专利名称：模具型腔表面等离子束强化方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种模具型腔表面强化方法及装置，尤其涉及一种模具型腔表面等离子束强化方法及装置，属于冷作模具、热作模具的表面强化技术领域。
背景技术：
模具制造在工业发展中具有十分重要的作用，但其工作条件大多十分恶劣，常承受较大的冲击负荷或高温载荷，过快磨损或频繁的热疲劳失效导致模具成型企业生产效率降低、产品质量下降、生产成本提高。改善模具的耐磨和抗热疲劳性能，提高模具的使用寿命是各国研究者正在研究并急待解决的重大问题之一。在一般工艺条件下，强度与韧性之间往往存在着制约关系，材料强度增加，通常总伴随着材料韧性降低。要求高强度的同时，又要求材料有较高的韧性，常常是很困难的。强韧化处理多种多样，但归结起来基本都是通过高温淬火和高温回火、低温淬火等途径来取得强韧化效果的充分利用板条马氏体和下贝体组织形态，尽量减少片状马氏体；细化钢的奥氏体晶粒和过剩碳化物，获得马氏体与具有良好塑性的第二相的复合组织；模具表面强化处理工艺主要有气体氮化法、离子氮化法、电火花表面强化法、渗硼法、TD法、CVD法、 PVD法、BRN法、激光表面强化法、等离子喷涂法等等。但是，这些传统处理方法常会在模具表面形成残余张应力，降低模具的使用寿命，同时由于是对表面整体处理，其效率低、成本较高。在对土壤动物的研究中，发现土壤动物出入于粘性较大的粪便和土壤中，经受磨损，能够自由行动，身体很少粘附粪便和泥土，这是因为动物表面有一定的弹性，在外力的作用下，体表可吸收能量，发生弹性变形。同时凸起部位较硬，还含有一些其它元素，其作用是承受着粪便和土壤的挤压与摩擦，抵抗磨损。对蜣螂、海生贝壳、穿山甲、蛇、蜥蜴等生物表面微观结构分析，发现其表面软硬组织呈现出一定的图案。如海生贝壳，其表面由方向各异的交叉层片迭合而成，层片取向和凹凸度与贝壳的硬度、韧性密切相关。交叉迭层结构在阻止裂缝发展方向具有明显优势。因此，模仿生物表面结构和图案已在某些工业技术领域得到了应用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种模具型腔表面等离子束强化方法及装置，用于模仿生物表面结构和图案在模具型腔表面生成有规律的强化单元以利于提高模具的耐磨性及抗热疲劳性，借此解决现有模具型腔表面处理方法存在的模具表面存在残余张应力、模具使用寿命降低以及表面整体处理导致的效率低、成本高的问题。为了实现上述目的，本发明提供的模具型腔表面等离子束强化方法包括以下步骤步骤1 将待处理的模具安装在工作台上；步骤2 调整等离子束发生器与待处理的模具型腔位姿，以使等离子束发生器与模具型腔表面达到最佳工作位置；步骤3 根据待处理的模具材料，确定工艺参数，调节等离子束能量；步骤4 根据模具型腔几何特征，确定等离子束的强化轨迹；步骤5 根据强化轨迹，在模具型腔表面进行强化路径测试，以检测强化设备可能发生的干涉性；步骤6 等离子束流按照确定的速度和轨迹扫描模具型腔表面。为了实现上述目的，本发明提供的模具型腔表面等离子束强化装置包括等离子束发生器，用于产生等离子束；能量束调节器，设于所述等离子束发生器，用于调节等离子束的能量密度 ’五自由度进给机构，所述五自由度进给机构包括工作台和工作部，所述工作台具有平移自由度、旋转自由度，所述工作部具有互相垂直的两个方向的平移自由度，且所述工作部上设有一个等离子束安装轴，所述等离子束安装轴具有旋转自由度；控制系统，与所述等离子束发生器、能量束调节器和五自由度进给机构连接以控制、协调所述等离子束发生器、能量束调节器和五自由度进给机构的动作。通过仿生理论设计出一种可以同时提高表面耐磨性、抗热疲劳性的强化单元；并应用相应的设备加工出符合仿生功能要求的强化单元，本发明可以根据不同模具的工况， 选用不同的强化形态、尺寸、分布规律的仿生图案，获得不同的性能，在模具型腔表面形成个性化网状强化单元。借此，本发明不但可以增强模具型腔表面抗磨损性能、抗热疲劳性能，大幅度提高模具的使用寿命，而且强化工艺简单、成本较低。
