連續(xù)激光高速拋光冷作模具鋼的表面粗糙度及性能

周泳全，張衛(wèi)，肖海兵，徐曉梅，朱穎

（1.深圳信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 智能制造與裝備學(xué)院，廣東 深圳 518172；2.北京航空航天大學(xué) 機(jī)械工程及自動化學(xué)院，北京 100191）

模具是“工業(yè)之母”，無論沖壓模、注射模還是壓鑄模和吹塑模，都需要對模具的凸模和凹模表面進(jìn)行拋光。為滿足現(xiàn)代制造業(yè)的需求，模具鋼的拋光加工目前主要朝高質(zhì)和高效方向發(fā)展。許多模具都需要進(jìn)行超高精密的加工，對表面粗糙度Ra的要求甚至達(dá)到了納米級別[1]；另一方面，為了滿足客戶緊迫訂單的要求，不少模具制造商希望大幅度縮短模具制造過程中最耗時之一的拋光工序的制造周期，期望一種新的表面拋光技術(shù)能將粗糙度較大（Ra為1.8～5.0 μm）的表面快速拋光至基本光滑的表面（Ra＜0.4 μm）。激光拋光技術(shù)開始于20世紀(jì)90年代中期[2]，相對于傳統(tǒng)的磁研磨拋光、機(jī)械拋光、超聲波拋光、化學(xué)拋光、電解拋光和流體拋光，在加工效率、加工質(zhì)量和清潔制造等方面都具有卓越的優(yōu)勢。歐美國家開展激光拋光技術(shù)的研究比其他激光加工技術(shù)（如激光熔覆、超快激光加工）早，但激光熔覆和超快激光加工技術(shù)早已應(yīng)用于多個行業(yè)，激光拋光技術(shù)因難度大，直到2018年初德國Fraunhofer ILT 激光研究所和Arnold公司合作開發(fā)的五軸數(shù)控激光拋光機(jī)床[3]，才正式在工業(yè)領(lǐng)域投入應(yīng)用。

激光對金屬材料的拋光包括連續(xù)激光拋光和脈沖激光拋光兩種工藝[4-7]，連續(xù)激光通常用于粗拋光或半精拋光，脈沖激光則用于精拋光[5,7-8]。許多研究學(xué)者對包括模具鋼在內(nèi)的工具鋼進(jìn)行了連續(xù)激光的拋光研究，并取得了把原始粗糙度降低 40%～80%的研究成果。Ukar等人[9-10]建立了數(shù)學(xué)模型預(yù)測拋光結(jié)果，并利用燈泵浦和 CO2連續(xù)激光拋光 DIN 1.2379（D2）冷作模具鋼，驗(yàn)證了仿真模型的正確性，并把原始粗糙度降低了75%～80%。B.Richter等人[4]論證了臨界頻率和毛細(xì)管平滑預(yù)測模型在鈷鉻鉬合金連續(xù)激光拋光中的適用性，并把原始表面粗糙度降低了70%。Joshua D.Miller等人[11]指出，在H13模具鋼連續(xù)激光拋光過程中，采用功率和速度的最佳瞬時組合，表面質(zhì)量提高了83%（表面粗糙度從1.35 μm降低到 0.23 μm）。

許多研究人員研究了能量密度[12-14]、掃描速度[15]和掃描填充間距[16]等工藝參數(shù)對連續(xù)激光拋光表面質(zhì)量的影響，大多數(shù)研究人員認(rèn)為激光能量密度對表面完整性的影響最大[15]。激光能量密度的調(diào)節(jié)，可通過改變激光光束的離焦量來實(shí)現(xiàn)，從而相應(yīng)地改變光束直徑。M.T.C.Chow等人[12]在激光光束離焦量為1.3～2.9 mm時拋光了AISI H13模具鋼表面，當(dāng)離焦量大于2.2 mm時，表面粗糙度降低39.7%。同樣，Pfefferkorn等人[13]表明激光光束直徑是影響激光拋光S7工具鋼零件粗糙度的重要因素。我國學(xué)者陳繼民[17]通過優(yōu)化連續(xù)激光的加工工藝參數(shù)（功率、離焦量、掃描速度和掃描填充間距），將2316模具鋼表面的粗糙度由1.0 μm降低到0.2 μm。

高斯（Gaussian）光束和平頂（Top-hat）光束是連續(xù)激光的兩種光束表現(xiàn)形式[6,18]，因高斯光束聚焦光斑的能量高度集中在中央，容易導(dǎo)致拋光時材料表面的蒸發(fā)與氣化，不易控制表面熔池的溫度，常使拋光后的表面粗糙度失控，所以高斯光束適合激光打標(biāo)和切割等工藝。而平頂光束的聚焦光斑，能量均勻分布，相對容易控制熔池溫度[6]，有利于控制激光拋光的粗糙度。

