激光加工在模具行業(yè)的設計及應用

激光加工在模具行業(yè)的設計及應用

????? 為了提高研發(fā)和生產速度，快速而精確地制作出高質量、低成本的模具和產品，能對市場變化做出敏捷響應，人們作了大量的研究和探索工作。隨著工業(yè)激光器價格的不斷下降和工業(yè)激光加工技術的日益成熟，給模具制造和產品生產工藝帶來了重大變革。本文首先介紹了工業(yè)加工激光器，然后在模具激光制造、模具表面激光強化和替代、模具激光修復、模具激光清洗等幾個方面進行了介紹和分析。

工業(yè)加工激光器

??? 目前，用于激光加工的工業(yè)激光器主要有兩大類：固體激光器和氣體激光器。其中，固體激光器以Nd:YAG激光器為代表；而氣體激光器則以CO2激光器為代表。隨著激光技術的發(fā)展，目前人們也開始在某些加工應用場合使用大功率光纖激光器和大功率半導體激光器。

??? 1) Nd:YAG激光器

??? Nd:YAG 激光器的激光工作物質為固態(tài)的Nd:YAG棒，其激光波長為1.06μm。由于該種激光器的激光轉換效率較低，同時受到YAG棒體積和導熱率的限制，其激光輸出平均功率不高。但由于Nd:YAG激光器可以通過Q開關壓縮激光輸出的脈沖寬度，在以脈沖方式工作時可獲得很高的峰值功率（108W），適用于需要高峰值功率的激光加工應用；其另一大優(yōu)點是可以通過光纖傳輸，避免了復雜傳輸光路的設計制作，在三維加工中非常有用。此外，還可以通過三倍頻技術將激光波長轉換為355nm（紫外），在激光立體造形技術中得到應用。

??? 2) CO2激光器

??? CO2激光器的激光工作物質為CO2混合氣體，其主要應用的激光波長為10.6μm。由于該種激光器的激光轉換效率較高，同時激光器工作產生的熱量可以通過對流或擴散迅速傳遞到激光增益區(qū)之外，其激光輸出平均功率可以做到很高的水平（萬瓦以上），滿足大功率激光加工的要求。

??? 國內外用于激光加工的大功率CO2激光器，主要是橫流、軸流激光器。①橫流激光器：橫流激光器的光束質量不太好，為多模輸出，主要用于熱處理和焊接。我國目前已能生產各種大功率橫流CO2激光器系列，可滿足了國內激光熱處理和焊接的需求。②軸流激光器：軸流激光器的光束質量較好，為基?；驕驶］敵觯饕糜诩す馇懈詈秃附?，我國激光切割設備市場主要由國外軸流激光器所占領。盡管國內激光器廠商在國外軸流激光器上做了許多工作，但由于主要配件還需進口，產品價格難以大幅度下降，普及率低。

??? 武漢博萊科技發(fā)展有限公司研制了一種旋流CO2激光器，如圖1所示，以新型的旋轉氣體流動方式，使旋流CO2激光器同時具有了軸流CO2激光器光束質量好和橫流CO2激光器造價低、體積小的優(yōu)點。該種工業(yè)加工激光器的推廣應用，將對我國激光加工產業(yè)的發(fā)展和普及起到積極的促進作用。

模具激光制造

??? 1) 激光間接成模工藝

??? ① 立體光造形(Stereo Lithography Apparatus，簡稱SLA)工藝是利用紫外激光束逐層掃描光固化膠的方法形成三維實體工件的。1986年美國3D Systems公司推出了商品化樣機SLA-1。SLA工藝的最高加工精度能達到0.05mm。②薄層疊片制造(Laminated Object Manufacturing，簡稱LOM)工藝采用薄片材料，如紙、塑料薄膜等，由美國Helisys公司于1986年研制成功。通過反復CO2激光器切割和材料粘貼，得到分層制造的實體工件。LOM工藝的特點是適合制造大型工件，其精度達到0.1mm。③選擇性激光燒結(Selective Laser Sintering，簡稱SLS)工藝是利用粉末狀材料成形的，由美國德克薩斯大學奧斯汀分校的于1989年研制成功，通過用高強度的CO2激光器逐層有選擇地掃描燒結材料粉末而形成三維工件，SLS工藝最大的優(yōu)點在于選材較為廣泛。

