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《模具工业》2001. No . 4 总 242 40激 光 加 工 技 术 在 模 具 制 造 中 的 应 用江苏理工大学(江苏镇江 212013) 张 莹 周建忠 戴亚春[摘要]随着激光加工技术的日趋成熟和工业用大功率激光设备价格的逐渐下降 ,给产品和模具的制造工艺带来了新的变革 ,在模具制造、 模具表面强化与维修、 取代模具等 3个方面 ,就激光优化模具制造工艺作了较为详细的分析和探讨。关键词 模具 激光 工艺优化[ Abstract ]Wi t h t he mat uri ng of t he las e r p r oces si ng t echnology and t he dec r easi ng of p rice of t hei ndus t rial la r ge - p owe r las e r e quipme nt , a new i nnovat ion was br ought t o t he manuf act uri ngt echnology of t he p r oduct s and t he dies and moulds . A r elat ively de t ailed analysis and dis cus sionwas made on t he las e r op t imized manuf act uri ng p r oces s f or dies and moulds f r om t hr e e asp ect s ofmanuf act uri ng , s urf ace r ei nf orceme nt and mai nt e nance , and s ubs t i t ut ive dies or moulds .Key words die and mould , las e r , t echnological p r oces s op t imizat ion1 引 言激烈的市场竞争使制造企业对快速响应市场需求和一次制造成功等要求日益迫切。而在常规制造系统中 , 产品生产所需大量模具的设计、制造和装配调试不仅耗费大量资金 , 更严重的是延长了产品生产的准备时间 , 从而延长了新产品开发周期 ,形成制造过程中的瓶颈。因此 , 如何快速有效地制造出高质量、低成本的模具及产品 , 就成为人们不断探索的课题。随着激光加工技术的日趋成熟和工业用大功率激光器设备价格的下降 , 给产品和模具制造工艺带来了重大变革。本文在模具制造、模具表面强化与维修、取代模具等 3个方面 , 就激光加工在模具制造中的应用作一些探讨。2 模具制造2. 1 模具的激光叠加制造1982年 ,日本东京大学的中川教授等人提出用薄片叠加法制造拉伸模 , 1985年 , 美国加州某公司推出了模具的激光叠加制造法 , 并获得专利 , 其工艺流程见图 1 ,原理为将激光切割的多层薄板叠加 ,并使其形状逐渐发生变化 , 最终获得所需的模具立体几何形状。日本在冲模的激光叠加制造方面已达到实用阶段 ,所制的凸、 凹模质量高 ,加工尺寸精度— — —— — —— — —— — —— — —— — ——收稿日期:2000年8月10日已达 ±0. 01mm ,切割厚度为 12mm。 经激光切割后 ,在切口表面形成深 0. 1～0. 2mm、 硬度为 800HV 的硬化层 ,用来冲裁 1mm 厚的钢板 ,单凭自冷硬化层就可冲压 10 000 件 , 如在激光切割后再经火焰淬火 ,则可冲压 3～5万件。 由于各薄板间的连接简单 ,故用叠加法制作冲模 ,成本可降低一半 ,生产周期大大缩短。用来制造复合模、落料模和级进模等都取得了显著的经济效益。图 1 激光叠加模具制造工艺流程由模具 CAD 和激光切割相结合构成一个完整的模具 CAD/ CAM 系统 ,实现板料切割的 FMS ,适用于多品种小批量生产。用激光切割的薄板来叠加合成任意三维曲面的制造系统 , 不仅为在塑性加工和模具领域中实行 FMS 提供了思路 , 而且对于内部结构复杂的模具制造 ,如型孔、 中孔体及复杂的冷却管道等 ,也是快速而经济的制造模具的有效方法 ,并且能带动其他技术如固相扩散等的发展。2. 2 快速模具制造模具 CAD三维设计二维外形NC 程序激光切割去除梯级创层面精加工成形模具装配薄片连结精加工NC 程序模 具 制 造 技 术《模具工业》2001. No . 4 总 242 41快速成型制造技术(RPM)是 80年代后期出现的一项制造技术 , 目前 RPM 技术已发展了十几种工艺方法。基于 RPM 技术快速制造模具的方法多为间接制模法 , 即利用 RPM 原型间接地翻制模具。(1) 软质简易模具 (如汽车覆盖件模具) 的制作。采用硅橡胶、低熔点合金等将原型准确复制成模具 , 或对原型表面用金属喷涂法或物理蒸发沉积法镀上一层熔点极低的合金来制作模具。这些简易模具的寿命为 50～5 000件 ,由于其制造成本低 ,制作周期短 , 特别适用于产品试制阶段的小批量生产。(2) 钢质模具制作。RPM 原型 — — — 三维砂轮— — — 整体石墨电极 — — — 钢模 ,一个中等大小、 较为复杂的电极一般 4～8h 即可完成。 