例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。
Claims (10)
1.一种基于加热辅助的模具表面纹理激光铣削方法，其特征在于，包括以下步骤：
a、取待激光铣削模具置于包含加热装置的纳秒激光加工系统中；
b、通过加热装置将模具表面预热到既定温度；
c、设定纳秒激光加工系统的激光铣削工艺参数，开启纳秒激光铣削及保护气体系统，对模具表面进行激光铣削加工；
d、完成激光铣削加工后，调控加热装置的加热参数，使模具表面温度逐渐冷却至室温。
2.根据权利要求1所述的基于加热辅助的模具表面纹理激光铣削方法，其特征在于，步骤a中，所述模具的材质为高合金模具钢、碳素模具钢或球墨铸铁。
3.根据权利要求1所述的基于加热辅助的模具表面纹理激光铣削方法，其特征在于，步骤a中，所述加热装置为加热台、感应加热设备或热风加热设备。
4.根据权利要求1所述的基于加热辅助的模具表面纹理激光铣削方法，其特征在于，步骤b中，所述加热装置的加热温度为200-800℃，温度误差小于30℃。
5.根据权利要求4所述的基于加热辅助的模具表面纹理激光铣削方法，其特征在于，所述加热装置的加热温度为400-650℃，温度误差小于10℃。
6.根据权利要求1所述的基于加热辅助的模具表面纹理激光铣削方法，其特征在于，步骤c中，所述纳秒激光加工系统的激光铣削工艺参数为：纳秒激光的平均功率20-1500W；激光脉冲重复频率1-70kHz；激光脉冲宽度1-500ns；光斑直径20-100μm；填充线间距10-120μm；扫描速率10-2000mm/s。
7.根据权利要求6所述的基于加热辅助的模具表面纹理激光铣削方法，其特征在于，所述纳秒激光加工系统的激光铣削工艺参数为：纳秒激光的平均功率70-1000W；激光脉冲重复频率20-65kHz；激光脉冲宽度5-100ns；光斑直径25-80μm；填充线间距20-90μm；扫描速率30-1000mm/s。
8.根据权利要求7所述的基于加热辅助的模具表面纹理激光铣削方法，其特征在于，步骤a中，所述纳秒激光加工系统的激光铣削工艺参数为：纳秒激光的平均功率70-1000W；激光脉冲重复频率30-60kHz；激光脉冲宽度8-50ns；光斑直径30-60μm；填充线间距25-50μm；扫描速率100-700mm/s。
9.根据权利要求1所述的基于加热辅助的模具表面纹理激光铣削方法，其特征在于，步骤c中，所述保护气体系统中的保护气体为氩气、氮气或氦气。
10.根据权利要求1所述的基于加热辅助的模具表面纹理激光铣削方法，其特征在于，步骤d中，所述模具表面温度的冷却速率小于20℃/s。
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