??? 上述三種激光快速成形技術由于發(fā)展時間長，技術相對比較成熟，在國內外都得到了較為廣泛的應用。但上述方法形成的三維工件都不能直接作為模具使用，需要進行后續(xù)的處理，所以稱之為激光間接成模工藝。主要的處理方法有：①快速成形工件處理后用作模具。LOM制作的紙模經表面處理直接代替砂型鑄造木模；或者用LOM制作的紙模具經表面處理直接用作低熔點合金鑄模、注塑模；或失蠟鑄造中蠟模的成形模。SLS制作的工件經滲銅后，作為金屬模具使用。②用快速成形件作母模澆注硅橡膠、環(huán)氧樹脂、聚氨脂等材料制作軟模具。③用快速成形件翻制硬模具。一種是直接用LOM制作紙基模具，經表面金屬電弧噴鍍和拋光后研成金屬模；另一種是金屬面硬背襯模具。上述硬模具可用于砂型鑄造、消失模的壓型制作、注塑模以及簡易非鋼質拉伸模。

??? 用上述激光間接成模工藝制作模具，既避開了復雜的機械切削加工，又可以保證模具的精度，還可以大大縮短制模時間、節(jié)省制模費用，對于形狀復雜的精度模具，其優(yōu)點尤為突出。但是，目前還存在著模具壽命相對較短的缺點，所以上述激光間接成形模具較適合于小批量生產。

2) 激光直接成模工藝

??? 選擇性激光熔化(Selective Laser Melting，簡稱SLM)技術是在選擇性激光燒結(SLS)技術的基礎上發(fā)展起來的。SLM的特點為：(1)使用高功率密度，小光斑的激光束加工金屬，使得金屬零件具有0.1毫米的尺寸精度；(2)熔化金屬制造出來的零件具有冶金結合的實體，相對密度幾乎能達到100％，大大改善了金屬零件的性能； (3)由于激光光斑直徑很小，因此能以較低的功率熔化高熔點的金屬，使得用單一成分的金屬粉末來制造零件成為可能。圖2所示為德國EOS GmbH公司利用選擇性激光熔化(SLM)工藝制造的全金屬零件。

??? 激光多層（或稱三維/立體）熔覆直接快速成形技術是在快速原型技術的基礎上結合同步送料激光熔覆技術所發(fā)展起來的一項高新制造技術，其實質是計算機控制下的三維激光熔覆。由于激光熔覆的快速凝固特征，所制造出的金屬零件具有均勻細密的枝晶組織和優(yōu)良的質量，其密度和性能與常規(guī)金屬零件相當。激光多層熔覆發(fā)展出了多種方法，其中最具代表性的是美國Sandia國家實驗室（Sandia National Laboratories）研發(fā)的稱作激光工程化凈成形技術(Laser Engineered Net Shaping，簡稱LENS)的金屬件快速成形技術。采用該方法已成功制造了不銹鋼，馬氏體時效鋼，鎳基高溫合金，工具鋼，鈦合金，磁性材料以及鎳鋁金屬間化合物工件，零件致密度達到近乎100%。圖3為美國Sandia國家實驗室以LENS技術制造的金屬模具。

??? 選擇性激光熔化(SLM)技術和激光工程化凈成形(LENS)技術由于成形件致密性好，且具有冶金結合組織及精度高，制成的模具壽命長的特點，已得到了工業(yè)界和學術界的普遍重視，在國外已推出了多種設備樣機，有的甚至開始商品化了；而國內目前的研究和應用還處于起步階段。

??? 另外，還有一種基于激光精細切割的金屬零件分層制造技術（LOM），具有可快速、低成本制造大型、復雜形狀的模具的特點。日本中川威雄研究室早在80年代就應用金屬薄板 LOM技術實現了金屬模具的分層快速制造。經過發(fā)展，金屬薄板LOM技術已逐漸應用于諸如汽車等大型內外飾件模具及具有復雜流道注塑模的制造。

模具表面激光改性

??? 模具表面處理一直是機械加工領域中所重視的問題。隨著新技術新工藝的發(fā)展，有許多傳統(tǒng)的處理方式已不太適用。對形狀復雜的模具，最理想的表面處理方式是用激光進行，它幾乎不變形，表面硬度比常規(guī)處理方式的硬度高，并且更耐磨，使用壽命更長。

??? 1) 激光相變硬化

激光相變硬化又稱激光淬火。由于激光淬火時冷卻速度遠遠超過常規(guī)淬火冷卻速度，從而可以獲得極細的馬氏體組織。激光相變硬化的優(yōu)點為硬度較常規(guī)淬火高、變形小、可實現表面薄層和局部淬火，不影響基材的機械性能等。