美国福特汽车公司用此技术制造汽车覆盖件模具取得了满意的效果 ,与传统机械加工制作模具相比 , 快速模具制造省去了耗时、 昂贵的 CNC加工 ,加工成本及周期大大降低 ,具有广阔的应用前景。3 模具表面强化与修复为提高模具的使用寿命 , 常常需对模具表面进行强化处理。常用的模具表面强化处理工艺有化学处理 (如渗碳、 碳氮共渗等) 、 表层复合处理 (如堆焊、 热喷涂、 电火花表面强化、 PVD 和 CVD 等) 以及表面加工强化处理(如喷丸等) 。这些方法大多工艺较为复杂 , 处理周期较长 , 且处理后存在较大的变形。采用激光技术来强化和修复模具 , 具有柔性大 , 表面硬度高 , 工艺周期短 , 工作环境洁净等优点 ,因此具有很强的生命力。3. 1 激光相变硬化激光相变硬化 (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达到相变温度 (但低于熔化温度) 而形成奥氏体 ,当激光束离开后 , 利用金属表面本身热传导而发生自淬火 , 使金属表面发生马氏体转变 , 形成硬度高、抗磨损的表层 , 从而使金属表面得到强化。所用设备为三轴联动的数控激光加工机。影响激光强化的主要因素有激光功率、光斑尺寸和扫描速度。在强化过程中要对这些参数进行优化 , 并对具体材料选择合适的激光处理参数。对于CrWMn、 Cr12MoV、 Cr12、 T10A 及 Cr-Mo 铸铁等的常用模具材料 , 在激光处理后 , 其组织性能较常规热处理普遍改善。 例如 ,CrWMn 钢在常规加热时易在奥氏体晶界上形成网状的二次碳化物 , 显著增加工件脆性 ,降低冲击韧性 ,使用在模具刃口或关键部位寿命较低。采用激光淬火后可获得细马氏体和弥散分布的碳化物颗粒 ,清除网状 ,并获得最大硬化层深度以及最大硬度 1 017. 2HV。Cr12MoV 钢激光淬火后的硬度、抗塑性变形和抗粘磨损能力均较常规热处理有所提高。对 T8A 钢制造的凸模和Cr12Mo 钢制造的凹模 ,激光硬化深 0. 12mm ,硬度1 200HV , 寿命提高 4～6倍 , 既由冲压 2万件提高到 10～14万件。 对于 T10钢 ,激光淬火后可获得硬度 1 024HV、 深 0. 55mm 的硬化层;对于 Cr12 ,激光淬火后可获得硬度 1 000HV、 深 0. 4mm 的硬化层 ,使用寿命均得到了较大的提高。3. 2 激光涂覆激光涂覆是用激光在基体表面覆盖一层薄的具有一定性能的涂覆材料 , 这类材料可以是金属或合金 ,也可以是非金属 ,还可以是化合物及其混合物。在涂覆过程中 , 涂覆层在激光作用下与基体表面通过熔合迅速结合在一起。它与激光合金化的主要区别在于经激光作用后涂层的化学成分基本上不变化 , 基体的成分基本上不进入涂层内。激光涂覆工艺实用的材料范围很广 , 正在研究的母体材料有低碳钢、 合金钢、 铸铁、 镍铬钛耐热合金等 ,研究的添加材料有钴基合金、 铁基合金和镍基合金等。采用激光技术在有送粉器的 2kW CO2 激光器上 , 对 4Cr5MoV1Si 钢基体表面涂覆一层由镍基高温合金和 WC + W2C 粒子组成的高温耐磨合金粉末 ,在激光功率 P = 1 500W ,送粉量为 10g/ min ,工件移动速度为 2～3mm/ s 条件下 ,获得多道搭接的大面积高温耐磨合金。 在试验温度为 600℃ 时 ,硬度为 550～580HV0 .2 ; 在温度为 950℃时 , 硬度为100～200HV0 .2。 可见在 1 000℃ 左右高温下 ,涂覆层仍有很高的强硬性 , 是较理想的高温模具耐磨合金。另外 , 采用激光涂覆方法来修复已磨损的冲模及拉伸模等 ,可大大延长模具的使用寿命 ,降低模具的使用成本。3. 3 激光堆焊对于一些汽车覆盖件冲裁修边模具 , 为提高使用寿命 ,节省优质模具材料 ,刃口往往采用在较差的基体材料上堆焊一层性能优异的合金。 过去 ,堆焊大多采用人工氧 — 乙炔火焰堆焊法 ,这种方法虽然设备《模具工业》2001. No . 4 总 242 42费用低 ,但功率密度不高(102～103W/ cm 2) ,且难以进行精确控制 , 因而堆焊质量和生产率都较低。70年代以来 , 开发成功了等离子粉末堆焊技术 , 由于其具有较高的功率密度且控制性能也较好 , 因而得到了广泛的应用。但等离子堆焊存在着电极寿命短、 堆焊层母材稀释率较高等问题。80年代以来出现的激光堆焊法与使用同一材料的氧 —乙炔火焰堆焊法相比 ,激光堆焊层组织细微、 致密 ,不良品率仅为前者的 1/ 10。激光堆焊的速度快 ,生产率比氧— 乙炔火焰堆焊高 1. 75倍 , 而堆焊的材料使用量仅为其 1/ 2。而且激光堆焊层的室温硬度比氧 — 乙炔火焰堆焊的高 50HV 左右。 激光堆焊质量与激光的光束模式、 功率及堆焊速度等因素有关。4 激光加工替代模具冲压加工4. 1 激光切割替代薄板件的冲裁模激光切割替代钣金件及汽车车身制造中的冲裁修边模大有可为。三维激光切割技术 , 由于其本身具有加工灵活和保证质量的特性 , 在 80 年代就开始在汽车车身制造中应用。切割时只需用平直的支撑块来支撑工件 , 因此夹具的制作不仅成本低而且快速。