专利名称：一种金属塑性成形模具表面的激光复合造型处理方法
技术领域：
本发明涉及金属塑性成形模具领域，尤其指在金属塑性成形模具表面，进行 激光复合造型处理。
背景技术：
随着现代塑性加工技术的进步，航空航天、汽车工业和3C产业的飞速发展， 复杂形状零件和难变形材料成形的需求越来越大，对模具的设计制造提出了更高 的要求。
目前，模具表面处理是通过改变工件表层成分、几何形貌、组织或在表面沉 积镀层，能显著提高模具的硬度、耐磨性、疲劳强度、耐热性、耐蚀性、抗咬合 性。如热喷涂、等离子化学热处理、气相沉积、TD处理、离子注入、表面喷丸 等各种表面强化技术。但是在应用范围、工艺可控性、可重复性、加工效率和成 本、结合强度和密度等方面具有或多或少的缺陷。中国专利200410039671.5公 开了一种模具表面强化处理方法，该方法是先将模具完成品进行应力消除，再以 陶瓷砂进行喷砂操作程序，使模具表面更坚硬及有效的增加其压应力，以减少龟 裂和其它缺陷，并进而增加模具的抗疲乏性。但存在粗糙度不均匀及再现性差等 不足。近20年来迅速发展的激光表面处理，无需考虑基体和涂层材料之间的相 互作用，通过表面造型、熔凝(改形)、表面淬火或表面合金化(改性)等改形 改性手段，可以获得高性能的表面硬化层，显著提高模具性能和寿命。中国专利 200410010847.4公开了一种刀具及模具刃口激光淬火硬化处理方法，但该种方法 仅仅是对工件进行表面改性处理，而没有对工件表面进行改形处理。金属塑性成 形过程中，摩擦的影响具有两重性。故在实际生产中，常常采用有意将拉深凸模 制得较粗糙，凹模工作表面粗糙度小些，尽量光滑平整。利用粗糙的凸模表面, 和材料发生摩擦，从而使最大拉深力出现在危险断面的上方,增大了材料的拉深 能力。但由于用传统的表面处理方法处理得到的凸模易于磨损，磨损后后会变得 光滑，这种效果很难持久。利用粗糙度小的凹模表面，来降低其与材料表面的有 害摩擦，但光滑表面因无存油区域而处于边界润滑状态，无法形成混合润滑或流 体润滑，容易产生黏着磨损，易擦伤，效果不好。另外，轧辊激光毛化技术的研 究和实际应用以及激光微造型技术己由不少学者在一些重要的摩擦副如缸套/活塞环、机械密封、以及推力轴承等方面的应用研究已经表明，激光毛化技术和激 光微造型在金属板料塑性成形方面的有效性和应用潜力，但是针对复杂模具工作 表面的毛化和微造型的激光复合造型尚未涉及。
因此，本发明针对上述问题提出一种金属塑性成形模具表面的处理方法，来 改善传统模具的性能。
发明内容
本发明的主要目的，在于提供一种金属塑性成形模具表面的处理方法，其 是将激光毛化和激光微造型技术应用于金属塑性成形模具的表面处理中，从而对 模具表面进行改形和改性处理，以提高模具表面机械和摩擦性能，延长模具的使 用寿命。
本发明的次要目的，在于提供一种金属塑性成形模具表面的激光复合造型 处理方法，以优化模具的成形工艺。
本发明的又一目的，在于提供一种金属塑性成形模具表面的激光复合造型 处理方法，以提高成形件的表面质量和使用性能。
为达到上述目的，本发明的技术方案是根据模具工作过程中，金属板料 的流动特点、应力应变状态，以及接触表面的受力状态等，确定接触表面摩擦的
两重性，通过控制激光功率密度(105-107W/cm2)、脉冲宽度U00戸一500ms)、 脉冲频率(2Hz-7xl04Hz)等激光参数，在产生有利摩擦的部位(凸膜圆角、侧 壁)实施不同的毛化造型方案处理，形成硬度高(HV800-1300),且呈疏密不等 分布的、由凹坑和凸台组成的火山口状微观几何形貌和金相组织；通过控制激光 功率密度(106-108W/cm2)、脉冲宽度(5ns-200戸)、脉冲频率(lKHz-6x 105Hz) 等激光参数，在产生有害摩擦的部位(凹模凸缘、圆角)实施不同的微造型方案 处理，形成硬度高(HV800-1000)且呈疏密不等分布的微凹坑微观几何形貌和 金相组织。
