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精密儀器

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激光淬火技術(shù)在汽車模具中的應(yīng)用

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激光淬火淬硬層均勻,硬度 高,工件變形小,加熱層深度和加熱軌跡容易控制,易于實現(xiàn)自動化,不需要像感應(yīng)淬火那樣根據(jù)不同的零件尺寸設(shè)計相應(yīng)的感 應(yīng)器,尤其重要的是激光淬火前后,工件的變形幾乎可以忽略, 因此特別適合高精度要求的零件 表面處理。經(jīng)過近幾年的技術(shù)研究,目前,激光淬火關(guān)鍵技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于汽車覆蓋件模具的表面處理。

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激光淬火是快速加熱、自激冷卻,不需要爐膛保溫和冷卻液淬火,是一種無污染綠色環(huán)保熱處理工藝, 可以很容易實行對大型工件表面進(jìn)行均勻淬火激光束發(fā)散角很小,具有很好的指向性,能夠通過導(dǎo)光系統(tǒng)對工件表面進(jìn)行精確的局部淬火。


激光淬火的工作原理:激光淬火主要原理是金屬材料中自由電子吸收激光光子能 量,溫度升高到共析點(diǎn)以上、熔點(diǎn)以下,發(fā)生固態(tài)相變反應(yīng),通過基體傳熱實現(xiàn)自冷淬火,在零部件表面有限深度內(nèi)發(fā)生的固態(tài)相變的過程。

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上圖為激光3D雙工位淬火設(shè)備,主要由大功率激光器、六軸機(jī)器手、激光傳輸和 聚焦系統(tǒng)、光學(xué)加工頭以及控 制系統(tǒng)等組成。光源采用行業(yè) 先進(jìn)激光器,經(jīng)光束耦合器耦 合后采用柔性光纖傳輸,光束波長在970~1070nm之間,光束 質(zhì)量約為4.3mm·mrad,設(shè)備輸出功率在2000~6000W,輸出光斑直徑為0.2~4mm,光束寬度約 為20mm。光學(xué)系統(tǒng)由準(zhǔn)直、聚 焦、光束整形等元件及監(jiān)控系統(tǒng) 組成;機(jī)床由六軸機(jī)器人和輔助 機(jī)構(gòu)(線性導(dǎo)軌)構(gòu)成,軌道 行程為4m,機(jī)械手運(yùn)動直徑約 8m。可采用離線編程系統(tǒng)、示教編程和專家編程等方法完成復(fù)雜形狀零件的三維軌跡規(guī)劃、編程以及運(yùn)動程序的生成。


激光淬火的優(yōu)點(diǎn)可以總結(jié)為以下幾點(diǎn):


①與常規(guī)淬火相比,熱輸入少、工件不變形不開裂,與電子束淬火相比,無需真空,并且可以水冷,淬火硬度比 常規(guī)方法高 淬火層組織細(xì)密、強(qiáng)韌性好且能耗低。

②淬火可控(位置、寬度、深度、邊緣淬火等等),激光淬火淬硬層均勻,硬度高,加熱層深度和加熱軌跡容易 控制,易于實現(xiàn)自動化。

③ 靈活性強(qiáng),設(shè)備模塊化,用一個激光頭可以對不同尺寸、形狀的工件進(jìn)行淬火。

但是激光淬火相對于傳統(tǒng)的熱處理工藝處理起來也相對困難:

1.難以進(jìn)入熱處理爐的大型工件。 

2.僅需對溝、槽、孔、邊、刃口等局部表面進(jìn)行熱處理的工件。 

3.常規(guī)熱處理工藝難以處理到的部位。 

4.對熱處理變形量要求高的精密零件。 

5.鑄鐵工件表面的熱處理。 

6.常規(guī)熱處理工藝易產(chǎn)生裂紋的零件。 

7.常規(guī)熱處理工藝達(dá)不到硬度要求的零件


2激光淬火應(yīng)用于模具淬火

(1)拉延模具淬火根據(jù)拉延模具成形的特點(diǎn),與板料接觸的凸R位置和板料流動較大的面 需要有高的耐磨性,即高硬度。如圖2所示,拉延模型面上的凸一般都需要進(jìn)行淬火處理。