由于与 CAD/ CAM 技术相结合 ,切割过程易于控制 , 可实现连续生产和并行加工 , 从而实现高效率的切割生产。切割板材所使用的激光器主要有两大类 , 即CO2 激光器和 Nd : YA G激光器 ,功率为 100～1 500W , 因为功率小于 1 500W 的激光器其振动模式为单模 , 切缝宽度为 0. 1～0. 2mm , 切割面也很整洁 ,而输出功率大于 1 500W 时激光器的振动模式为多模 , 割缝宽度近 1mm , 切割面质量较差。因 Nd :YA G的激光可通过光导纤维输送 , 比较灵活方便 ,适用于机器人手执激光喷嘴配程序控制进行精确操作 , 因此在三维切割时大多采用。影响激光切割工件质量的主要因素有切割速度、焦点位置、辅助气体压力、 激光输出功率及模式。美国福特和通用汽车公司以及日本的丰田、日产等汽车公司 , 在汽车生产线上普遍采用激光切割技术 , 它不必采用各种规格的金属模具 , 除了快速方便地切割各种不同形状的坯料外 , 还用来大量切割加工因规格不同需要更改的零件安装孔位置 , 如汽车标志灯、 车架、 车身两侧装饰线等。通用汽车公司生产的卡车仅车门就有直径为 <2. 8～<39mm 的20种孔 , 公司采用 Rofin- Sinar 的 500W 激光器通过光纤连接到装在机械手的焊头上 , 用以切割这些孔 ,1min 就完成一扇门开孔的加工 ,孔边缘光滑 ,背面平整 。<2. 8mm 孔的公差为 0. 03～0. 08mm ,<12mm 孔的公差为 - 0. 25mm～ + 0. 03mm。该公司生产的卡车和客车有 89 种孔径和孔位配置不同的底盘 ,经过优化设计 ,现在只需要冲压 5种不同的底盘 ,然后再由激光切割出配置不同的孔 ,简化了工艺 ,提高了效率 ,降低了成本。我国自然科学基金委在 1997 年把大功率 CO2及 YA G激光三维焊接和切割理论与技术作为重点项目进行资助 , 国家产学研激光技术中心的课题组成员对此进行了系统的研究 , 为在我国汽车车身制造业中应用三维激光立体加工技术做出了很大贡献。该中心为一汽轿车公司、宝山钢铁公司等国有大型企业的技术改造开展了重大工程项目攻关 , 其中开发红旗加长型轿车覆盖件的三维激光制造工艺技术 , 在我国轿车生产中是首次采用。在汽车用薄厚钢板激光大拼板拼接工艺试验研究中首次采用了激光切割替代精裁工艺技术 , 取得了较好的技术经济效果。三维激光切割在车身装配后的加工也十分有用 ,例如开行李架固定孔、 顶盖滑轨孔、 天线安装孔、修改车轮挡泥板形状等。在新车试制中用于切割轮廓和修正 ,既缩短了试制周期又节省了模具 ,充分体现出采用激光切割加工的优点。4. 2 激光打标替代冲模打标企业在其生产的零部件上常常需要打上企业自己的标志或特定的符号与数字 , 以往的方法是使用冲模打标或用铸模成型 , 打标质量不高。采用数控激光机打标不仅速度快 , 而且克服了冲模打标中常见的毛边、尖锐的边缘和畸变。由于采用计算机控制 , 因此可以打出任意复杂的图案 , 省去了模具设计、 制造及调试等环节 ,大大缩短了产品的开发制造周期 , 同时也降低了成本。因激光打标机所需功率小 ,成本低 ,打出的标记美观、 漂亮 ,现已为大多数企业所采用。4. 3 激光成形替代弯曲模成形金属板料的激光成形技术是一种利用聚焦光束以一定的速度扫描金属板料表面 (扫描速度应足够快以防止表面熔化) ,使热作用区内的材料产生明显的温度梯度 ,导致非均匀分布的热应力 ,从而使板料塑性变形的方法。与常规成形方法相比 , 激光成形《模具工业》2001. No . 4 总 242 43具有许多优点: ① 属于无模成形 ,生产周期短 ,柔性大 , 可不受加工环境限制 , 通过优化激光加工工艺参数 , 精确控制热作用区域以及热应力的分布 , 将板料无模成形; ② 因其是一种仅靠热应力而不用模具使板料变形的塑性加工方法 , 因此属无外力成形; ③ 为非接触式成形 ,所以不存在模具制作、 磨损和润滑等问题 ,也不存在贴模、 回弹现象 ,成形精度高; ④ 可使板料通过复合成形得到形状复杂的异形件(如球形件、 锥形件和抛物形件等) 。激光成形机理的实质就是弯曲机理。当激光加热板料时 , 一方面在激光作用区及其周围产生热应力 , 同时降低了被加热区域板料的屈服极根 , 从而使热应力作用区的热态材料产生非均匀的塑性变形 ,实现板料的弯曲成形。试验表明 ,激光每扫描一道次 ,金属板料可弯曲 1° ～5° ,不同的扫描轨迹和工艺参数组合能够产生不同的成形效果和不同程度的变形量 , 即可得到各种复杂形状的工件。图 2表示在工艺参数为激光速功率 1. 5kW , 激光束直径5. 4mm , 材料 SUS304 , 厚 1mm , 碳涂覆面的条件下 ,激光扫面速度与材料弯曲角之间的变化关系。图 2 激光扫描速度对弯曲角的影响现在世界上许多国家都投入较大的人力、物力对激光成形技术进行专项研究 , 在某些领域现已开始了初步的工业应用。波兰基础技术研究所的HFrackiewicz 教授利用激光成形先后制造出了筒形件、 球形件、 波纹管和金属管的扩口缩口、 弯曲成形等;德国学者 MGeiger 等将激光成形与其他加工工序复合运用于汽车制造业 , 进行了汽车覆盖件的柔性校平和其他成形件的成形 , 而且对弯曲成形过程进行计算机闭环控制 , 提高了成形精度。