专利名称：基于激光相变硬化的工模具边缘部位的强化方法
技术领域：
本发明涉及一种激光表面强化处理方法，特别是针对于工模具边缘部位的一种激 光相变硬化方法。
背景技术：
工模具的主要失效形式是表面磨损。因此，利用表面处理技术来提高工模具表面 的强度、硬度、耐磨特性等综合性能，以减少磨损，提高工模具使用寿命，也就成为最经济、 最有效的方法。目前，在工模具工业中已经发展了多种表面强化处理技术，常见的有热喷 涂、等离子体化学热处理、离子注入技术、气相沉积技术、TD处理、电镀与化学镀、电刷镀等。 随着产品规模化的发展，特别是国内外不断出现的高速、高效及高精度塑性加工工艺的出 现，对工模具的综合性能要求变得越来越苛刻，工模具寿命问题日益突出；传统的表面强化 处理技术越来越难以满足现实的需要，于是，利用激光对工模具表面进行处理也就走进了 人们的视线。激光表面处理技术是利用高能量密度的激光对工模具进行表面处理，从而改 变工模具表层的显微结构或成分，实现工模具的表面强化或修复。激光相变硬化(激光淬火)是利用激光辐照到金属表面，使其表面以很高的升温 速度迅速达到相变温度而形成奥氏体，当激光束离开后，利用金属本身热传导而发生“自淬 火”，使金属表面发生马氏体转变。与传统淬火方法相比，激光淬火是在急热、急冷过程中 进行的，温度梯度高，从而在表面形成了一层硬度极高的特殊淬火组织，如晶粒细化、高位 错密度等。其淬火层的硬度比普通淬火的硬度还高15% 20%。淬硬层深度可达0. 1 2. 5mm,因而可大大提高工模具的耐磨性，延长工模具的使用寿命。经激光表面强化后，工模 具的表面硬化层硬度高，耐磨性好。但对于工模具边缘及凸起部位，常规的处理方法是通过 多次试验来寻找最佳偏置距离或者采用挡板紧靠边缘或凸起部位。但是最佳偏置距离的寻找并非一次就能找到，往往需要进行长时间、多次数的实 验才能获取，造成因实验而导致的报废工模具数量巨大，浪费大。并且，这种处理方法寻找 到的偏置距离的精确性跟实验操作者的经验紧密相关，无法保证该偏置距离为最佳值。若采用挡板紧靠边缘或凸起部位，防止边缘塌陷，既消耗人力、物力，又会造成挡 板与工模具边缘或凸起粘连以致报废。
发明内容
为克服现有技术的人力和物力的消耗，克服工模具边缘(或凸起)的塌边等缺陷， 发明提供了一种人力、物力消耗小，不造成浪费，能保证偏置距离的最优性的基于激光相变 硬化的工模具表面强化方法。基于激光相变硬化的工模具边缘部位的强化方法，包括以下步骤1)、根据经验选择激光强化光源，设置光源参数，所述的光源参数包括激光波长， 功率，扫描速度和光斑直径；获取待加工的工模具的参数，工模具参数包括材料属性、相变 温度，熔点和几何学尺寸；
2)设定强化光源的起始位置，进行激光扫描，并通压缩空气以快速冷却工模具、达 到表面强化的目的；其特征在于对光源照射工模具的情况进行仿真计算、以获取强化光源与工模具边缘的最佳强化距离，使强化光源的起始位置与工模具边缘的距离等于所述的最佳强化距 罔；获取最佳强化距离的步骤包括(A)根据工模具参数建立模型；设定强化光源的初始位置，获取光源与工模具边 缘的距离；(B)对强化光源的光斑照射区域内的工模具进行热场分析，获取工模具表面的温 度场；(C)根据光源与工模具边缘的距离获取工模具边缘的温度，将边缘温度与工模具 的相变温度和熔点比对(C. 1)、若边缘温度高于熔点，工模具在接受光源照射时，工模具边缘会发生液化， 则将强化光源朝远离工模具边缘的方向移动一个偏置距离，重新执行步骤(B)；(C. 2)、若边缘温度低于相变温度，工模具边缘无法发生相变、而无法达到强化目 的，则将强化光源朝靠近工模具边缘的方向移动一个偏置距离，重新执行步骤(B)；(C. 3)、若边缘温度高于相变温度、并且低于熔点，则获取强化光源与工模具边缘 的当前距离，以此当前距离作为最佳强化距离。进一步，步骤C)中，利用有限元软件进行仿真，通过有限元热分析获取光斑照射 区域的温度场，所述的偏置距离等于扫描方向的工模具尺寸/扫描方向的工模具尺寸所划 分的网格数。本发明的技术构思是在实际操作以前，模拟强化光源照射工模具表面，通过热场 分析获取工模具表面的温度场，获取强化光源与工模具边缘的最佳强化距离。在实际操作 时，将光源设置于最佳位置，即可保证所有产品均为合格品，不会造成浪费，且节约人力物 力。扫描方向的网格划分的尺寸越小，获得的最佳强化距离越精确；但网格划分尺寸小，计 算量大，所以应选合适的网格划分尺寸。本发明消耗的人力、物力小，不造成浪费，能保证偏置距离的最优性的优点。
