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(shí)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(diǎn)，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(diǎn)記錄后進(jìn)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(diǎn)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(shí)踐驗(yàn)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(dá)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(jī)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(gè)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(jìn)行離線編程軟件的開發(fā)，實(shí)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(shí)。

（3）將工藝知識庫結(jié)合入工藝軟件，離線、簡捷地進(jìn)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(diǎn)是根據(jù)設(shè)備、軟件的現(xiàn)實(shí)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(jī)床決定的加工坐標(biāo)系的制訂（影響淬火位置的精確性）、運(yùn)動方式（根據(jù)淬火區(qū)域的陡峭程度、運(yùn)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(gè)轉(zhuǎn)軸角度）、程序結(jié)束后的收光動作等。

現(xiàn)場進(jìn)行大量的激光淬火工藝的試驗(yàn)，對模具不同材質(zhì)、尺寸、淬火層要求條件下試驗(yàn)得到最佳工藝參數(shù)匹配，穩(wěn)定達(dá)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(jī)、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(jì)進(jìn)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(jìn)行顯微觀察和性能試驗(yàn)。

（3）實(shí)例 按照以上分析方法和試驗(yàn)手段，進(jìn)行一組工藝參數(shù)配合的試驗(yàn)，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(dá)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(shí)激光功率應(yīng)在1600～2000W。

當(dāng)然，通過樣件試驗(yàn)方法得出的參考值可以在一定范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)整，因?yàn)椋簩?shí)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(jìn)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(jī)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(shí)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(yàn)證方面利用Vericut軟件，建立激光淬火五軸聯(lián)動機(jī)床的數(shù)控加工模擬仿真平臺，對數(shù)控程序進(jìn)行模擬仿真檢驗(yàn)，確保數(shù)控程序的安全性和正確性。

由于該激光機(jī)床主軸頭和機(jī)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(shí)現(xiàn)在CAM軟件中生成淬火的運(yùn)動軌跡，并根據(jù)機(jī)床主軸的結(jié)構(gòu)參數(shù)通過三維空間運(yùn)算得出五軸機(jī)床主軸的實(shí)際空間點(diǎn)，根據(jù)數(shù)學(xué)模型得出淬火點(diǎn)的激光照射矢量，從而計(jì)算出機(jī)床的A角度和C角度，最終自動生成五軸機(jī)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(yùn)動軌跡CAM軟件中以刀具實(shí)體代表光路）

5.激光淬火工藝過程的自動化實(shí)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(diǎn)的機(jī)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(shí)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(shí)間，將激光淬火的時(shí)間即設(shè)備的有效使用時(shí)間大大提高。在程序化的實(shí)現(xiàn)中，需要重點(diǎn)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(yàn)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(yàn)得出的工藝參數(shù)重新進(jìn)行軌跡補(bǔ)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(shí)間達(dá)到總工作時(shí)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(jìn)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(yùn)動軌跡變化較劇烈區(qū)，該五軸聯(lián)動機(jī)床無法保證在加工點(diǎn)間保持勻速運(yùn)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(yùn)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(diǎn)中勻速平穩(wěn)地進(jìn)行激光能量傳輸，從而保證各淬火點(diǎn)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(jìn)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(shí)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）