德国Trumpf 公司于 1997 年开发了商品化激光成形多用机床 Trumat ic L 3030。 相信随着研究的不断深入以及其他相关技术的发展 , 激光成形技术将逐趋成熟 ,进入实用化阶段。5 结束语激光加工技术作为一种先进的加工工艺 , 在国外各行业已得到了广泛的应用 ,我国机械行业在 “九五”期间也将其作为十大技术之一。国家自然科学基金委也把激光加工工艺和激光加工设备的研究作为重点研究项目进行资助 , 并明确指出其主要应用领域应该在汽车制造业。模具作为一种工具 , 其生产周期、质量和成本直接影响产品的制造过程和销售。而激光作为一种万能加工工具 , 在减少模具制造装备 ,缩短模具制造周期 ,降低制造成本和保证模具质量等方面具有很大的优势。如何在实际生产中应用激光加工技术来优化模具制造工艺 , 对传统的模具制造工艺进行改进和组合 , 需要我们做出不断的努力。参 考 文 献1 陈大明 ,徐有容 . 模具钢表面激光熔覆硬面合金层改性研究.金属热处理 ,1998 , (1)2 李懦荀 ,平雪良.连续激光强化模具刃口的工艺研究.电加工 ,1995 , (6)3 孙中发 . 我国激光产业发展对策.上海交通大学学报 ,1997 , (10)4 曹 能 ,冯 梅.激光加工技术在汽车工业中的应用 ,宝钢技术 ,1998 , (3)5 管延锦 ,孙升.激光快速成形与制造技术及其在汽车工业中的应用.汽车工艺与材料 ,1999 , (9)6 A Domenico . 加工汽车车身部件的三维激光切割技术 .机电信息 ,1999 , (6)7 周建忠 ,袁国定.应用激光强化技术提高覆盖件模具寿命.模具工业 ,2000 , (4)8 胡晓峰 . 基于数控激光切割的快速制模方法研究 . 江苏理工大学硕士论文 , M Geiger ,F Voll tert sen. Flexible St raightening ofcar Body Shells by laser .10 Bob Trving. Welding Tailorde Blanks. Welding Jou-rnal ,1995 , (8)11 M Geiger . Synergy of laser Material Porcessing andMetal Forming. Annals of t he CIRP ,1994 ,43(2)12 H Arnet ,F Vollert sen. Extending Laset bendingfor t he generation of convex shapes. Porc . Inst . Engrs. ,1995 , (209)13 Trumf Lt d. The heat is on for laser profiler . SheetMetal Indust ries ,1997 , (1)
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数控毕业设计毕业论文
瓷砖的硬度还是比较高的，而且里面含有一些特殊材质，比如说有瓷质的材料。而在进行装饰的时候，需要根据相关的尺寸进行切割，而切割也是一个技术活。对于业主来说，其实了解这方面的知识也会有助于装修的问题，今天小编就给大家介绍一下瓷砖切割的方法。一、瓷砖切割的步骤1、第1步需要做好定位，准备一个移动的标尺，选定你需要的尺寸，一只手握住手柄，要将设备向后拉，然后将瓷砖平放在地板上面，与切割的线相对齐。2、第2步就是划线，要确定切割的尺寸，而划线的时候是非常重要的，必须要在瓷砖的表面切割成一条连续的直线。3、第3步就是下压，也就是说需要将机器设备的手柄向后拉，稳定地落在瓷砖的前端，这样子随着你的力度加大，瓷砖就会沿着横线断开。4、切割的时候一定记住要比较均匀，而且是连续的，这样子才能够很好地把瓷砖切割整齐。二、切割瓷砖的注意事项很多人觉得切割的技术不是特别好，就怪瓷砖质量不好，这也是一个方面，如果瓷砖硬度达不到要求，切割的时候就很容易出现不平整、不光滑的问题，但是如果瓷砖没有问题，这时候就是要考验切割师傅们的手艺了。1、切割的时候我们要掌握好角度，比如说有一种全功能的瓷砖切割机，它不仅能够90度的裁剪，还能够45度的裁剪，这样子就能够切割成不同的形状。而如果想要切割成一个正方形的瓷砖，只需要安装45度的定位器，然后对准它的红外线就可以开始切割了。2、切割的时候一定要画好线，然后要干脆利落，不能够手抖，而切割技术也是慢慢培养出来的。小编总结：切割瓷砖绝对不是一件轻松的事情，需要技术过硬才能够完美切割瓷砖，方便日后的铺设。
对于瓷砖推刀这种工具，想必很多人都对它不够了解，其实瓷砖切割刀在2000年左右就已经出现了，它的主要作用就是用来切割各种各样的瓷砖，而且还具有轻便小巧、无粉尘、无噪音等优点，算得上是一款经久耐用的工具了;不过我们身边很多人都不知道到底怎么使用瓷砖切割刀，更不用说关于瓷砖切割刀的使用注意事项了，下面我们就一起来看看瓷砖切割刀的相关介绍吧。
瓷砖切割刀的使用步骤
第一步：定位
移动标尺选定切割尺寸，用单手握住操作手柄，将刀轮座拉向后座，将瓷砖平放在底板上并将瓷砖要切割的线与底板横梁对齐，瓷砖前端要靠住底板的豁口部。
第二步：划线