图1为本发明装置优选实施例运行时的结构简图2为本发明装置优选实施例的五自由度进给机构结构示意图； 图3-图5分别为本发明装置优选实施例在模具型腔表面形成的菱形、人字形、鱼骨形强化单元的图案。
具体实施例方式下面结合附图及具体实施方式
对本发明做进一步详细说明。图1和图2基本示出了本发明装置优选实施例的示意性结构，图1-图2所示的本发明模具型腔表面等离子束强化装置优选实施例包括图中示出的等离子束发生器的等离子头D、五自由度进给机构以及未图示的等离子束发生器的主体结构、能量束调节器、控制系统和自适应送粉结构。等离子束发生器用于产生等离子束，并由等离子头D输出。能量束调节器设于等离子束发生器，用于调节等离子束的能量密度。由于等离子束发生器及能量束调节器的结构及使用方法均为公知技术，在此不再赘述。五自由度进给机构包括工作台GT、工作部以及床身CS、立柱LZ、安装轴Bi、轴座 ZZ、轴座板观和进给机构Z1、X1、Y1、C1，其中安装等离子头D的安装轴Bl也用以表示驱动安装轴Bl旋转的旋转进给机构Bi。安装轴Bl设于轴座ZZ上，轴座ZZ可移动地设于轴座板观上，轴座板可移动地设于立柱LZ上。工作台GT则是可旋转地及可移动地设于床身CS 上。在各进给机构的驱动下，工作台GT具有Y向平移自由度、C轴旋转自由度、工作部的TL 向平移自由度和B轴旋转自由度。其运动传递为X向的进给机构XI，也即X向进给电机驱动滚珠丝杠带动等离子头D沿X向运动；Y向的进给机构Y1，也即Y向进给电机驱动滚珠丝杠带动工作台沿Y向运动；以此类推，Z向进给电机驱动滚珠丝杠带动工作头沿Z向平移运动，C向旋转自由度由C向进给电机驱动，带动圆形工作台GT作旋转运动。安装轴Bl的旋转由B向电机驱动，带动等离子头D作B向旋转。五个进给机构的电机由包括计算机在内的控制系统统一控制，实现联动。本优选实施例的控制系统不但与五自由度进给机构连接以控制其各项动作，而且与等离子束发生器、能量束调节器和自适应送粉机构连接以控制、协调等离子束发生器、能量束调节器、自适应送粉机构和五自由度进给机构的动作。其中，自适应送粉机构用于向工作台GT上的模具G的型腔表面输送合金粉，其接受控制系统的控制，并根据模具基材和表面工作应力分布情况选择合金粉或者不用合金粉，以及根据型腔几何表面曲率信息将合金粉送至模具型腔表面。下面结合本发明装置优选实施例的使用，对本发明方法优选实施例做进一步说明。在本发明装置优选实施例运行时，将待处理的模具G安装在两自由度工作台GT之上。调整等离子束发生器的等离子头D与待处理的模具G的型腔位姿。工作台GT上有二个自由度，g卩Y平移自由度和C轴方向旋转自由度，由电机驱动。等离子头D有三个自由度，即X、Z向平移自由度和B轴方向旋转自由度，五自由度联动使等离子束发生器与模具型腔表面达到最佳工作位置。确定工艺参数，根据待处理的模具材料，由工艺数据库确定工艺参数，能量束调节器对等离子束进行能量调节，自适应送粉机构调整送粉量。强化路径规划，控制系统的强化路径生成系统根据模具型腔几何特征，生成工作轨迹。等离子束发生器试强化，根据强化路径，等离子束发生器在模具型腔表面进行强化路径测试，以检测可能发生的干涉性。