上述研究成果均是在激光功率小于500 W、掃描速度低于200 mm/s的條件下獲得，激光拋光的效率并不顯著，但可以獲得較高的表面質(zhì)量。Kumstel等人[19]利用較低的掃描速度和平頂激光光束，拋光鈦鎳合金，獲得了較低的表面粗糙度（Ra=0.16 μm）。北京航空航天大學(xué)管迎春團(tuán)隊(duì)[20]利用連續(xù)激光以低于150 mm/s的掃描速度多次掃描拋光3D打印的IN718合金零件，表面粗糙度從原始的7.5 μm降低至0.1 μm。

本文利用連續(xù)激光，重點(diǎn)研究在獲得較高表面質(zhì)量的前提下，通過優(yōu)化平頂光束光斑直徑、掃描速度和掃描路徑，大幅度提高拋光效率的方法。

1 試驗(yàn)材料與方法

連續(xù)激光拋光冷作模具鋼的原理是利用激光能量將工件表面瞬間熔化，形成熔池，然后依靠熔池的表面張力，將熔化后的表面波峰填入波谷，實(shí)現(xiàn)“熔峰填谷”（MPFV）和拋光的目的[4-11,21]。試驗(yàn)材料為Cr12MoV冷作模具鋼（其化學(xué)成分見表1），對應(yīng)美國 AISI D2冷作模具鋼，常用于金屬板料的沖裁和拉伸沖壓模具?？熳呓z電火花切割（Wire-EDM cut）和粗銑是該材料零件的常見粗加工手段，其加工粗糙度一般在 1.5～4.0 μm 范圍內(nèi)。為了獲得更光滑的表面和更高的尺寸及形狀精度，還需要通過半精銑、精銑和磨削等后續(xù)加工手段，把表面粗糙度降低至0.25 μm左右。本試驗(yàn)樣本通過快走絲電火花切割，切割表面粗糙度為 1.942 μm，試驗(yàn)?zāi)康氖菍⒃撉懈畋砻娓咚賿伖庵僚c磨削加工效果相同的表面粗糙度。

表1 Cr12MoV模具鋼的化學(xué)成分Tab.1 Chemical composition of Cr12MoV steel

連續(xù)激光高速拋光系統(tǒng)的設(shè)備包括 500W 光纖連續(xù)激光發(fā)生器、縮束鏡、掃描振鏡、惰性氣體密封艙等。連續(xù)激光發(fā)生器經(jīng)過DOE/ROE衍射光學(xué)器件將高斯光束整形為平頂光束，并經(jīng)縮束鏡，通過振鏡掃描，拋光工件表面，試驗(yàn)裝置示意圖如圖1所示。表1顯示Cr12MoV模具鋼沒有與氮?dú)庠诟邷叵掳l(fā)生化學(xué)反應(yīng)的金屬成分（如Mg、Ca、Sr和Ba等），因此試驗(yàn)裝置的密封艙采用氮?dú)庾鳛楸Ｗo(hù)氣體。

文獻(xiàn)[12-13,15,20]都是通過改變離焦量間接來改變作用在工件表面的激光光斑直徑，這種方法不適合平頂光束的光斑調(diào)整，因?yàn)槠巾敼馐谡x焦或負(fù)離焦位置，就會喪失光斑能量密度均勻分布的特點(diǎn)[22]，無法實(shí)現(xiàn)激光拋光能量精密控制的目的。本試驗(yàn)通過縮束鏡改變輸入掃描振鏡的光斑直徑，實(shí)現(xiàn)正焦量（離焦量為0）的加工，光斑在320～540 μm范圍內(nèi)可無極調(diào)整，并始終保持平頂光束的特征。

試驗(yàn)按照不同光斑直徑分為I、II、III和IV組，并經(jīng)過前期工藝優(yōu)化試驗(yàn)，選取試驗(yàn)參數(shù)如表2所示。每組掃描2次，第一次沿x軸掃描，第二次沿y軸掃描。

前期許多學(xué)者均使用之型或?qū)蔷€型路徑作為激光拋光的掃描路徑[8,11]，其特點(diǎn)都是光斑朝單一方向運(yùn)動，只有到達(dá)掃描區(qū)域的邊界后再移動一個掃描間距（Step-over）開始反向掃描，如圖2a所示。這種掃描拋光路徑只能朝一個方向?qū)崿F(xiàn)熔峰填谷的方法，導(dǎo)致連續(xù)激光拋光很難將原始表面粗糙度降低85%以上[11,23,25]。連續(xù)激光拋光時產(chǎn)生的熔池深度一般為50～150 μm[20,23-24]，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于激光焊接和激光熔覆的熔池深度，如果掃描方向一直都沿四周方向，熔峰填谷的效果則更顯著。為此，本試驗(yàn)采用之型-方波的復(fù)合路徑，如圖2b所示。