放下手柄使刀轮与瓷砖表面接触，将手柄向前轻推使刀轮在瓷砖表面划出一条连续均匀的直线。
第三步：下压
将手动瓷砖切割机手柄抬起稍向后拉，使压块平稳落放在瓷砖的前端上，用适当的力将操作手柄向下压，瓷砖将会沿着划线断开。
瓷砖切割刀的注意事项
1.切割时，往后拖拉‘推拉柄’要向上抬到最高控制位置，避免拖拉时刀片与瓷砖产生角端碰撞，否则，刀片将因缺损而不能正常使用。
2.对于切割仿古或其它凸凹不平面体之类的陶瓷，建议更换另外一种通过焊接加固的专用刀片，粗涩面体的陶瓷会缩短刀片的使用寿命。
3.操作中不能使用刀片进行按压断砖。
4.切割过程中，当刀痕切割线越细越浅，瓷砖按压裂开的砖底外形就越正越整，相反，刀痕切割线越深越粗，瓷砖分裂的外形就越斜越歪，严重时甚至犹如锯齿状。是故，切割时用刀要轻，但瓷砖表面的切割条痕不能间断，不然瓷砖将会出现蹦角现象。
5.倘若在瓷砖釉面同-条切割线上反复来回进行切割，刀片的使用寿命会急剧下降，而且瓷砖裂开后容易蹦角。
由于当时不够重视职业病粉尘污染的危害和现代化装饰元素不够流行，再加上瓷砖档次不够没引起瓦匠工人足够重视，随着现代装饰行业效率质量品质高速发展这款工具现在才逐渐被人们所重视。
看完以上文章的详细介绍，想必大家对于瓷砖切割刀的使用步骤，以及瓷砖切割刀的使用注意事项都已经有所了解了，如果大家需要自己切割瓷砖的，相信这篇文章的内容详解能够给大家起到一个很好的参考作用，如果你还想了解更多关于瓷砖切割刀的相关知识，欢迎大家继续关注我们的网站。希望能够对大家有所帮助。
中国是世界上机械发展最早的国家之一。中国的机械工程技术不但历史悠久，而且成就十分辉煌，不仅对中国的物质文化和社会经济的发展起到了重要的促进作用，而且对世界技术文明的进步做出了重大贡献.传统机械方面，我国在很长一段时期内都领先于世界。到了近代由于特别是从18世纪初到19世纪40年代，由于经济社会等诸多原因，我国的机械行业发展停滞不前，在这100多年的时间里正是西方资产阶级政治革命和产业革命时期，机械科学技术飞速发展，远远超过了中国的水平。这样，中国机械的发展水平与西方的差距急剧拉大，到十九世纪中期已经落后西方一百多年。新中国建立后特别是近三十年来，我国的机械科学技术发展速度很快。向机械产品大型化，精密化、自动化和成套化的趋势发展。在有些方面已经达到或超过了世界先进水平。总的来说，就目前而言中国机械科学技术的成就是巨大的，发展速度之快，水平之高也是前所未有的。这一时期还没有结束，我国的机械科学技术还将向更高的水平发展。只要我们能够采取正确的方针、政策、用好科技发展规律并勇于创新，我国的机械工业和机械科技一定能够振兴，重新引领世界机械工业发展潮流。就小型夯实机械而言：上世纪60年代以前，我国小型夯实机械非常缺乏，很多小型场地的夯实基本上采用人工夯实。上世纪60年代初期，长沙建设机械研究所与北京建筑工程学院等单位合作，在群众性技术革新成果的基础上总结发明了具有中国特色的蛙式夯实机，1962年获国家科技发明奖。蛙式夯实机结构简单，维修、使用方便，很快成为我国60年代夯实机械的主导产品。据不完全统计蛙式夯实机累计产量达到50000多台，在我国经济建设中发挥了重要作用。70年代以后，蛙式夯实机逐渐被性能更先进的振动冲击夯和振动平板夯所替代，目前蛙式夯实机已经很少，基本被淘汰。1964年，长沙建设机械研究所开发了HB120型内燃式夯实机，开始由上海工程机械厂生产，后来主要由津市洞庭工程机械厂生产，年产量200台左右。80年代，内燃式夯实机产品质量有较大提高，曾出口东南亚和非洲地区。90年代以后，内燃式夯实机产销售量也在逐渐减少，目前只有少数小型民营企业生产。1977年，长沙建设机械研究所和柳州市建筑机械厂开发了我国第一台HZR250型和HZR70型振动平板夯，这两种产品分别于1979 年和1982年通过了由建设部组织的鉴定。随后义乌建筑机械厂、四平建筑机械厂、安阳振动器厂、津市洞庭工程机械厂等多家企业都开始生产振动平板夯。1986年长沙建设机械研究所又开发了较大的HZR450型振动平板夯。上世纪90年代以后，振动平板夯在我国有了较快的发展，产品品种、规格和生产企业增多，国外的振动平板夯陆续进入中国市场。1983年，长沙建设机械研究所和湖北振动器厂联合开发了我国第一台HZR70型振动冲击夯，1984年通过了由建设部组织的鉴定，1985年获建设部科技进步三等奖。由于振动冲击夯具有压实效果好、生产率高、体积和重量小、轻便灵活等突出特点，深受用户欢迎，得到了迅速的推广使用，并很快发展到资江机器厂、新乡第三机床厂和津市洞庭工程机械厂等几十家企业生产。振动冲击夯虽然比振动平板夯开发晚，但发展速度、产销量和使用广泛性比振动平板夯大得多，目前已成为我国夯实机械中产销量最大的主导产品。上世纪90年代以后，国外的振动平板夯陆续进入中国市场。振动冲击夯和振动平板夯在我国的成功开发，不仅为我国建设施工部门提供了性能先进的夯实机械，取得了良好的经济效益和社会效益，而且使我国夯实机械技术向前跨进了一大步，缩短了与世界先进水平的差距，促进了我国压实机械的发展。就机械加工而言：热加工 铸造 据考古发现，在北京平谷、昌平、房山等处曾出土了公元前16世纪(商代)的青铜礼器。 明永乐年间(1403～1424年)，北京制造出享誉世界的明永乐大铜钟(吨)和钟楼大铜钟(63吨)及铁钟(25吨)，采用分炉熔化、地坑造型和陶范法铸造。 