激光复合造型处理后，模具表面的火山口状微观形貌的几何参数为凹坑直 径B=20-500//w，凸台高度h=l-8//m，凸台宽度b=3-20//m，相邻两凹坑间的 距离D=50-500//m;模具表面微凹坑微观几何形貌的几何参数为凹坑深度 h二3-20/z;w ，凹坑直径D=20-100//m ，相邻两凹坑间的距离b=30-600//m 。
本发明的优点是板料和凸模接触压力区的毛化形貌呈疏密不等的分布，以及板料和凹模接触压力区的凹坑也呈疏密不等的分布，为封闭形状，且重复性 好，其形貌可根据粗糙度、峰密度和凹坑密度要求通过调整激光加工的参数精确 控制；当用这种新型复合造型金属塑性成形模具进行金属塑性成形时，由于模具 表面经激光毛化和激光微造型处理，其表层材料在微观上产生硬化、在宏观上产 生钉扎强化，从而显著的提高了模具工作表面的性能;在产生有害摩擦部位表面， 如拉深凹模凸缘、圆角区表面的微凹坑，既能起到存储润滑油和保持良好润滑的 作用，又能起到收集磨粒的作用，从而改善了模具表面的润滑状况，起到了润滑 减磨和减摩的效果，并有利于材料的流动；此外，在产生有利摩擦部位表面，如 拉深凸模圆角、侧壁区表面的激光毛化微观结构，增大了凸模表面粗糙度，从而 使最大拉深力出现在危险断面的上方，增大了材料的拉深能力，也起到收集磨粒 的作用、减磨的效果，有效的减小材料向模具内部的扩散，并有效的防止模具与 产生金属塑性成形的板料间产生粘结，改善了材料的流动性，使变形变得均匀， 也有效防止了工件的回弹，从而优化了金属塑性成形的工艺过程；塑性成形中， 模具表面这种特殊的毛化形貌映射到成形工件表面，提高了成形工件的深冲性、 韧性、涂漆光亮度等性能。总之，采用本发明后，不仅显著地提高了模具自身的 机械性能、摩擦学性能、寿命以及成形件的表面质量和使用性能，同时也改善了 板料成形过程中的工况，优化了金属塑性成形工艺。
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图l是本发明的示意图
图2是图1中A的放大图
图3是图1中B的放大图
附图的图面数字说明如下
图l: l-凸模；2-压边圈；3-板料；4-凹模；
图2: l-凸模；3-板料；5-凸台；6-凹坑；7-磨粒；8-硬化层；b-凸台宽度；h-凸 台高度；B-凹坑直径；D-相邻两凹坑间的距离
图3: 3-板料；4-凹模；6-凹坑；7-磨粒；8-硬化层；9-润滑油；h-凹坑深度；b-相邻两凹坑间的距离；D-凹坑直径
具体实施例方式
下面以拉深模具为例说明本发明的具体实施过程。激光加工设备YAG或092激光器。
金属塑性成形模具选用的是拉深模具，其材料为6W6Mo5Cr4V。
本发明实施例提供激光复合造型模具的制备方法，其步骤为
第一步提供灯泵浦YAG激光器和二极管泵浦YAG激光器，其中，灯泵 浦YAG激光器基本参数为激光平均功率为200W，脉冲宽度为0.3-20ms，脉 冲频率为10、10SHz;二极管泵浦YAG激光器基本参数为激光平均功率为15W， 脉冲宽度S70朋，脉冲频率为10、5xl()SHz。
第二步选取拉深模具基体，其材料为6W6Mo5Cr4V。
第三步驱动激光器，调整激光功率密度(105-107W/cm2)、脉冲宽度、脉 冲频率等激光参数，使高能量密度、高重复频率的脉冲激光照射有利摩擦部位， 如凸模1的圆角区，同时激光脉冲沿凸模1的有利摩擦部位运动，并吹辅助气体， 从而在凸模1的不同有利摩擦部位形成硬度极高(HV800-1300)且呈疏密不等 分布的、由凹坑6和凸台5组成的火山口状微观几何形貌。