利用白光干涉儀（BRUKER WYKO Contour GT-K）直接測量連續(xù)激光拋光的表面粗糙度，并獲取其 3D微觀形貌。用慢走絲線切割機(jī)沿垂直于激光光束掃描方向切取拋光工件，并經(jīng)表面打磨、超聲波除油及拋光處理后，最后使用5%硝酸+95%酒精的混合溶液腐蝕橫截面，制成試樣，然后利用SEM掃描電鏡ZEISS SIGMA 500/VP和GeminiSEM 300，分別觀察拋光表面微觀形貌及其橫截面的金相顯微組織，橫截面的尺寸為5 mm×8 mm。采用FM-800顯微維氏硬度計(jì)對拋光表面進(jìn)行顯微硬度測量，壓入載荷為3.0 N，加載時間為12 s，取5次檢測的平均值。

2 結(jié)果與討論

2.1 拋光表面粗糙度及效率

圖3a是Cr12MoV模具鋼經(jīng)快走絲線切割后的粗糙表面，圖3b和圖3c分別是激光束以之型路徑和之型-方波復(fù)合路徑掃描獲得的拋光樣品表面。圖4a則揭示了在2.0 mm×2.0 mm測量區(qū)域內(nèi)，該切割表面粗糙度（Ra=1.942 μm）及其 3D形貌，相對于基準(zhǔn)表面，3D形貌波峰最高值Rp=29.871 μm，波谷最低值Rv=-16.343 μm，波峰與波谷的高度差Rt=46.214 μm。激光束按表2的優(yōu)化工藝參數(shù)分別以之型路徑和之型-方波復(fù)合路徑的掃描方式，對快走絲線切割后的表面進(jìn)行連續(xù)激光拋光，兩者掃描路徑在Group I（光斑直徑 320 μm）獲得的拋光表面粗糙度最高，在Group IV（光斑直徑470 μm）獲得的最低。之型路徑掃描在Group I獲得的最低粗糙度Ra為0.43 μm（圖3b），而之型-方波復(fù)合路徑在 Group IV獲得的最低拋光表面粗糙度Ra為0.26 μm，表面粗糙度的降低幅度更大，這是因?yàn)檫@種之型與方波型組合掃描路徑形成的熔池表面張力，促使熔池沿四周流動，使微觀形貌的波峰在張力作用下產(chǎn)生物質(zhì)遷移，并流向周圍波谷，相比之型掃描方法，達(dá)到熔峰填谷和降低表面粗糙度的效果更加顯著。

無論哪種掃描方式，試驗(yàn)結(jié)果表明，光斑直徑越小，拋光表面粗糙度就越大。Group I的光斑直徑最小，能量密度最大，在相同的功率和掃描速度下，能量在熔池的沉積最高，導(dǎo)致熔池材料局部蒸發(fā)和氣化嚴(yán)重，表面粗糙度也隨之降低；隨著光斑直徑的增大，能量密度降低，當(dāng)光斑直徑為470 μm（Group IV）時，能量密度達(dá)到最佳值，所獲得的表面粗糙度也最低。

為更準(zhǔn)確反映Group IV獲得的圖3c拋光表面的3D表面微觀形貌，測量區(qū)域設(shè)置為5.0 mm×5.0 mm，如圖4b所示，圖3c拋光表面的3D形貌波峰最高值Rp=28.883 μm，波谷最低值Rv=-9.691 μm，波峰與波谷的高度差Rt=38.574 μm。

光斑直徑為 470 μm 時，原始表面粗糙度Ra=1.94 μm，拋光表面粗糙度Ra=0.26 μm，而表面粗糙度降低了86.5%，相比文獻(xiàn)[11,23,25]，在保持表面粗糙度幾乎相同降幅的情況下，拋光的掃描速度為500 mm/s，效率提高了1倍以上。此時掃描間距（如圖2a）為0.1 mm，掃描2次，那么拋光100 mm×100 mm的平面只需 6.7 min。而傳統(tǒng)的磁研磨拋光、機(jī)械拋光、超聲波拋光、化學(xué)拋光、電解拋光和流體拋光，把原始表面粗糙度降低86.5%，最快也需要20 min。如果由熟練技師進(jìn)行手工拋光，至少需要120 min。

2.2 拋光表面微觀組織形貌與顯微硬度

前期大量研究工作[4-7,10-12,14]均描述了連續(xù)激光在掃描速度較低（＜200 mm/s）時對拋光表面顯微組織的影響，較高掃描速度（≥400 mm/s）對表面顯微組織的影響則鮮見報道。為了研究此影響，選取圖3a的原始快走絲線切割后的粗糙表面和圖3c的最低表面粗糙度的表面，進(jìn)行SEM微觀形貌的檢測及對比分析。

