光纖激光單道拋光模具鋼的工藝參數(shù)研究

秦繼鵬，劉儼后，車科，麻娟，劉健

(1.山東省精密制造與特種加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東淄博 255000；2.山東理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，山東淄博 255000)

0 前言

表面拋光是模具制造的最后環(huán)節(jié)，現(xiàn)階段主要以手工拋光為主，但效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大、產(chǎn)品質(zhì)量缺乏一致性和穩(wěn)定性，并且拋光費(fèi)用有時(shí)占到加工成本的25%。因此，需要開發(fā)新的拋光工藝。

激光拋光是使用激光輻射熔化材料層，通過材料自身的表面張力將熔化的材料均勻地分布在表面上，最終得到理想的拋光材料表面。激光拋光被認(rèn)為是一種極具發(fā)展?jié)摿Φ膾伖夥椒?，其加工速度快、靈活性好，不僅能實(shí)現(xiàn)平面區(qū)域的加工，還能實(shí)現(xiàn)三維空間與不規(guī)則曲面以及微小區(qū)域選區(qū)拋光，而不影響其他的區(qū)域。在合適的參數(shù)下，加工后的表面應(yīng)力很小，無需后處理，僅僅會(huì)影響工件表面，而對(duì)工件內(nèi)部沒有影響。激光拋光不接觸加工表面，減少了夾具設(shè)計(jì)的負(fù)擔(dān)；其加工方式靈活，激光頭可以安裝在任何一種數(shù)控平臺(tái)上，不依賴于專用設(shè)備，進(jìn)一步壓縮了拋光的成本。黃加福等探究了在使用激光拋光的過程中各主要工藝參數(shù)如功率、掃描速度的影響。周浩等人采用波長為1 064 nm的光纖連續(xù)激光器拋光S136-D模具鋼，通過合理控制激光參數(shù)，拋光后的表面粗糙度最終可達(dá)到0.94 μm，改善率高達(dá)88.2%。MAI和LIM研究了激光拋光不銹鋼，發(fā)現(xiàn)拋光后，不銹鋼表面粗糙度下降了60%且表面的裂紋得到了有效控制。CHOW等研究了不同離焦量對(duì)激光拋光效果的影響，得出通過改變離焦量可以改變激光作用在材料表面的能量密度的結(jié)論。

本文作者采用波長為1 080 nm的光纖激光器對(duì)9CrWMn模具鋼進(jìn)行單道拋光試驗(yàn)。研究激光功率、掃描速度、離焦量對(duì)激光單道掃描拋光后工件表面產(chǎn)生的單道掃描寬度的影響，并分析試驗(yàn)現(xiàn)象。

1 激光拋光金屬的作用機(jī)制

金屬材料激光切割是去除表面而激光拋光則是移動(dòng)的激光光束輻照金屬材料表面，使表面材料重熔然后快速凝固。在此過程中，重熔的表面凸起會(huì)由于表面張力的影響而重新分布，激光光束離開熔融區(qū)域后，固液界面隨著激光光束移動(dòng)，從而使表面平復(fù)。RAMOS-GREZ和BOURELL認(rèn)為，根據(jù)表面重熔深度的不同，激光拋光機(jī)制可進(jìn)一步分為表面淺熔(SSM)機(jī)制和表面過熔(SOM)機(jī)制。

SSM機(jī)制如圖1所示，當(dāng)激光束聚焦在金屬表面上時(shí)，它在材料表面作用較短時(shí)間或較小能量，金屬材料表面上的高峰部分則達(dá)到熔點(diǎn)溫度，開始熔化。其作用類似于“削峰填谷”，在不平整的待加工表面上，熔融的為表面高凸的部分，而低凹的部分則在金屬熔融物的重力作用下得到填平，最終得到趨于光滑的金屬表面。

圖1 SSM作用機(jī)制

SOM機(jī)制如圖2所示，在激光拋光中，選擇低速掃描或使用的能量密度ED過大，金屬材料表面的熔融將持續(xù)較長時(shí)間。此時(shí)，熔融層將不會(huì)只在材料淺層，而會(huì)向深處發(fā)散，這將導(dǎo)致材料的加工表面形貌和力性能變差。在激光光斑照射內(nèi)的金屬表面材料全都進(jìn)入熔融狀態(tài)隨后蒸發(fā)，激光光斑掃描時(shí)會(huì)因熔池和凝固區(qū)之間的溫度差而產(chǎn)生質(zhì)量流動(dòng)現(xiàn)象，且熔池的表面張力隨著溫度的升高而減小，會(huì)產(chǎn)生將熔融液體從激光光斑的中心向凝固區(qū)推動(dòng)的力，而熔池曲面和重力阻礙了液體的流動(dòng)，從而在表面形成空間頻率較低的微小波動(dòng)，所以作用在熔池表面的力的持續(xù)時(shí)間大于熔池本身的凝固時(shí)間，其表面粗糙度因此增加。

