激光熱處理在汽車模具制造中的應(yīng)用

天津汽車模具股份有限公司模具技術(shù)研究院 （300308） 張海濤 張忠選 王遠(yuǎn)振

1.激光熱處理在汽車模具生產(chǎn)的應(yīng)用現(xiàn)狀

汽車覆蓋件模具表面的熱處理是汽車模具制造中的關(guān)鍵工序和重要技術(shù)，直接關(guān)系到模具的工作質(zhì)量和使用壽命，同時也很大程度上制約了模具制造成本和周期的改善。目前，國內(nèi)汽車模具表面熱處理仍以火焰淬火、感應(yīng)淬火或整體淬火為主，存在淬火后模具表面變形量大、表面質(zhì)量差、工藝質(zhì)量不穩(wěn)定等問題，加大了淬火后工件處理難度，需要大量的數(shù)控加工和鉗工修磨，從而大大提高了加工成本，降低了模具質(zhì)量。

激光熱處理具有局部淬火精確均勻，淬火后材料變形量小，以及表面質(zhì)量變化小等優(yōu)點，已經(jīng)在材料熱處理上得到廣泛的推廣，但由于汽車模具結(jié)構(gòu)復(fù)雜，曲面較多，淬火軌跡多變，目前國內(nèi)激光淬火過程中的手動采點記錄后進行簡單編程的方式（即示教模式）不適用汽車模具生產(chǎn)對效率的極大要求，制約了激光熱處理在汽車覆蓋件模具制造中的推廣應(yīng)用，無論從設(shè)備的完善，軟件的配套，還是淬火工藝的合理方面，與預(yù)期的使用效果相比都存在一定距離。

我公司根據(jù)汽車模具加工特點和所購激光設(shè)備現(xiàn)狀，開發(fā)出一整套適用于汽車模具制造的激光淬火工藝解決方案，經(jīng)過實踐驗證，不僅大大提高了激光淬火過程的自動化程度和效率，而且有效簡化了汽車模具生產(chǎn)流程，即取消了由于火焰淬火后模具變形產(chǎn)生的數(shù)控再加工或鉗工大量研磨工作，并達到了預(yù)期的模具表面質(zhì)量效果。

2.激光淬火工藝路線綜述

我公司所購某型號大型橫流激光成套設(shè)備的機械部分為五軸聯(lián)動形式，數(shù)控系統(tǒng)為西門子SINUMERIC 840D，通過以下三方面的結(jié)合來完成整個工藝路線方案。

（1）首先積累模具不同材質(zhì)、不同表面質(zhì)量要求、不同結(jié)構(gòu)條件下的激光淬火工藝參數(shù)，逐步豐富激光淬火工藝知識庫，為快速調(diào)用熱處理工藝參數(shù)做基礎(chǔ)。

（2）進行離線編程軟件的開發(fā)，實現(xiàn)數(shù)控程序的自動化編制，逐步取代現(xiàn)場示教模式的使用，提高淬火過程的程序化加工比例，從而增加激光設(shè)備的有效熱處理工時。

（3）將工藝知識庫結(jié)合入工藝軟件，離線、簡捷地進行大量的淬火設(shè)備數(shù)控程序編制和工藝參數(shù)設(shè)定，現(xiàn)場大量使用數(shù)控程序控制淬火參數(shù)和過程，減少人為干預(yù)，從而大大提高激光設(shè)備的有效利用率和淬火質(zhì)量。

3.激光淬火工藝參數(shù)的積累和優(yōu)化，建立激光淬火工藝知識庫

（1）工藝參數(shù)確定方法 重點是根據(jù)設(shè)備、軟件的現(xiàn)實狀況，分析其優(yōu)勢和局限性，結(jié)合模具工件的特質(zhì)，對不同的模具、材質(zhì)、淬火區(qū)域制訂合理的淬火工藝。合理的淬火工藝包括由激光器決定的積分鏡形式的選擇（決定光斑類型從而影響淬火層的寬度和淬火的效率）、功率和掃描速度的配合（影響淬火的硬度、深度、均勻性和表面質(zhì)量）、吸光涂層的種類和厚度（影響工件對激光能量的有效吸收）等，由數(shù)控機床決定的加工坐標(biāo)系的制訂（影響淬火位置的精確性）、運動方式（根據(jù)淬火區(qū)域的陡峭程度、運動軌跡拐角變化程度、是否封閉路徑等確定是使用五軸聯(lián)動還是固定某個轉(zhuǎn)軸角度）、程序結(jié)束后的收光動作等。

現(xiàn)場進行大量的激光淬火工藝的試驗，對模具不同材質(zhì)、尺寸、淬火層要求條件下試驗得到最佳工藝參數(shù)匹配，穩(wěn)定達到汽車模具表面55～60HRC的硬度要求。

（2）質(zhì)量檢測 利用Atos、三坐標(biāo)測量機、光學(xué)照相測量系統(tǒng)確定激光淬火后模具表面和底面的變形量；使用便攜式超聲波電子材料硬度計進行模具表面淬火層的硬度測量；表面質(zhì)量可使用肉眼觀察表面是否粗糙，是否產(chǎn)生熔化現(xiàn)象，是否出現(xiàn)微裂紋等；淬火層的厚度、顯微組織、耐磨性則通過對淬火后的材料切片進行顯微觀察和性能試驗。

（3）實例 按照以上分析方法和試驗手段，進行一組工藝參數(shù)配合的試驗，得出最佳參考值，見附表（樣件材質(zhì)：GGG70L；照射焦距：315mm；掃描速度360mm/min）。