??? 2) 激光沖擊強化

??? 激光沖擊強化是高功率密度、短脈沖的激光束與物質相互作用產生的強沖擊波來改變材料表面物理及機械性能的技術。在激光沖擊過程中，由于激光誘導產生的沖擊波峰值應力大于材料的動態(tài)屈服應力，從而使材料產生密集、均勻以及穩(wěn)定的位錯結構，使金屬表面發(fā)生塑性變形，并形成較深殘余壓應力，從而提高金屬零件的強度、耐磨性、耐腐蝕性和疲勞壽命。其主要優(yōu)點為：沖擊壓力高，強化深度達到傳統(tǒng)的噴丸強化深度4～8倍；能夠加工傳統(tǒng)工藝不能處理的部位，如小槽、小孔以及輪廓線之類；激光沖擊強化后的金屬表面不產生畸變和機械損傷，無熱應力損傷，不會引起相變等。

??? 3) 激光合金化和激光熔覆

??? 激光合金化和激光熔覆是將一層與模具基體成分不同而具有一定性能的材料涂覆在模具基體，同時用高能激光束照射涂覆區(qū)域。激光合金化通過調節(jié)激光輸出功率使涂覆材料與部分基體一起熔化并發(fā)生合金化過程；而激光熔覆是涂覆層在激光作用下與基體表面通過融合迅速結合再一起，它與激光合金化的主要區(qū)別在于經激光作用后涂層的化學成分基本不變化，基體的成分基本上不進入涂層內?；诳焖倌绦虏牧虾铣膳c制備的激光表面合金化及激光熔覆表面改性新技術，是提高模具材料在高溫下耐磨耐蝕等高溫性能的最有效方法之一。

模具激光修復

模具的失效事實上均因其表層局部材料磨損等原因而報廢，而且金屬模具的加工周期長、加工費用高。模具使用壽命取決于抗磨損和抗機械損傷能力，一旦磨損過度或機械損傷，須經修復才能恢復使用。目前常采用的維修技術有電鍍、堆焊和熱噴涂等。電鍍層較薄，而且與基體結合差，形狀損壞部位難于修復；在堆焊、噴涂時，熱量注入大，模具熱影響區(qū)大。而應用激光進行模具維修，由于激光束的高能量密度所產生的近似絕熱的快速加熱，對基體的熱影響較小，引起的畸變可以忽略。模具的激光修復可采用的方法主要有兩種：

??? 1) 激光熔覆模具修復

利用激光熔覆的方法實現對模具的修復。用高功率CO2激光束以恒定功率與金屬粉流同時入射到模具表面上，金屬熔化產生熔池，然后快速凝固形成冶金結合的覆層。此方法一般采用大功率CO2激光器作為熱源，適用于體積較大、磨損面積較大的模具修復，以及象鋼鐵軋輥一類的大型工件的修復。

??? 2) 激光沉積焊接模具修復

??? 激光沉積焊接模具修復采用中小功率脈沖Nd:YAG激光器，模具的缺陷用激光束和絲狀填充材料來填補。激光束使焊絲和工件的表面同時熔化，所需沉積物的高度是通過多層焊接的方法來達到的；焊接完畢，模具部件再加工成最終尺寸。此方法適用于體積較小的精密模具。Rofin-Sinar公司制造的 StarWeld焊接機是比較具有代表性的此類設備，如圖4所示。

模具激光清洗

??? 應用高能激光脈沖去除模具在使用過程中產生的表面污物是激光技術在模具行業(yè)中的又一用途。其清洗機理有兩個：一是直接利用激光加熱污物，使之氣化揮發(fā)、或瞬間受熱膨脹并被蒸汽帶離模具基體表面；還有就是在高能量密度、高頻率的脈沖激光作用下，污物層內產生分裂應力，而與模具基體脫離。與傳統(tǒng)的噴沙清洗方法相比，激光清洗具有清洗速度快、不損傷模具表面、在線清洗(可節(jié)約大量拆卸、安裝、調試時間)的優(yōu)點。目前，德國JET激光系統(tǒng)公司生產的激光清洗設備相對較為先進。

結束語

??? 激光的高亮度、高方向性和高單色性使激光束經透鏡聚焦后，能在焦點附近產生數千度乃至上萬度的高溫，這就使其能加工幾乎所有的材料。激光加工在國外各個制造領域和行業(yè)已得到了廣泛的應用；而國內也一直在激光加工設備和激光加工工藝兩個方面投入大量的人力物力進行研究和發(fā)展。模具是工業(yè)產品成型的重要工業(yè)裝備之一，在很大程度上決定企業(yè)在市場競爭中的應變能力，模具成型已成為現代工業(yè)產品重要的手段和工藝發(fā)展方向。激光加工應用于模具制造和在某些場合取代模具 (如激光切割取代鈑金件中的沖切模具、激光打標取代沖模打標)方面具有很大優(yōu)勢。如何在實際生產中應用激光加工技術來縮短模具制造周期（T）、保證模具制造質量（Q）和降低模具制造成本（C），需要進行不斷的深入研究和探索。