從圖5可見，在掃描速度較高的情況下，激光拋光表面微觀組織相比原始快走絲線切割表面發(fā)生了顯著變化。圖5a顯示原始快走絲線切割表面粗糙度較大，整體體現(xiàn)出微觀波峰連綿起伏的特征，在箭頭及其周圍位置更加明顯；而圖5b顯示的激光拋光表面粗糙度較小，整體平坦，僅在箭頭所處的局部位置體現(xiàn)了較大的波峰與波谷的高度差Rt，這與圖4分析結(jié)果（Analytical Result）是一致的（快走絲線切割后表面Rt=46.214 μm，拋光表面Rt=38.574 μm，Rt=|Rp|+|Rv|）。

2.3 拋光表面顯微硬度

Ukar[9-10]和 Amine T等人[26]利用連續(xù)激光拋光ANSI D2冷作模具鋼時，在獲得最低表面粗糙度的情況下，熔池區(qū)域凝固后的顯微硬度分別為 610HV和590HV。本試驗(yàn)通過SEM電鏡檢測了拋光表面橫截面的顯微組織，發(fā)現(xiàn)激光高速拋光后，平頂光束的能量均勻?qū)е翪r12MoV材料表面的熔池張力均勻、流速均勻，能降低馬氏體激活能，促使一部分殘余奧氏體充分轉(zhuǎn)換為馬氏體，并使整體馬氏體均勻分布，使材料的顯微組織更加致密，如圖6a和圖7a所示，不僅降低了表面粗糙度，也提升了表面顯微硬度。圖6a揭示了激光拋光層主要由熔池層（A區(qū)）和熱影響區(qū)（B區(qū)和C區(qū)）構(gòu)成，其顯微硬度隨深度的分布如圖6b所示。經(jīng) FM-800顯微維氏硬度計(jì)測試，在距離表面15 μm深處的顯微硬度為601HV，之后隨著深度的增加，顯微硬度顯著下降，直到深度達(dá)到120 μm附近（達(dá)到熱影響上層區(qū)域B區(qū)）后，顯微硬度才趨于穩(wěn)定（266HV），即接近Cr12MoV退火后的出廠硬度。

圖7揭示了拋光表面橫截面的 A、B、C、D四區(qū)（圖6a）的顯微組織。A區(qū)是熔池層，其顯微馬氏體組織非常致密（圖7a），這也導(dǎo)致了熔池層的顯微硬度大幅度提升；但隨著深度的增加，從熱影響區(qū)上層 B區(qū)（圖7b）至熱影響區(qū)下層 C區(qū)（圖7c），直至材料基層（圖7d），其顯微組織逐漸粗疏，直至還原材料基層的組織結(jié)構(gòu)。

3 結(jié)論

1）具備一定中等功率和平頂光束特征的連續(xù)激光，在優(yōu)化激光加工工藝參數(shù)（含掃描路徑）的前提下，可以將較高粗糙度（Ra=2.0 μm左右）的模具鋼表面快速拋光至機(jī)械磨削的光滑程度，表面粗糙度可以降低86%以上，拋光效率比傳統(tǒng)機(jī)械拋光工藝大幅提升67%，比人工拋光提升94%，讓零件表面粗糙度一步降低到位。激光拋光在充滿惰性氣體的密封艙進(jìn)行，除惰性氣體本身外，無需任何外來材料輔助加工，同時也不產(chǎn)生任何材料的流失或揮發(fā)。因?yàn)榧す馔ㄟ^熔池張力使工件表面重新分布，達(dá)到降低粗糙度的目的，無任何材料的增減，因此是真正的無污染的綠色制造。

2）使用優(yōu)質(zhì)平頂激光光束和之型-方波復(fù)合掃描路徑，可突破連續(xù)激光拋光模具鋼時無法高效快速地把表面粗糙度降低86%以上的極限。無論采用何種激光光束和掃描路徑，激光光斑功率密度必須與掃描速度相匹配，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化組合，使激光能量導(dǎo)致的熔池張力充分實(shí)現(xiàn)熔峰填谷的效果。如果激光光斑功率密度與掃描速度不匹配，一方面，能量沉積過多，導(dǎo)致熔池材料蒸發(fā)或氣化，拋光表面容易滋生次生粗糙度；另一方面，能量不足，熔池張力不夠，無法實(shí)現(xiàn)熔峰填谷的效果，原始粗糙度的降低效果不顯著。

3）連續(xù)激光拋光后的模具鋼表面的顯微硬度明顯上升，提高幅度達(dá)到了 125%，但硬度層的深度有限，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于淬火硬度層。因此，Cr12MoV材料的顯微硬度層深度為120 μm時，不能滿足大批量沖壓加工的冷作模具要求，但對中小批量沖壓加工的冷作模具卻非常合適。