强化处理，用106-104W/cm2等离子束流按照设定速度和轨迹扫描模具型腔表面，形成间隔为0. 4-10mm、强化深度为0. 1-1. Omm菱形、人字形或鱼骨形等强化单元。模具强化表面后处理，表面抛光，形成完整强化层。并且，进一步优选地，控制系统根据模具G的基材和型腔表面工作应力分布情况选择合金粉或者不用合金粉，以及采用自适应送粉机构依据型腔几何表面曲率信息将合金粉送至模具型腔表面或不送合金粉。模具G的基材为生产中常用的冷作模具钢和热作模具钢，向模具型腔表面输送的合金粉主要含有&、31、110、1、￥、他元素。五自由度进给机构带动等离子头D沿模具型腔表面运动，生成强化表面，工件与等离子束相对速度为l-30mm/s，等离子束流宽度为0. l_5mm。强化单元形状是依据模具结构和使用工况选定；能量束调节器根据基材特性的不同进行工艺调节。在利用本装置优选实施例制造表面具有菱形强化单元分布形态的汽车罩盖压铸模具时，根据模具基材和表面工作应力分布情况选择合金粉进行表面合金化，主要合金元素为Mo、W和V ；用自适应送粉机构依据型腔几何表面曲率信息将合金粉送至模具型腔表面；用等离子束流宽度为2mm，能量密度为106W/cm2等离子束流按照4mm/s的速度和轨迹扫描模具型腔表面，形成间隔为2mm、强化深度为0. 8mm的菱形强化单元(如图3所示)。加工测试后其硬度为HRC55，摩擦系数为0. 32，耐磨性显著提高，具有仿生表面的模具型腔使用寿命提高了 3倍。在利用本装置优选实施例制造表面具有人字形强化单元分布形态的支柱顶盖热锻模具时，根据模具基材和表面工作应力分布情况选择不进行表面合金化；用等离子束流宽度为1mm，能量密度为104W/cm2等离子束流按照lmm/s的速度和轨迹扫描模具型腔表面，形成间隔为1mm、强化深度为1. Omm的人字形强化单元(如图4所示)。加工测试后其硬度为HRC52，摩擦系数为0. 36，具有仿生表面的模具型腔使用寿命提高了 2倍。在利用本装置优选实施例制造表面具有鱼骨形强化单元分布形态的铝合金挤压模具时，根据模具基材和表面工作应力分布情况选择合金粉进行表面合金化，主要合金元素为Cr、Si和Mo ；用自适应送粉机构依据型腔几何表面曲率信息将合金粉送至模具型腔表面；用束流宽度为0. 6mm,能量密度为105W/cm2等离子束流按照2mm/s的速度和轨迹扫描模具型腔表面，形成间隔为1mm、强化深度为1. Omm的鱼骨形强化单元(如图5所示)。加工测试后其硬度为HRC63，摩擦系统为0. 30，耐磨性显著提高，具有网状强化表面的模具型腔使用寿命提高了 1.8倍。综上，本发明提供了一种冷作模具、热作模具等离子束功能表面强化工艺方法及实现装置，针对不同工况下的冷作模具或热作模具基材，依据模具型腔几何表面曲率信息及工作应力分布情况通过等离子束将强化合金粉送至模具表面或不送合金粉，然后用 106-104ff/cm2等离子束流按照设定速度和轨迹扫描模具型腔表面，形成间隔为0. l-8mm、强化深度为0. 1-1. Omm的菱形、人字形、鱼骨形强化单元，既保证了基材的韧性又提高了型腔表面的强度。该装置包括控制系统、等离子束发生器、能量束调节器、自适应送粉机构、五自由度进给机构且控制系统包括工艺参数库、强化路径生成系统。通过计算机控制五自由度进给机构，带动等离子束发生器和自适应送粉机构，沿模具型腔基材表面生成不同分布的强化单元图案，其中能量束调节器根据基材熔点的不同采用不同的工艺参数。工艺与设备相结合可以方便实现等离子能量束在模具型腔表面形成不同强化图案，同时等离子能量束可根据基材的物理性能作自适应调节，从而形成与模具基体金属相结合的网状强化单元， 使模具使用寿命延长1-3倍，大大降低了生产成本。由技术常识可知，本发明可以通过其它的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所有在本发明范围内或在等同于本发明的范围内的改变均被本发明包含。
