陳凱健
1.上海賽科利汽車模具技術(shù)應(yīng)用有限公司(上海 201209)
2.上海汽車車身先進(jìn)制造工程技術(shù)研究中心(上海 201209)
汽車覆蓋件關(guān)系到汽車美觀(顏值即有形價(jià)值)和安全(安全是第一位),是汽車組成中重要的一部分,包括車身、底盤(pán)、發(fā)動(dòng)機(jī)蓋。其覆蓋件由沖壓模具多次沖壓而成,模具經(jīng)過(guò)多次沖壓本身局部會(huì)有磨損,同時(shí)磨損后的模具也會(huì)刮傷鈑金件,為了使模具不變成“磨具”,需在其應(yīng)力集中地方進(jìn)行局部淬火強(qiáng)化處理。原先公司只有感應(yīng)淬火和火焰淬火,因其人員依賴性較強(qiáng)、操作復(fù)雜、且模具曲面異形多變等特點(diǎn)導(dǎo)致淬火周期長(zhǎng)、淬火質(zhì)量低、開(kāi)裂等常見(jiàn)問(wèn)題,淬火后變形量大需二次精加工,無(wú)形中增加了模具的交付周期和加工成本,而激光淬火有其淬火硬度高、變形量小、能反復(fù)淬火等顯著優(yōu)勢(shì)。公司決定攻克激光淬火關(guān)鍵技術(shù),實(shí)現(xiàn)模具的全工序淬火,取消淬火后二次加工,并能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的淬火技術(shù),使得淬火不再成為模具制造的瓶頸,從而提高產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。
針對(duì)機(jī)械零部件表面硬度低、耐磨性、耐腐蝕性、抗疲勞性差等缺陷,使用激光表面淬火技術(shù),金屬材料吸收激光能量溫度升高到相變點(diǎn)以上熔點(diǎn)以下,通過(guò)基體傳熱實(shí)現(xiàn)自冷淬火,在零部件表面有限深度內(nèi)發(fā)生固態(tài)相變。由于激光溫度高加熱快,同時(shí)激光是高能聚合光,使得模具受熱后散熱也快,從而使得模具表面在3s內(nèi)快速馬氏體化(見(jiàn)圖1),晶粒小,不易變形達(dá)到淬火目的。
對(duì)于鋼鐵材料,材料表面吸收激光能量,表面溫度升高,通過(guò)熱擴(kuò)散,在一定層深范圍內(nèi)形成溫度梯度分布,溫度范圍介于AC1和AC3之間,珠光體Fe3C分解,C擴(kuò)散形成高碳奧氏體,奧氏體快速冷卻形成馬氏體,最終相變組織為馬氏體,殘余奧氏體,過(guò)飽和固溶體或金屬間化合物,組織結(jié)構(gòu)細(xì)小,基體的表面硬度,耐磨性,耐疲勞性提高。
圖1 激光淬火金屬馬氏體化過(guò)程
激光淬火設(shè)備主要包括:激光器、機(jī)器人、移動(dòng)工作臺(tái)等。目前光纖激光器應(yīng)用較廣,激光器將電流通過(guò)模塊轉(zhuǎn)換成激光,再由光纖引到淬火頭上,淬火頭內(nèi)置有用于光束整形的積分鏡,將激光整合成條形均勻激光光斑,從淬火頭射出;機(jī)器人、常用六軸機(jī)器人,可實(shí)現(xiàn)異形曲面和多角度加工;移動(dòng)工作臺(tái)可擴(kuò)大淬火區(qū)域。
在使用上述設(shè)備進(jìn)行淬火作業(yè)時(shí),預(yù)先通過(guò)CAD/CAM軟件確定加工基準(zhǔn)、編制加工路徑、生成加工程序,并將程序?qū)爰す獯慊鹪O(shè)備的控制系統(tǒng)等處理,實(shí)現(xiàn)由控制系統(tǒng)按照程序控制設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)淬火作業(yè)。