image.png由于淬火區(qū)域大,常規(guī)的火焰淬火或感應(yīng)淬火都會使工件產(chǎn)生較大的熱變形,導(dǎo)致模具精度無法保證,進(jìn)而需要增加其他的工藝手段來保證,這樣勢必造成模具的加工周期長,且易出現(xiàn)硬度不穩(wěn)定的情況。因此,我們改為采用激光淬火方式,這樣工件變形極小,甚至無變形,不需增加其他工藝手段即可達(dá)到質(zhì)量要 求。image.png如圖所示,我們采用激光淬火方式對某車型的門內(nèi)板進(jìn)行淬火處理,通過藍(lán)光掃描檢 測淬火前后的型面變化情況,得知激光淬火后的模具型面能滿足 精度要求。(2)鑲件表面淬火:汽車模具上的鑲件表面淬火,主要指切邊模的切邊鑲件刃口淬火和整形模的整形鑲件整形部位淬火,如圖所示。image.png對于切邊鑲件或整形鑲件, 常規(guī)火焰淬火后鑲件變形大,需進(jìn)行淬火后的去變形二次加工, 工件制作周期長,且淬火硬度難 控制。特別是整形鑲件,由于需 要對整形面進(jìn)行淬火,淬火面積大,極易產(chǎn)生回火的情況,從而 導(dǎo)致型面硬度不合格。經(jīng)過研究和實踐,我們發(fā) 現(xiàn)激光淬火可以有效地控制鑲件 變形和硬度不合格的問題。image.png

上圖所示是切邊鑲件和整形鑲件的激光淬火硬度情況和變形情況,從 圖中可看出,鑲件采用激光淬火 后硬度穩(wěn)定、變形很小,實現(xiàn)了精加工后淬火的制造工藝,有效 提升了加工效率,節(jié)約了加工成本。 


(3)應(yīng)用激光淬火優(yōu)化模 具加工工藝 與傳統(tǒng)的火焰淬火相比,采用激光淬火可以優(yōu)化模 具加工工藝,從而有效減少制造 周期,降低制造成本,下面是火 焰淬火和激光淬火的工藝流程比 較?;鹧娲慊鹉>呒庸すに嚵?程:型面粗加工、半精加工→火 焰淬火→加工去變形→鉗工組裝 →型面精加工→調(diào)試研配出件。激光淬火模具加工工藝流 程:型面粗加工、半精加工→鉗 工組裝→型面精加工→激光淬火 →調(diào)試研配出件。采用激光淬火的模具,淬火 前型面精加工到位,這樣既避免 了去變形加工工序,又提升了精 加工的效率。

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以某機(jī)床為例,表2是采用火焰淬火方式和激光淬(a)切邊模淬火示意 (b)整形模淬火示意 圖4 鑲件表面淬火示意 火方式模具精加工的參數(shù)情況, 采用激光淬火方式的模具加工效率比采用火焰淬火方式提升了 30%以上。 


(4)激光淬火對模具表面 質(zhì)量的影響 相對于傳統(tǒng)淬火方式,采用激光淬火方式的模具型 面變形很小、硬度均勻,因此工 藝上采取型面精加工到位后再進(jìn) 行淬火。

image.png上圖所示是采用火焰淬火和激光淬火方式的模具型面斷面。從圖中可以看出,采用火焰淬火的工件變形大,加工余量不均勻,變形大的區(qū)域出現(xiàn)淬火硬度不足甚至不可控的情況。而采用激光淬火的工件幾乎沒有變形,硬度均勻且可控,因此工 藝上采取精加工到位后再進(jìn)行淬 火。由于火焰淬火采用先淬火再 精加工的方式,型面存在硬度不 一致的區(qū)域,刀具在切削過程中存在受力不均、易磨損的情況, 從而導(dǎo)致型面加工質(zhì)量較差,如下圖所示。image.png從圖中可以看出,采用火焰淬火的模具精加工后型面出現(xiàn)臺階差,導(dǎo)致型面質(zhì)量不合格。而采用精加工到位再激光淬火方式的模具,由于型面在精加工時沒有硬度,加工時不會出現(xiàn)圖7 的情況;精加工到位后進(jìn)行激光 淬火,由于淬火后變形很小,能 獲得良好的模具表面質(zhì)量,滿足 客戶對模具表面質(zhì)量的要求,如圖所示。image.png全球工業(yè)即將邁入“工業(yè) 4.0”的大時代,汽車行業(yè)面臨著終端客戶對產(chǎn)品信息化、智能化、個性化以及綠色環(huán)保等諸多 需求,主機(jī)廠對車身模具的開發(fā)周期要求越來越短、質(zhì)量要求越來越高。激光淬火技術(shù)在確保穩(wěn)定的淬火硬度和質(zhì)量的情況下, 有效地縮短了模具制造周期,節(jié)約了制造成本,同時還解決了傳統(tǒng)熱處理工藝無法解決的許多難題。因此,激光淬火技術(shù)必將在 汽車模具中得到越來越廣泛的應(yīng)用。

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