权利要求
1.一种模具型腔表面等离子束强化方法，其特征在于，包括以下步骤步骤1 将待处理的模具安装在工作台上；步骤2 调整等离子束发生器与待处理的模具型腔位姿，以使等离子束发生器与模具型腔表面达到最佳工作位置；步骤3 根据待处理的模具材料，确定工艺参数，调节等离子束能量；步骤4 根据模具型腔几何特征，确定等离子束的强化轨迹；步骤5 根据强化轨迹，在模具型腔表面进行强化路径测试，以检测强化设备可能发生的干涉性；步骤6 等离子束流按照确定的速度和轨迹扫描模具型腔表面。
2.根据权利要求1所述的模具型腔表面等离子束强化方法，其特征在于，还包括步骤 7 模具型腔表面经由等离子束扫描强化后，进行表面抛光，形成完整强化层。
3.根据权利要求1所述的模具型腔表面等离子束强化方法，其特征在于，在步骤6中， 等离子束扫描模具型腔表面形成的强化单元的间隔为0. 4-10mm、强化深度为0. 1-1. 0mm。
4.根据权利要求3所述的模具型腔表面等离子束强化方法，其特征在于，所述强化单元呈菱形、人字形或鱼骨形。
5.根据权利要求1所述的模具型腔表面等离子束强化方法，其特征在于，在步骤6中， 所述等离子束的能量密度为106-104W/cm2。
6.根据权利要求1所述的模具型腔表面等离子束强化方法，其特征在于，在步骤6中， 还包括根据模具型腔几何表面曲率信息将合金粉送至模具型腔表面，所述合金粉含有Cr、 Si、Mo、W、V、Nb。
7.一种模具型腔表面等离子束强化装置，其特征在于，包括等离子束发生器，用于产生等离子束；能量束调节器，设于所述等离子束发生器，用于调节等离子束的能量密度；五自由度进给机构，所述五自由度进给机构包括工作台和工作部，所述工作台具有平移自由度、旋转自由度，所述工作部具有互相垂直的两个方向的平移自由度，且所述工作部上设有一个等离子束安装轴，所述等离子束安装轴具有旋转自由度；控制系统，与所述等离子束发生器、能量束调节器和五自由度进给机构连接以控制、协调所述等离子束发生器、能量束调节器和五自由度进给机构的动作。
8.根据权利要求7所述的模具型腔表面等离子束强化装置，其特征在于，还包括与所述控制系统连接并用于向模具型腔表面输送合金粉的自适应送粉机构，所述自适应送粉机构根据模具基材和表面工作应力分布情况选择合金粉或者不用合金粉以及根据型腔几何表面曲率信息将合金粉送至模具型腔表面。
全文摘要
本发明提供一种模具型腔表面等离子束强化方法及装置，该方法包括以下步骤步骤1将待处理的模具安装在工作台上；步骤2调整等离子束发生器与待处理的模具型腔位姿，以使等离子束发生器与模具型腔表面达到最佳工作位置；步骤3根据待处理的模具材料，确定工艺参数，调节等离子束能量；步骤4根据模具型腔几何特征，确定等离子束的强化轨迹；步骤5根据强化轨迹，在模具型腔表面进行强化路径测试，以检测强化设备可能发生的干涉性；步骤6等离子束流按照确定的速度和轨迹扫描模具型腔表面。本发明不但可以增强模具型腔表面抗磨损性能、抗热疲劳性能，大幅度提高模具的使用寿命，而且强化工艺简单、成本较低。
文档编号C23C8/36GK102392104SQ201110369558
公开日2012年3月28日 申请日期2011年11月21日 优先权日2011年11月21日
发明者刘立君, 华顺明, 张学昌, 王义强, 王晓军, 王龙山, 贾志欣, 郑堤 申请人:浙江大学宁波理工学院