20世纪50年代以前，北京在铸造上采用粘土砂手工造型。1955年，北京第一机床厂开始采用漏模造型、双面模型型板及铁型板和标准砂箱造型。1965年，开始采用塑料模型。 1980 年，北京市机电研究院与北京玛钢厂研制成功工频无芯塞杆底注式保温浇注电炉。1982年，该院与北京机床铸造二厂研究成功冲天炉风口吹氧技术。 1985～1988年，北京机床研究所试验成功浮动端面密封环的压力铸造工艺。 锻压 1959年，北京第二通用机械厂(后改名北京重型机器厂)建成2500吨水压机。1971年，该厂制造出6000吨水压机，这是当时北京最大的锻压设备。 1968～1979年，北京起重机器厂先后采用300吨油压机和2000吨油压机制造出起重机吊臂和大型覆盖件。 80年代，北京市机电研究院和北京市模具中心研制出一系列高精度多工位冲裁模具，接近或达到进口模具水平，改变了北京精密冲裁模具依赖进口的局面。 热处理 1949年前，北京已采用电炉、盐溶炉、热电偶等手段进行零件退火、回火、淬火、正火、调质、渗碳等热处理。 1956年，北京第一机床厂开始采用高频感应淬火。1961年，北京第二机床厂开始采用气体氮化淬火。1969年，北京量具刃具厂开始采用光亮淬火。 1978年，北京机床研究所研究完成机床导轨表面接触淬火工艺及设备、淬火质量检查技术条件的研究。1979年，铁道科学研究院和中国科学院力学研究所等合作完成大功率柴油机缸套表面的激光改性处理的研究。 1979年，北京市机电研究院研制成功千瓦级二氧化碳激光器，并于80年代初分别应用于汽缸套和邮票印刷设备的激光热处理。其中，清华大学、北京市机电研究院、北京邮票厂共同完成邮票厂七色机打孔器表面激光强化研究。 1984～1990年，北京市热处理研究所研究成功真空热处理、气体渗碳微机控制技术(与北京航空航天大学合作)、稀土软氮化、粉末冶金制品表面强化、煤油加甲醇小滴量法微机可控渗碳、固体渗硼、渗碳过程微机辅助工艺设计及跟踪控制系统等热处理新技术，并应用于生产。 焊接与切割 1949年，北京已有气焊、电弧焊及氧乙炔火焰切割等手工作业。 1963年，北京金属结构厂与一机部机械科学研究院合作开发出钨极氩弧焊，并实现了氮气等离子切割不锈钢。1964年，用直流钨极氩弧焊及焊丝合金化技术解决了核工业用倾斜式电解糟纯镍焊接。 1966年，北京金属结构厂开发出了使被焊球体旋转的埋弧自动焊。1968年，该厂开始以液化石油气代替乙炔切割。 80年代初，清华大学发明了新型MIG焊接电弧控制法，在控制电弧技术上取得突破。 80年代初，北京城建设计院等完成液化石油气移动式气压焊轨技术的研究和应用。 1990年，北京金属结构厂开始采用数控精密切割和具有光电跟踪及数控寻踪读入自动编程的大功率等离子切割技术。可见，我国机械发展在近代发展其迅速。China is the world's first national machinery development. Chinese mechanical engineering technology not only has a long history and splendid achievements in Chinese is not only the material culture and social economic development plays an important role in the world, and to promote the progress of civilization, technology has made great contribution to Chinese traditional machine. And in a long period ahead in the world. In modern times, especially from the early 18th century, due to the nineteen forties, due to the economic and social reasons, such as the China machinery industry, stagnation, in the 100 years is western bourgeois political revolution and industrial revolution, mechanical science and technology is developing rapidly, and far more than the level of China. So, China mechanical development level and the western gap widens, sharply to the 19th century middle behind western one hundred the founding of new China, especially in the past 30 years, our country's mechanical science and technology