首先在模具型面圖紙上用CAD/CAM軟件找出3個(gè)定位CH孔,導(dǎo)出step格式文件,用Mastercam打開(kāi),在模具上根據(jù)3個(gè)CH孔測(cè)好坐標(biāo),輸入測(cè)好的坐標(biāo)值到Mastercam中,為路徑線定好基準(zhǔn)。用Mastercam的5軸路徑編程插件編制淬火路徑線,以上均為現(xiàn)有計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和輔助制造系統(tǒng)的常規(guī)應(yīng)用,在實(shí)際應(yīng)用中也可選擇其他的CAD/CAM系統(tǒng)而非局限于前面提及的幾種。
針對(duì)拉伸模R凸角,為了易于拋光和消除拋光產(chǎn)生的凸棱,可根據(jù)不同大小的R凸角來(lái)選擇相對(duì)應(yīng)的淬火鏡頭(積分鏡)來(lái)進(jìn)行淬火(見(jiàn)圖2)。一般經(jīng)驗(yàn):半徑小于或等于10mm的R凸角使用10mm的積分鏡;半徑大于R10mm、小于或等于R50mm的R凸角用20mm的積分鏡(其中10mm和20mm是指積分鏡整合出的矩形光斑的長(zhǎng)度)。
圖2 激光淬R角示意橫截面圖
由于R凸角大于20mm、小于等于50mm時(shí)用20mm積分鏡整合出激光光斑不能覆蓋整個(gè)R凸角,因此大的R凸角可分開(kāi)淬多道,即構(gòu)建多條平行的路徑線,例如,R小于20mm時(shí)一條路徑,20~40mm 2條,40~50mm 3條等等,兩兩路徑平行,邊緣相接,保證R凸角全部淬到。而大于50mm的R凸角不需要淬火,所以拉伸模R凸角的淬火程序分可歸納為兩套:10mm積分鏡程序和20mm積分鏡程序。
對(duì)于R凸角和小圓孔存在的不規(guī)則情況,可通過(guò)曲線擬合的方式確定其R取值和直徑取值,如圖3、圖4所示。
圖3 優(yōu)化前
圖4 優(yōu)化后
通過(guò)合理的淬火路徑規(guī)劃和分組,有效解決了R凸角,特別是接口和小圓孔,這些相對(duì)較短的路徑線上進(jìn)行淬火,避免激光器碰撞、光纖纏繞等問(wèn)題,能夠?qū)崿F(xiàn)全自動(dòng)化淬R凸角,如圖5所示。
圖5 激光淬火效果圖
分別使用激光淬火、感應(yīng)淬火、火焰淬火3種淬火方式,對(duì)淬火后鑄件硬度分布進(jìn)行對(duì)比:
(1)激光淬火:硬度較均勻,淬火質(zhì)量較穩(wěn)定,淬火表面較美觀,與R角符型較好,利于后期研配,如圖6所示。
圖6 激光淬火
(2)感應(yīng)淬火:硬度較均勻,淬火質(zhì)量較穩(wěn)定,淬火表面較美觀,受制于感應(yīng)線圈,與R角符型較差,R角周邊感應(yīng)區(qū)域(熱影響區(qū))較多,不利于后期研配,如圖7所示。
圖7 感應(yīng)淬火
(3)火焰淬火:硬度不均勻,淬火質(zhì)量較差(硬度忽高忽低),淬火表面質(zhì)量較差,與R角符型較好,如圖8所示。
圖8 火焰淬火
分別使用激光淬火、感應(yīng)淬火兩種方式,對(duì)淬硬層進(jìn)行切片分析:
激光淬火:淬硬層深度1.1mm左右,如表1所示。
表1 激光淬火淬硬層報(bào)告
感應(yīng)淬火:淬硬層深度3.5mm左右,如圖9所示。
圖9 感應(yīng)淬火淬硬層報(bào)告
感應(yīng)淬火的淬硬層深度明顯高于激光淬火,但也正是因?yàn)楦袘?yīng)淬火淬硬層深的緣故,鑄件容易開(kāi)裂造成質(zhì)量問(wèn)題。而火焰淬火,對(duì)操作工的技能依賴性較強(qiáng),淬硬層深度不穩(wěn)定。
