模具制造中的激光技術(shù)應(yīng)用研究

鐘正根

摘 要：幾年來(lái)，我國(guó)模具制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，且有效推動(dòng)了社會(huì)各行業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展。為進(jìn)一步提高模具制造精度和提高模具產(chǎn)品的質(zhì)量，本文從激光技術(shù)的層面出發(fā)，通過(guò)對(duì)激光技術(shù)的概念和原理進(jìn)行闡述和說(shuō)明，進(jìn)而對(duì)模具制造中激光技術(shù)的應(yīng)用展開了深入研究。

關(guān)鍵詞：模具制造；激光淬火技術(shù)；激光疊加技術(shù)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.07.024

0 前言

傳統(tǒng)的模具制造消耗的資金量巨大，且在生產(chǎn)進(jìn)度和產(chǎn)品開發(fā)周期方面難以滿足企業(yè)和用戶的雙重需求，而近年來(lái)激光技術(shù)的不斷發(fā)展及其應(yīng)用范圍的不斷擴(kuò)大為模具制造工藝帶來(lái)了重大變革。在此背景下，如何在掌握激光技術(shù)的概念和原理的基礎(chǔ)上，加強(qiáng)對(duì)這一技術(shù)在模具制造領(lǐng)域中應(yīng)用的研究，已成為當(dāng)前模具制造行業(yè)需要著重開展的關(guān)鍵工作。

1 激光技術(shù)的概念與原理

激光是上世紀(jì)六十年代發(fā)現(xiàn)的新光源，具有亮度高、方向性強(qiáng)和單色性好等特點(diǎn)，而激光技術(shù)則是基于激光而衍生出的相關(guān)技術(shù)[1]。激光技術(shù)的一般原理如下：以光或電流的能量對(duì)某類晶體、原子等易受到激發(fā)的物質(zhì)進(jìn)行撞擊，從而使原子的電子因受激發(fā)處于高能量狀態(tài)，而當(dāng)電子要恢復(fù)至原來(lái)平衡的低能量狀態(tài)時(shí)，既有原子則會(huì)將光子射出，從而釋放出多余能量，此時(shí)，被放出的光子將與其他原子碰撞，激發(fā)原子進(jìn)一步產(chǎn)生更多的光子，從而引發(fā)聯(lián)鎖反應(yīng)，且光子均朝向同一方前進(jìn)，轉(zhuǎn)而形成強(qiáng)烈且集中朝向某一方向的光，這一光束能夠被應(yīng)用到焊接、雕刻、打孔、手術(shù)和切割等諸多領(lǐng)域，推動(dòng)相關(guān)行業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展[2]。

2 模具制造中激光技術(shù)的應(yīng)用

2.1 激光淬火技術(shù)的應(yīng)用

激光淬火，即借助激光對(duì)材料表面進(jìn)行加熱，使其達(dá)到相變點(diǎn)以上，在材料冷卻過(guò)程中，奧氏體轉(zhuǎn)化為馬氏體，進(jìn)而使得材料表面硬化的一種淬火技術(shù)。激光淬火技術(shù)在模具制造中的應(yīng)用方法如下：（1）確定工藝參數(shù)。結(jié)合模具特點(diǎn)，合理選擇淬火工藝參數(shù)，包括吸光涂層的種類與厚度、功率、掃描速度以及加工坐標(biāo)系的運(yùn)動(dòng)方式和封閉路徑等；（2）質(zhì)量檢測(cè)。借助三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)以及光學(xué)照相測(cè)量系統(tǒng)和Atos三維掃描儀等對(duì)激光淬火后模具表面與底面變型量予以確定，并借助超聲波電子材料硬度計(jì)測(cè)量模具表面淬火層的硬度；淬火層的厚度與耐磨性則可對(duì)淬火后材料切片進(jìn)行顯微觀察與性能試驗(yàn)完成；（3）離線激光熱處理工藝軟件的應(yīng)用。借助NXCAM索尼數(shù)碼攝像機(jī)平臺(tái)對(duì)繁瑣的數(shù)據(jù)模型加以處理，包括生成刀路、五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床后處理等，在結(jié)合工藝知識(shí)庫(kù)與激光淬火工藝流程的基礎(chǔ)上，對(duì)淬火工藝模板予以調(diào)用，并實(shí)現(xiàn)NC的程序的自動(dòng)編寫。最后，借助vericut軟件構(gòu)建激光淬火五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床的模具制造模擬方針平臺(tái)，確保整個(gè)模具制造過(guò)程的安全性與準(zhǔn)確性。