development speed. To the mechanical product large-scale, precision, automation and discusses the trend of development. In some aspects has reached or exceeded the world advanced level. Generally speaking, currently China mechanical science and technology achievement is huge, developing fast, high level of unprecedented. In this period, China has no end of mechanical science and technology will develop to a higher level. As long as we can adopt the correct policy, with good technology development and innovation, our machinery industry and mechanical technology can revitalize, leading to the development trend of mechanical small ramming machinery:In the 1960s, China mechanical very small tamp lack, many small venues ramming basically USES artificial 1960s, changsha construction machinery institute and Beijing architectural engineering institute, etc., the technical innovation achievements in mass on the basis of summing up Chinese characteristic invented the breaststroke ramming machine, 1962 exceeded national science and technology. The breaststroke ramming machine structure is simple, easy to use and maintenance in 1960s, soon became the dominant products to consolidate machinery. According to not complete count breaststroke tamp cumulative yield reached more than 50,000 machine, in the economic development of our country has played an important role. Since 1970's, the breaststroke ramming machine was gradually more advanced performance of vibration shock ram and vibrating plate ram, now replaced by laying machine has rarely breaststroke, basically be 1964, changsha construction machinery institute HB120 developed movable type, type of Shanghai began laying machine, engineering machine production mainly by tianjin municipal later, annual production engineering machinery dongting about 200. In the 1980s, movable type ramming machine product quality has increased greatly, have exported to southeast Asia and Africa. Since 1990s, internal-combustion type ramming machine production sales, and gradually decreased in only a few small private enterprise 1977, changsha construction machinery factory buildings and developed in liuzhou HZR250 type and the HZR70 type vibrating plate ram, these two