图1为本发明的流程2为强化光源与工模具的相对位置的示意3为工模具的几何模型的示意4为进行网格划分后的几何模型的示意5为强化光源与工模具边缘距离0. 5mm的仿真6为强化光源与工模具边缘距离0. 5mm的实际7为强化光源与工模具边缘距离1. Omm的仿真8为强化光源与工模具边缘距离1. 5mm的仿真9为强化光源与工模具边缘距离1. 5mm的实际10为强化光源与工模具边缘距离2. Omm的仿真图
具体实施例方式实施例一参照图1 基于激光相变硬化的工模具边缘部位的强化方法，包括以下步骤1)、根据经验选择激光强化光源，设置光源参数，所述的光源参数包括激光波长， 功率，扫描速度和光斑直径；获取待加工的工模具的参数，工模具参数包括材料属性、相变 温度，熔点和几何学尺寸；2)设定强化光源的起始位置，进行激光扫描，并通压缩空气以快速冷却工模具、达 到表面强化的目的；其特征在于对光源照射工模具的情况进行仿真计算、以获取强化光源与工模具 边缘的最佳强化距离，使强化光源的起始位置与工模具边缘的距离等于所述的最佳强化距 罔；获取最佳强化距离的步骤包括(A)根据工模具参数建立模型；设定强化光源的初始位置，获取光源与工模具边 缘的距离；(B)对强化光源的光斑照射区域内的工模具进行热场分析，获取工模具表面的温 度场；(C)根据光源与工模具边缘的距离获取工模具边缘的温度，将边缘温度与工模具 的相变温度和熔点比对(C. 1)、若边缘温度高于熔点，工模具在接受光源照射时，工模具边缘会发生液化， 则将强化光源朝远离工模具边缘的方向移动一个偏置距离，重新执行步骤(B)；(C. 2)、若边缘温度低于相变温度，工模具边缘无法发生相变、而无法达到强化目 的，则将强化光源朝靠近工模具边缘的方向移动一个偏置距离，重新执行步骤(B)；(C. 3)、若边缘温度高于相变温度、并且低于熔点，则获取强化光源与工模具边缘 的当前距离，以此当前距离作为最佳强化距离。步骤C)中，利用有限元软件进行仿真，通过有限元热分析获取光斑照射区域的温 度场，所述的偏置距离等于扫描方向的工模具尺寸/扫描方向的工模具尺寸所划分的网格数。本发明的技术构思是在实际操作以前，模拟强化光源照射工模具表面，通过热场 分析获取工模具表面的温度场，获取强化光源与工模具边缘的最佳强化距离。在实际操作 时，将光源设置于最佳位置，即可保证所有产品均为合格品，不会造成浪费，且节约人力物 力。扫描方向的网格划分的尺寸越小，获得的最佳偏置距离越精确；但网格尺寸小，计算量 大，所以应选合适的网格尺寸。实施例二结合图2-10，以及实际试验进一步说明本发明选择质量大约0. 9kg，P20塑料工模具钢，强化工件尺寸为15mmX IOmmX 10mm，其
边缘采用H13合金粉强化。根据强化工艺，采用横流CO2激光器所需激光功率P=I. 5kff, 光斑直径D = 4mm,同步送粉。具体步骤如下
(1)模拟采用与实际相同的工艺_同步送粉法，相同基体材料塑料工模具钢P20表 面熔覆H13粉，激光工艺参数如表1所示表1激光工艺参数
工艺参数
激光扫描速率v(m/s) 0.005 激光功率P(KW) 光斑大小D (mm)4 假设熔覆层横截面为半圆柱形，半径为2mm，如图2所示，考虑到对称性，取工 件的1/2进行分析。采用S0LID70对熔覆层进行映射网格划分，如图3所示。考虑到计 算精度及运行的速度，将基体划分成两层，一层尺寸为15mmX 8mmX IOmm的长方体，一层 15mmX IOmmX IOmm的长方体，其中15mmX (10_8) 2mmX IOmm的长方体作为热影响区。网格 尺寸介于上下两者之间，采用S0LID90过渡单元；(4)采用同步送粉熔覆的方式，输入覆层和基体相关材料不同温度的热物性参数 (导热系数(W/m · °C )、密度(kg/m3)、比热容(J/kg · °C )、焓(J/m3))；(5)热源加载，由于激光熔覆过程中激光束处于运动状态，采用ANSYS参数化设计 语言APDL编写的宏命令实现了激光束的运动，主要是借助其在不同的时刻在不同的位置 提供相应的热源输人。