分別使用激光淬火、感應(yīng)淬火兩種方式,對(duì)淬火變形量進(jìn)行了對(duì)比,激光淬火變形量報(bào)告如圖10所示。
圖10 激光淬火變形量報(bào)告
在激光淬火前后型面變形量的試驗(yàn)中,共取檢測(cè)點(diǎn)177個(gè),其中78%的變形量只有0~0.03mm,17%的變 形 量 有 0.03~0.05mm,5% 的 變 形 量 有 0.05~0.075mm。激光淬火整體變形量較小,且表面較光潔美觀。感應(yīng)淬火變形量報(bào)告如圖11所示。
在感應(yīng)淬火前后型面變形量的試驗(yàn)中,共取檢測(cè)點(diǎn)186個(gè),其中19.4%的變形量有0~0.03mm,38.7%的變形量有0.03~0.05mm,29.6%的變形量有0.05~0.08mm,12.3%的變形量有0.08~0.1mm。感應(yīng)淬火的變形量整體較激光淬火偏大,無(wú)法實(shí)現(xiàn)取消二次精加工的要求。
圖11 感應(yīng)淬火變形量報(bào)告
火焰淬火的變形量較大,一般在0.5~1mm左右,本次項(xiàng)目未做形變量試驗(yàn)。
火焰淬火馬氏體化時(shí)間長(zhǎng)晶粒大,所以模具易變形,多次淬易產(chǎn)生裂紋,火焰淬火必須分時(shí)分開(kāi)區(qū)域淬,這樣勢(shì)必造成效率的低下。
感應(yīng)淬火是通過(guò)感應(yīng)電極與金屬表面發(fā)生肌膚效應(yīng),產(chǎn)生這種肌膚效應(yīng)必須使得電極與金屬表面間距始終在1~2mm,所以操作不便,不能淬到小拐角和小圓孔。
而激光淬火是聚合高能量光束,使金屬受熱冷卻3s馬氏體化,晶粒不會(huì)長(zhǎng)大,停留在下圖第三階段,所以不易變形,反復(fù)淬模具不會(huì)產(chǎn)生裂紋,這樣淬火可以不必分時(shí)間段、分區(qū)域,大大提高效率。且激光焦距一般有300mm,對(duì)小拐角和小圓孔也能很好的淬到。
以側(cè)圍單人操作為例,火焰淬火需分時(shí)分區(qū)淬,這樣不連續(xù)需要2天,感應(yīng)淬火只能淬長(zhǎng)線,升降起伏太大的小圓孔和小拐角則無(wú)能為力,激光淬火只需連續(xù)淬12h。火焰和感應(yīng)淬火后需CNC二次加工,淬火后再加工時(shí)間耗費(fèi)長(zhǎng),刀具損耗大,而激光淬火則可以精加工后淬火,無(wú)需火后加工。
自動(dòng)化激光淬火技術(shù)在提高淬火質(zhì)量的前提的下,優(yōu)化了模具加工流程(取消二次精加工),有效地降低了制造成本。以前門內(nèi)板拉伸模為例:人工淬火后精加工,加工工時(shí)168h,刀片消耗8,537元,淬火前加工到位后激光淬火,加工工時(shí)135h,刀片消耗7,662元。每副模具可節(jié)約33h的加工工時(shí)和875元刀片消耗。按照每年360副模具的產(chǎn)量,一年可節(jié)約成本125萬(wàn)左右。同時(shí),由于自動(dòng)化技術(shù)的引入,提高了工作效率,減少了因人為失誤而造成的損失,為企業(yè)實(shí)現(xiàn)了降本增效。以側(cè)圍凸模為例,激光淬火完全淬完需要10h,感應(yīng)淬火需要16h(且部分區(qū)域需要火焰補(bǔ)淬),效率提升40%左右。
目前已實(shí)現(xiàn)了全模具工序的激光淬火,不管是模座還是鑲塊,淬火的硬度、層深、光潔度、變形量等均滿足質(zhì)量要求,同時(shí)淬火路徑美觀均勻,利于后續(xù)的研配。