圖2 SOM作用機(jī)制

2 試驗(yàn)設(shè)備及方法

2.1 試驗(yàn)材料及設(shè)備

選取9CrWMn模具鋼作為研究對(duì)象，其成分如表1所示，試驗(yàn)前將工件磨平，并使用砂紙進(jìn)行進(jìn)一步打磨。相對(duì)于陶瓷材料和玻璃，金屬的熱導(dǎo)率較高、熔點(diǎn)較低，當(dāng)激光光束輻照金屬表面時(shí)，除了會(huì)造成熔融區(qū)域外，還會(huì)形成熱影響區(qū)，同時(shí)也會(huì)使殘余熱應(yīng)力增大。

表1 9CrWMn模具鋼成分

采用波長為1 080 nm的光纖連續(xù)激光器，產(chǎn)生的激光諧振腔發(fā)出的基模輻射場(chǎng)橫截面的振幅分布遵守高斯函數(shù)，如圖3所示。

圖3 高斯激光束

采用的試驗(yàn)裝置以及拋光原理如圖4所示。激光頭部自帶保護(hù)氣體噴嘴防止氧化，保護(hù)氣體為氮?dú)?。在常壓下，氮?dú)庠诤芨叩臏囟认虏艜?huì)分解，試驗(yàn)中使樣品表面熔化的溫度相比使氮?dú)獍l(fā)生化學(xué)反應(yīng)的溫度低，因此樣品表面的熔融過程幾乎不受氮?dú)獾挠绊憽?/p>

圖4 試驗(yàn)裝置及原理簡圖

2.2 影響激光拋光的工藝參數(shù)

總體來說，功率、離焦量和掃描速度是影響激光拋光效果的3個(gè)主要因素。合理地選擇3個(gè)參數(shù)，是獲得良好表面的關(guān)鍵。離焦量是指激光焦點(diǎn)位置與樣品表面的距離，如圖5所示。當(dāng)焦點(diǎn)在樣品表面時(shí)，離焦量為0；當(dāng)焦點(diǎn)在樣品表面以上時(shí)，離焦量為正；當(dāng)焦點(diǎn)在樣品表面以下時(shí)，離焦量為負(fù)。試驗(yàn)中使用的激光為高斯激光，離焦量與光斑直徑之間的關(guān)系如公式(1)(2)所示：

圖5 不同離焦量z作用在工件表面

(1)

(2)

其中：為光斑直徑；為離焦量，為瑞利長度；為激光波長。

連續(xù)激光光束與表面的作用時(shí)間和掃描速度有關(guān)，平均能量密度由公式(3)確定：

(3)

其中：為激光功率；為光斑直徑；為激光光斑在樣品表面停留的時(shí)間，在連續(xù)激光中，=；為光斑面積，在高斯激光中，=π4；為掃描速度。

2.3 拋光工藝參數(shù)選取

在激光拋光中，過低的掃描速度會(huì)使拋光時(shí)間大幅度延長。對(duì)于單道拋光，單次拋光雖然可以在幾秒內(nèi)完成，但進(jìn)行面拋光時(shí)，其累積的加工用時(shí)將大大增加，也將耗費(fèi)大量的氮?dú)猓焕谠囼?yàn)的經(jīng)濟(jì)性。而過高的速度也會(huì)降低激光的平均能量密度。因此，經(jīng)過前期預(yù)試驗(yàn)和查閱文獻(xiàn)，選定掃描速度為2.5～4.5 m/min。

激光功率選取過小，工件表面不會(huì)出現(xiàn)明顯的單道拋光痕跡，選取功率過大又會(huì)造成表面過熔，因此選擇最低功率為50 W、最高功率為130 W。針對(duì)激光拋光，能量密度隨離焦量增加而減小，則選擇離焦量為-2～2 mm。

正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)是研究多因素多水平的又一種設(shè)計(jì)方法，它是根據(jù)正交性從全面試驗(yàn)中挑選部分有代表性的點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)，這些有代表性的點(diǎn)具備“均勻分散，齊整可比”的特點(diǎn)。對(duì)3種工藝參數(shù)進(jìn)行正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，如表2所示，共進(jìn)行25次試驗(yàn)。

表2 正交試驗(yàn)

