[发明专利]一种金属塑性成形模具表面的激光复合造型处理方法

说明书

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已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(100μs-500ms)、脉冲频率(2Hz-7×10⁴Hz)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-200μs)、脉冲频率(1KHz-6×10⁵Hz)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＝20-500μm，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；模具表面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＝20-100μm，相邻两凹坑间的距离b＝30-600μm。