2.2 激光疊加技術(shù)的應(yīng)用

上世紀(jì)八十年代，日本利用薄片疊加法制造出了拉伸膜，并于九十年代初，進(jìn)一步推出了模具的激光疊加制造法，基于這一方法的模具制造原理為，利用激光對(duì)薄板進(jìn)行切割操作，并將切割后的多層薄板疊加，使其形狀逐漸變化，進(jìn)而獲得所需模具的三維形狀。目前，激光疊加技術(shù)在模具制造方面已進(jìn)入到試用階段，基于這一技術(shù)制造的凹凸模具具有較高的質(zhì)量，且切割厚度大都在12mm左右，加工尺寸的精度也高達(dá)0.01m。在經(jīng)過(guò)激光切割處理后，模具切口表層將產(chǎn)生一個(gè)0.1-0.2mm且硬度為800HV的硬化層，這一硬化層的主要作用為，對(duì)厚度為1mm的鋼板進(jìn)行沖裁，而僅憑自冷硬化層便能夠完成對(duì)1000件1mm厚鋼板的沖壓。值得一提的是，如果在經(jīng)過(guò)激光切割后再進(jìn)行淬火操作，沖壓的數(shù)量可高達(dá)3-5萬(wàn)件。對(duì)基于激光疊加的模具制造進(jìn)行分析可知，因各個(gè)薄板間的連接較為簡(jiǎn)單，因此，可借助疊加法來(lái)進(jìn)一步制成沖模，進(jìn)而降低成本并縮短生產(chǎn)周期，提高經(jīng)濟(jì)效益。激光疊加技術(shù)在模具制造領(lǐng)域中的另一突出應(yīng)用還體現(xiàn)在基于激光切割與模具CAD結(jié)合的CAD/CAM系統(tǒng)方面，利用這一系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)板料切割的柔性制造，對(duì)于小批量、多品種的模具生產(chǎn)具有較強(qiáng)的適應(yīng)性。

2.3 快速成型制造技術(shù)的應(yīng)用

快速成型制造技術(shù)是20世紀(jì)80年代末出現(xiàn)的一項(xiàng)制造技術(shù)，現(xiàn)階段，該技術(shù)已發(fā)展了十余種工藝形式，其中，以激光技術(shù)為依托的一類典型技術(shù)變式選擇性激光燒結(jié)技術(shù)。這一技術(shù)在模具制造中的應(yīng)用方法為，將激光器作為能量源，借助紅外激光束使蠟、金屬、陶瓷和塑料等相關(guān)物質(zhì)的粉末能夠均勻地在平面上燒結(jié)，在計(jì)算機(jī)控制下，賦予掃描器一定速度和能量密度，使其按照分層面的數(shù)據(jù)進(jìn)行掃描[3]。激光掃描的區(qū)域，粉末則會(huì)被燒結(jié)從而形成具有一定厚度的實(shí)體片層，而未被掃描的區(qū)域仍然以松散的粉末狀態(tài)呈現(xiàn)。此時(shí)，通過(guò)對(duì)物體截層厚度進(jìn)行判斷來(lái)操作工作臺(tái)的升降，而后，當(dāng)鋪粉滾筒將粉末予以鋪平后，方由激光器展開新一層的掃描。反復(fù)進(jìn)行上述操作，直到將全部層面掃描為止。最后，將多余粉末予以去除，經(jīng)過(guò)打磨烘干等相關(guān)處理后得到模具。

3 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)激光技術(shù)的概念和原理進(jìn)行分析，進(jìn)而分別對(duì)激光淬火技術(shù)、激光疊加技術(shù)、快速成型制造技術(shù)等激光技術(shù)在模具制造中的應(yīng)用作出了系統(tǒng)探究。研究結(jié)果表明，激光技術(shù)在模具制造中的應(yīng)用能夠有效提高模具的生產(chǎn)效率、降低模具生產(chǎn)成本。未來(lái)，還需進(jìn)一步加大對(duì)模具制造中激光技術(shù)的應(yīng)用力度，為促進(jìn)模具制造產(chǎn)業(yè)的健康、穩(wěn)定發(fā)展提供可靠的技術(shù)支持。

參考文獻(xiàn)：

[1]張忠選，王遠(yuǎn)振，張海濤.激光熱處理在汽車模具制造中的應(yīng)用[J].金屬加工（熱加工），2014，03（15）：42-44.

[2]王昌，于同敏，周錦進(jìn).模具制造領(lǐng)域中的表面工程技術(shù)應(yīng)用綜述及展望[J].模具技術(shù)，2012，03（12）：46-50.

[3]彭廣威.快速成形技術(shù)在快速模具制造中的應(yīng)用[J].鍛壓技術(shù)，2013，06（24）：26-30.