3 試驗(yàn)現(xiàn)象與分析

按表2進(jìn)行試驗(yàn)后，使用無水乙醇擦拭如圖6所示的工件表面，隨后使用金相顯微鏡測(cè)量并記錄激光單道拋光后的寬度，結(jié)果如表3所示。

表3 激光單道拋光寬度

圖6 激光單道拋光后工件樣貌

25組拋光寬度如圖7所示?？梢钥闯觯涸趻呙杷俣认嗤脑囼?yàn)中，單次激光拋光的寬度隨著功率的提高、離焦量從負(fù)到正的改變呈現(xiàn)出相同的變化趨勢(shì)，即寬度由窄變寬。

圖7 單道拋光寬度

在25次試驗(yàn)中，單次拋光的最小間距出現(xiàn)在切割速度、功率以及離焦量均最小的試驗(yàn)1中，為76.4 μm；最大間距出現(xiàn)在掃描速度最小、功率最大、離焦量最大的試驗(yàn)5中，為372 μm。試驗(yàn)1與試驗(yàn)5同屬于掃描速度最小(2.5 m/min)的一批。

如圖8所示，在試驗(yàn)1中，雖然經(jīng)過拋光區(qū)域表面呈現(xiàn)出平整、光潔的狀態(tài)，但是單道拋光間距與未處理表面的分界不明顯，這是因?yàn)楣β蔬^小，拋光力度弱。其拋光的作用機(jī)制為SSM機(jī)制。如圖9所示，在試驗(yàn)5中，由于功率較高且離焦量較大，工件表面單道拋光的寬度明顯增加，且表面形貌發(fā)生了變化，波紋狀熔池均勻地散布在整個(gè)加工面內(nèi)，且與未處理表面有了明顯的分界。其拋光的作用機(jī)制為SOM機(jī)制。

圖8 試驗(yàn)1表面金相圖

圖9 試驗(yàn)5表面金相圖

通過觀察剩余試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)如試驗(yàn)2，在低速、低功率、負(fù)離焦量的單道拋光情況下，拋光機(jī)制為SSM，材料表面的大部分區(qū)域得到拋光去除，但是還有部分表面材料存在均勻分布的未去除殘余部分，如圖10所示。

圖10 試驗(yàn)2表面金相圖

如試驗(yàn)9，在低速、高功率、正離焦量的單道拋光情況下，材料表面出現(xiàn)過熔(SOM)現(xiàn)象，如圖11所示。這是因?yàn)榧す夤馐饔迷诓牧媳砻鏁r(shí)間較長或能量密度過大，導(dǎo)致材料表面熔融范圍過大，而熔池的冷卻速度非常快，所以作用在熔池表面的力的持續(xù)時(shí)間大于熔池本身的凝固時(shí)間，以至于熔融材料還未停止振蕩就已經(jīng)凝固，生成新的不平整表面，出現(xiàn)過熔現(xiàn)象。這種情況大多是由于功率過大引發(fā)的。在試驗(yàn)中，大功率、低速度時(shí)，容易出現(xiàn)這種現(xiàn)象。為減少過熔現(xiàn)象的發(fā)生，應(yīng)盡可能避免較低速度、過大功率以及大離焦量的情況。

圖11 試驗(yàn)9表面金相圖

如試驗(yàn)22，在高速、低功率、負(fù)離焦量的單道拋光情況下，拋光機(jī)制為SSM，材料表面基本得到拋光且更加平整，如圖12所示，雖然進(jìn)行一次單道拋光并沒有將表面全部拋光去除，但是相比試驗(yàn)2，實(shí)驗(yàn)22試件表面的未去除殘余部分明顯減少，可見適當(dāng)提高拋光速度與功率可提高拋光后的表面平整程度。

圖12 試驗(yàn)22表面金相圖

4 結(jié)論

本文作者闡述了在激光拋光過程中，金屬材料表面被去除時(shí)，根據(jù)表面重熔深度的不同所劃分的表面淺熔(SSM)和表面過熔(SOM)2種機(jī)制，以及功率、掃描速度、離焦量對(duì)激光拋光的影響。通過試驗(yàn)得到不同拋光機(jī)制下的工件表面。結(jié)果表明：在模具鋼的單道拋光過程中，使用大功率(130 W)、較低掃描速度以及正離焦量的工藝組合雖然可使單道拋光的區(qū)域?qū)挾让黠@提高，但是會(huì)出現(xiàn)表面過熔現(xiàn)象，其表面平整程度比在高速、低功率(70 W)、負(fù)離焦量的情況下得到的差；在負(fù)離焦量的情況下，提高拋光速度、適當(dāng)降低功率可提高拋光后的表面平整程度。