自動化激光淬火技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用

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.上海汽車車身先進制造工程技術(shù)研究中心（上海 201209）

1 引言

汽車覆蓋件關(guān)系到汽車美觀（顏值即有形價值）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、發(fā)動機蓋。其覆蓋件由沖壓模具多次沖壓而成，模具經(jīng)過多次沖壓本身局部會有磨損，同時磨損后的模具也會刮傷鈑金件，為了使模具不變成“磨具”，需在其應(yīng)力集中地方進行局部淬火強化處理。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、操作復(fù)雜、且模具曲面異形多變等特點導(dǎo)致淬火周期長、淬火質(zhì)量低、開裂等常見問題，淬火后變形量大需二次精加工，無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。公司決定攻克激光淬火關(guān)鍵技術(shù)，實現(xiàn)模具的全工序淬火，取消淬火后二次加工，并能實現(xiàn)自動化的淬火技術(shù)，使得淬火不再成為模具制造的瓶頸，從而提高產(chǎn)品的市場競爭力。

2 淬火淬火原理

針對機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以上熔點以下，通過基體傳熱實現(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（見圖1），晶粒小，不易變形達到淬火目的。

對于鋼鐵材料，材料表面吸收激光能量，表面溫度升高，通過熱擴散，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，過飽和固溶體或金屬間化合物，組織結(jié)構(gòu)細小，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程

3 自動化激光淬火工藝方案

3.1 激光淬火設(shè)備組成

激光淬火設(shè)備主要包括：激光器、機器人、移動工作臺等。目前光纖激光器應(yīng)用較廣，激光器將電流通過模塊轉(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；機器人、常用六軸機器人，可實現(xiàn)異形曲面和多角度加工；移動工作臺可擴大淬火區(qū)域。

3.2 自動化激光淬火流程

在使用上述設(shè)備進行淬火作業(yè)時，預(yù)先通過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，實現(xiàn)由控制系統(tǒng)按照程序控制設(shè)備進行自動淬火作業(yè)。

首先在模具型面圖紙上用CAD/CAM軟件找出3個定位CH孔，導(dǎo)出step格式文件，用Mastercam打開，在模具上根據(jù)3個CH孔測好坐標(biāo)，輸入測好的坐標(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)有計算機輔助設(shè)計和輔助制造系統(tǒng)的常規(guī)應(yīng)用，在實際應(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。

3.3 激光淬火工藝的選擇

針對拉伸模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凸角來選擇相對應(yīng)的淬火鏡頭（積分鏡）來進行淬火（見圖2）。一般經(jīng)驗：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時用20mm積分鏡整合出激光光斑不能覆蓋整個R凸角，因此大的R凸角可分開淬多道，即構(gòu)建多條平行的路徑線，例如，R小于20mm時一條路徑，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。

對于R凸角和小圓孔存在的不規(guī)則情況，可通過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，這些相對較短的路徑線上進行淬火，避免激光器碰撞、光纖纏繞等問題，能夠?qū)崿F(xiàn)全自動化淬R凸角，如圖5所示。

圖5 激光淬火效果圖

4 激光淬火與傳統(tǒng)方式對比

4.1 淬火質(zhì)量對比

分別使用激光淬火、感應(yīng)淬火、火焰淬火3種淬火方式，對淬火后鑄件硬度分布進行對比：

（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

4.2 淬硬層對比

分別使用激光淬火、感應(yīng)淬火兩種方式，對淬硬層進行切片分析：

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，但也正是因為感應(yīng)淬火淬硬層深的緣故，鑄件容易開裂造成質(zhì)量問題。而火焰淬火，對操作工的技能依賴性較強，淬硬層深度不穩(wěn)定。

4.3 淬火形變量對比

分別使用激光淬火、感應(yīng)淬火兩種方式，對淬火變形量進行了對比，激光淬火變形量報告如圖10所示。

圖10 激光淬火變形量報告

在激光淬火前后型面變形量的試驗中，共取檢測點177個，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)淬火變形量報告如圖11所示。

在感應(yīng)淬火前后型面變形量的試驗中，共取檢測點186個，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，無法實現(xiàn)取消二次精加工的要求。

圖11 感應(yīng)淬火變形量報告

火焰淬火的變形量較大，一般在0.5～1mm左右，本次項目未做形變量試驗。

4.4 效率對比

火焰淬火馬氏體化時間長晶粒大，所以模具易變形，多次淬易產(chǎn)生裂紋，火焰淬火必須分時分開區(qū)域淬，這樣勢必造成效率的低下。

感應(yīng)淬火是通過感應(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，晶粒不會長大，停留在下圖第三階段，所以不易變形，反復(fù)淬模具不會產(chǎn)生裂紋，這樣淬火可以不必分時間段、分區(qū)域，大大提高效率。且激光焦距一般有300mm，對小拐角和小圓孔也能很好的淬到。

以側(cè)圍單人操作為例，火焰淬火需分時分區(qū)淬，這樣不連續(xù)需要2天，感應(yīng)淬火只能淬長線，升降起伏太大的小圓孔和小拐角則無能為力，激光淬火只需連續(xù)淬12h?；鹧婧透袘?yīng)淬火后需CNC二次加工，淬火后再加工時間耗費長，刀具損耗大，而激光淬火則可以精加工后淬火，無需火后加工。

5 結(jié)束語

自動化激光淬火技術(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168h，刀片消耗8,537元，淬火前加工到位后激光淬火，加工工時135h，刀片消耗7,662元。每副模具可節(jié)約33h的加工工時和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125萬左右。同時，由于自動化技術(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)域需要火焰補淬），效率提升40%左右。

目前已實現(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，同時淬火路徑美觀均勻，利于后續(xù)的研配。