功率、淬火層深度、表面硬度對應(yīng)表

通過上表可以得出，對應(yīng)材質(zhì)GGG70L的工件，照射焦距和掃描速度固定的條件下，達到汽車覆蓋件模具表面可接受的淬火層厚度和表面硬度時激光功率應(yīng)在1600～2000W。

當(dāng)然，通過樣件試驗方法得出的參考值可以在一定范圍內(nèi)進行調(diào)整，因為：實際模具中尺寸影響較大，尺寸越大，模具底面和型面變形會越明顯，需要將變形控制在可接受范圍內(nèi)；模具鑄件質(zhì)量的影響，即使同一型號的鑄件不同廠家、不同批次的性能都會有差別；激光設(shè)備的制約，激光設(shè)備使用中各部件磨損會造成激光能量部分衰減。

4.離線激光熱處理工藝軟件的完成

該模塊主要利用目前成熟的NXCAM平臺，進行軟件的二次開發(fā)，將煩瑣的數(shù)據(jù)模型處理、刀路生成、五軸聯(lián)動機床后處理等功能集成，并且結(jié)合激光淬火工藝流程和工藝知識庫，自動調(diào)用淬火工藝模板，最終實現(xiàn)自動編制NC程序，大大提高數(shù)控程序編制效率；在數(shù)控程序的安全性驗證方面利用Vericut軟件，建立激光淬火五軸聯(lián)動機床的數(shù)控加工模擬仿真平臺，對數(shù)控程序進行模擬仿真檢驗，確保數(shù)控程序的安全性和正確性。

由于該激光機床主軸頭和機床Z軸不同心，且激光控制命令需要一定的靈活性，軟件開發(fā)實現(xiàn)在CAM軟件中生成淬火的運動軌跡，并根據(jù)機床主軸的結(jié)構(gòu)參數(shù)通過三維空間運算得出五軸機床主軸的實際空間點，根據(jù)數(shù)學(xué)模型得出淬火點的激光照射矢量，從而計算出機床的A角度和C角度，最終自動生成五軸機床所有使用的符合SINUMERIK 840D數(shù)控系統(tǒng)的NC代碼（見圖1）。

圖1

圖2 開發(fā)模塊工藝參數(shù)設(shè)置界面

圖3 五軸模擬淬火運動軌跡CAM軟件中以刀具實體代表光路）

5.激光淬火工藝過程的自動化實現(xiàn)

目前，國內(nèi)激光淬火過程是使用人工操作自學(xué)習(xí)輸入淬火點的機床主軸坐標(biāo)值和轉(zhuǎn)動角的方法，過程煩瑣，勞動量大，效率極低且淬火不精確，尤其對于我公司產(chǎn)能緊張，生產(chǎn)周期要求高，淬火設(shè)備有限的狀況，這樣的生產(chǎn)效率無法滿足生產(chǎn)的實際需求。因此，程序化是解決這一矛盾的必要方式，能夠在設(shè)備使用中盡量減少輔助時間，將激光淬火的時間即設(shè)備的有效使用時間大大提高。在程序化的實現(xiàn)中，需要重點解決設(shè)備穩(wěn)定性檢查，加工坐標(biāo)系設(shè)定，淬火前試驗確定激光光束焦距，掃描速度、功率，加工軌跡偏置調(diào)整，數(shù)控程序隨試驗得出的工藝參數(shù)重新進行軌跡補償，淬火中開光收光的處理，功率速度的調(diào)整，突發(fā)情況的應(yīng)急處理，以及淬火后模具表面質(zhì)量的快速測定等問題，爭取設(shè)備、軟件和工藝的最佳合理協(xié)同使用。

將工藝參數(shù)庫和工藝流程與軟件結(jié)合，調(diào)用模板化的工藝參數(shù)，使用軟件生成的數(shù)控程序，優(yōu)化操作流程，使淬火過程程序化、自動化，淬火有效時間達到總工作時間的70%以上。

6.結(jié)論和展望

目前的激光淬火技術(shù)在汽車覆蓋件模具制造中主要適合于模具表面凹凸圓角、棱線等部位（淬硬層要求不高，見圖4），目前本企業(yè)年產(chǎn)量3000～4000套汽車覆蓋件模具，大部分模具表面都需要一定的淬火，僅按拉深模具和翻整模具各年產(chǎn)量600套算，使用激光淬火工藝進行工件表面熱處理，可節(jié)約大量的加工修磨成本和生產(chǎn)周期，應(yīng)用潛力較大。

應(yīng)用推廣中存在的問題：在運動軌跡變化較劇烈區(qū)，該五軸聯(lián)動機床無法保證在加工點間保持勻速運動，一定程度上影響了部分區(qū)域（尤其是劇烈拐角處）的淬火效果，因此如何更好地控制淬火的運動過程，充分發(fā)揮五軸聯(lián)動設(shè)備的能力，使其在各淬火點中勻速平穩(wěn)地進行激光能量傳輸，從而保證各淬火點的質(zhì)量更好，效率更高，是繼續(xù)攻克的課題；由于激光設(shè)備、鑄件質(zhì)量的穩(wěn)定性、模具結(jié)構(gòu)尺寸等多種因素的制約和影響，需要更多積累不同條件下激光熱處理工藝參數(shù)組合，豐富工藝知識庫，從而保證快速高質(zhì)量地進行工藝參數(shù)使用。

今后，我公司的發(fā)展目標(biāo)是激光淬火加工實現(xiàn)程序控制過程高度的自動化，并不斷豐富淬火的工藝參數(shù)，從而提高激光表面淬火的效率和質(zhì)量，令激光淬火新工藝流程逐漸替代傳統(tǒng)表面淬火工藝及相關(guān)生產(chǎn)流程不再困難，提高其高效生產(chǎn)的可操作性。

圖4

（20131101）