经激光毛化后凸模表面形成的火山口状微观几何形貌的几何参数为凹坑 直径B=20-500//w，凸台高度h^-8/zw,凸台宽度b=3-20//w，相邻两凹坑间 的距离D=50-500//w。
第四步驱动激光器，调整激光功率密度(106-108W/cm2)、脉冲宽度、脉 冲频率等激光参数，使高能量密度、高重复频率的脉冲激光照射有害摩擦部位， 如凹模1的圆角区，同时激光脉冲沿凹模1的有害摩擦部位运动，并吹辅助气体， 在金属塑性成形模具的凹模表面不同的关键部位形成硬度极高(HV800-1000)且 呈疏密不等分布的凹坑状微观几何形貌。
激光微造型部分模具表面的微观几何参数为凹坑深度h-3-20//w，凹坑直 径D=20-100pm ，相邻两凹坑间的距离b=30-600//w 。
当用这种复合造型金属塑性成形模具进行塑性成形时，为了减小有害摩擦， 需要在板料3和凹模4之间添加润滑油，随着凸模l的逐渐深入凹模4，润滑油 进入了板料3表面，并由于两表面间的巨大压力而形成介于流体动压润滑和干摩 擦间的混合摩擦，从而减小了摩擦力和板料的擦伤；为了增大有利摩擦，在板料 3和凸模1接触区不添加润滑油，凸模1圆角区的毛化结构对板料3表面起到钉 扎强化作用，同时凸模1侧壁部分的毛化结构增加了与板料3之间的摩擦使凸模1圆角部位的板料所受的径向拉应力减小，则提高了变形板料危险断面的承载能 力。
模具经上述处理后，显著提高了模具表面的摩擦和机械性能，延长了模具 的使用寿命，优化了材料的流动性、变形均匀性等拉深成形工艺，提高了拉深工 件的深冲性、韧性、涂漆光亮度等性能。
权利要求
1、一种金属塑性成形模具表面的激光复合造型处理方法，其特征在于在金属塑性成形模具表面的凸模圆角区这些有利摩擦部位进行激光毛化处理后，形成硬度HV800-1300且呈疏密不等分布的、由微凹坑及其周缘凸台组成的火山口状微观几何形貌和金相组织，其中，火山口状微观几何形貌的几何参数为凹坑直径B＝20-500μm，凸台高度h＝1-8μm，凸台宽度b＝3-20μm，相邻两凹坑间的距离D＝50-500μm；在金属塑性成形模具表面的凹模圆角区这些有害摩擦部位进行激光微造型处理后，形成硬度HV800-1000且呈疏密不等分布的微凹坑微观几何形貌和金相组织，其中，微凹坑微观几何形貌的几何参数为凹坑深度h＝3-20μm，凹坑直径D＝20-200μm，相邻两凹坑间的距离b＝30-600μm。
2、根据权利要求1所述的一种金属塑性成形模具表面的激光复合造型处理方法，其特征在于联动、协调控制激光毛化和微造型工艺参数激光功率105 -108 PF/cw2、脉冲宽度5ns-500ms、光闸或调Q开关、选用空气、氮气、氧 气这些辅助气体、压力0.1-0.5 MPa，以及运动速度和方向这些机械系统的运动 参数，在模具表面得到预先设定的微观几何形貌及其分布。
全文摘要
本发明根据模具的工作过程，确定模具与板料的主要接触压力区，分析其受力特点以及对板料成形的影响，并确定模具工作部位的摩擦，是有利摩擦，还是有害摩擦。在产生有害摩擦的部位，进行激光微造型，形成凹坑状微观几何形貌。在产生有利摩擦的部位，进行激光毛化，形成四周为凸台、中间为凹坑的众多火山口状微观几何形貌。本发明的优点是，使凸模圆角部位毛坯所受的径向拉应力减小，提高了危险断面的承载能力；有害摩擦部位(凹模圆角、凸缘区)的激光微造型，改善冲压过程的润滑状况，降低了接触表面的摩擦系数，减少了擦伤、粘结及磨损，并有利于材料流动；模具表层材料微观上硬化、宏观上钉扎强化，显著提高了模具的耐磨抗磨性能。
文档编号B23K26/14GK101318261SQ20081012431
公开日2008年12月10日 申请日期2008年6月25日 优先权日2008年6月25日
发明者符永宏, 涛 米 申请人:江苏大学