考虑到边缘偏置问题，初始位置首先设定为0。将沿激光扫描的方向 将扫描的距离15mm分成30段，将各段的中点作为热源中心，施加均勻分布的激光热源，每 一步移动0. 5mm。在求解的过程中，第一次循环假设模型具有统一的初始温度和边界条件， 在接下来的循环中，强化光源偏置距离取0. 5mm, 1. 0mm, 1. 5mm, 2. 0mm。首先去除上次的热源 输入和在新的位置施加热源，并且将上一次计算的结果温度作为本次循环的初始条件，依 次计算，直到全部的循环结束；(5)后处理，得到初始偏置距离为0时，P = 1500W时的温度场；(6)因基体表面所送的H13粉较薄，忽略它的相变温度和熔点，只考虑基体的有关 参数。根据有关数据，P20相变温度1100°C ；熔点约为1500°C ；再根据起始偏置距离不同所 呈现温度场的不同，确定最佳偏置距离；(7)选用模拟所确定的最佳偏置距离，在已选好的基体材料上进行操作。采用光源 偏置加热既可以强化边缘和凸起，又可以减少塌边现象的发生。 本发明也适用于对工模具突起部位的强化 本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护 范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术 人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。
权利要求
基于激光相变硬化的工模具边缘部位的强化方法，包括以下步骤1)、根据经验选择激光强化光源，设置光源参数，所述的光源参数包括激光波长，功率，扫描速度和光斑直径；获取待加工的工模具的参数，工模具参数包括材料属性、相变温度，熔点和几何学尺寸；2)设定强化光源的起始位置，进行激光扫描，并通压缩空气以快速冷却工模具、达到表面强化的目的；其特征在于对光源照射工模具的情况进行仿真计算、以获取强化光源与工模具边缘的最佳强化距离，使强化光源的起始位置与工模具边缘的距离等于所述的最佳强化距离；获取最佳强化距离的步骤包括(A)根据工模具参数建立模型；设定强化光源的初始位置，获取光源与工模具边缘的距离；(B)对强化光源的光斑照射区域内的工模具进行热场分析，获取工模具表面的温度场；(C)根据光源与工模具边缘的距离获取工模具边缘的温度，将边缘温度与工模具的相变温度和熔点比对(C.1)、若边缘温度高于熔点，工模具在接受光源照射时，工模具边缘会发生液化，则将强化光源朝远离工模具边缘的方向移动一个偏置距离，重新执行步骤(B)；(C.2)、若边缘温度低于相变温度，工模具边缘无法发生相变、而无法达到强化目的，则将强化光源朝靠近工模具边缘的方向移动一个偏置距离，重新执行步骤(B)；(C.3)、若边缘温度高于相变温度、并且低于熔点，则获取强化光源与工模具边缘的当前距离，以此当前距离作为最佳强化距离。
2.如权利要求1所述的基于激光相变硬化的工模具边缘部位的强化方法，其特征在 于步骤C)中，利用有限元软件进行仿真，通过有限元热分析获取光斑照射区域的温度场， 偏置距离根据扫描方向的工模具尺寸与扫描方向的工模具尺寸所划分的网格数的比值来 确定。
全文摘要
基于激光相变硬化的工模具边缘部位的强化方法，包括以下步骤根据经验选择激光强化光源，设置光源参数，所述的光源参数包括激光波长，功率，扫描速度和光斑直径；获取待加工的工模具的参数，工模具参数包括材料属性、相变温度，熔点和几何学尺寸；设定强化光源的起始位置，进行激光扫描，并通压缩空气以快速冷却工模具、达到表面强化的目的；对光源照射工模具的情况进行仿真计算、以获取强化光源与工模具边缘的最佳强化距离，使强化光源的起始位置与工模具边缘的距离等于所述的最佳强化距离。本发明消耗的人力、物力小，不造成浪费，能保证偏置距离的最优性的优点，特别对单件产品的激光强化有较大的优势。
文档编号C21D1/09GK101845539SQ20101018061
公开日2010年9月29日 申请日期2010年5月24日 优先权日2010年5月24日
发明者姚建华, 杨友东, 胡夏夏, 陈智军, 骆芳 申请人:浙江工业大学