[发明专利]基于激光相变硬化的工模具边缘部位的强化方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种激光表面强化处理方法，特别是针对于工模具边缘部位的一种激光相变硬化方法。

技术背景

工模具的主要失效形式是表面磨损。因此，利用表面处理技术来提高工模具表面的强度、硬度、耐磨特性等综合性能，以减少磨损，提高工模具使用寿命，也就成为最经济、最有效的方法。目前，在工模具工业中已经发展了多种表面强化处理技术，常见的有：热喷涂、等离子体化学热处理、离子注入技术、气相沉积技术、TD处理、电镀与化学镀、电刷镀等。随着产品规模化的发展，特别是国内外不断出现的高速、高效及高精度塑性加工工艺的出现，对工模具的综合性能要求变得越来越苛刻，工模具寿命问题日益突出；传统的表面强化处理技术越来越难以满足现实的需要，于是，利用激光对工模具表面进行处理也就走进了人们的视线。激光表面处理技术是利用高能量密度的激光对工模具进行表面处理，从而改变工模具表层的显微结构或成分，实现工模具的表面强化或修复。

激光相变硬化(激光淬火)是利用激光辐照到金属表面，使其表面以很高的升温速度迅速达到相变温度而形成奥氏体，当激光束离开后，利用金属本身热传导而发生“自淬火”，使金属表面发生马氏体转变。与传统淬火方法相比，激光淬火是在急热、急冷过程中进行的，温度梯度高，从而在表面形成了一层硬度极高的特殊淬火组织，如晶粒细化、高位错密度等。其淬火层的硬度比普通淬火的硬度还高15％～20％。淬硬层深度可达0.1～2.5mm，因而可大大提高工模具的耐磨性，延长工模具的使用寿命。经激光表面强化后，工模具的表面硬化层硬度高，耐磨性好。但对于工模具边缘及凸起部位，常规的处理方法是通过多次试验来寻找最佳偏置距离或者采用挡板紧靠边缘或凸起部位。

但是最佳偏置距离的寻找并非一次就能找到，往往需要进行长时间、多次数的实验才能获取，造成因实验而导致的报废工模具数量巨大，浪费大。并且，这种处理方法寻找到的偏置距离的精确性跟实验操作者的经验紧密相关，无法保证该偏置距离为最佳值。

若采用挡板紧靠边缘或凸起部位，防止边缘塌陷，既消耗人力、物力，又会造成挡板与工模具边缘或凸起粘连以致报废。

发明内容

为克服现有技术的人力和物力的消耗，克服工模具边缘(或凸起)的塌边等缺陷，发明提供了一种人力、物力消耗小，不造成浪费，能保证偏置距离的最优性的基于激光相变硬化的工模具表面强化方法。

基于激光相变硬化的工模具边缘部位的强化方法，包括以下步骤：

1)、根据经验选择激光强化光源，设置光源参数，所述的光源参数包括激光波长，功率，扫描速度和光斑直径；获取待加工的工模具的参数，工模具参数包括材料属性、相变温度，熔点和几何学尺寸；

2)设定强化光源的起始位置，进行激光扫描，并通压缩空气以快速冷却工模具、达到表面强化的目的；

其特征在于：对光源照射工模具的情况进行仿真计算、以获取强化光源与工模具边缘的最佳强化距离，使强化光源的起始位置与工模具边缘的距离等于所述的最佳强化距离；

获取最佳强化距离的步骤包括：

(A)根据工模具参数建立模型；设定强化光源的初始位置，获取光源与工模具边缘的距离；

(B)对强化光源的光斑照射区域内的工模具进行热场分析，获取工模具表面的温度场；

(C)根据光源与工模具边缘的距离获取工模具边缘的温度，将边缘温度与工模具的相变温度和熔点比对：

(C.1)、若边缘温度高于熔点，工模具在接受光源照射时，工模具边缘会发生液化，则将强化光源朝远离工模具边缘的方向移动一个偏置距离，重新执行步骤(B)；

(C.2)、若边缘温度低于相变温度，工模具边缘无法发生相变、而无法达到强化目的，则将强化光源朝靠近工模具边缘的方向移动一个偏置距离，重新执行步骤(B)；

(C.3)、若边缘温度高于相变温度、并且低于熔点，则获取强化光源与工模具边缘的当前距离，以此当前距离作为最佳强化距离。

进一步，步骤C)中，利用有限元软件进行仿真，通过有限元热分析获取光斑照射区域的温度场，所述的偏置距离等于扫描方向的工模具尺寸/扫描方向的工模具尺寸所划分的网格数。

本发明的技术构思是：在实际操作以前，模拟强化光源照射工模具表面，通过热场分析获取工模具表面的温度场，获取强化光源与工模具边缘的最佳强化距离。在实际操作时，将光源设置于最佳位置，即可保证所有产品均为合格品，不会造成浪费，且节约人力物力。扫描方向的网格划分的尺寸越小，获得的最佳强化距离越精确；但网格划分尺寸小，计算量大，所以应选合适的网格划分尺寸。