kinds of products in 1979 and 1982 passed by the ministry of construction of the organization. Then yiwu building construction machinery factory, siping, anyang vibrators factory, tianjin municipal engineering machinery dongting and other enterprises have started producing vibrating plate ram. In 1986, changsha construction machinery research and develop a larger HZR450 type of vibrating plate ram. Since 1990s, vibrating plate ram in our country has developed very quickly, varieties of products, specifications and increase production enterprises, foreign vibrating plate ram gradually to enter the Chinese 1983, changsha construction machinery institute and the joint development of hubei vibration in the first HZR70 type vibration shock ramming, 1984, passed by the ministry of construction, organization construction technology progress in 1985 won prizes. Due to the vibration impact compaction result has good ramming, productivity, high volume and weight of small, lightweight flexible outstanding characteristics, deeply user etc, obtained a rapid promotion, and soon ZiJiang development to the factory, xinxiang municipal engineering machine tool plant and tianjin dozens of dongting production factory etc. Vibration shock ramming although than vibrating plate ram, but later development speed of development, production and use of extensive than vibrating plate ram, has become the largest in China in the ramming machinery products. Since 1990s, foreign vibrating plate ram gradually to enter the Chinese shock ramming and vibrating plate ram the successful development in our country, not only for our construction department provides advanced performance of mechanical, laying have achieved good economic benefit and social benefit, and make our ramming mechanical technology into a big step forward, shorten the gap with the advanced world level, promoting the development of compaction mechanical processing:According to the archaeological discovery, hot-working casting in Beijing pinggu, changping and so have proved that the 16th century BC shang dynasty (bronze objects. Ming yongle (1403-1424 years), Beijing produce world-renowned Ming yongle great 3-ton bell made ( tons) and tower (63 tons of great 3-ton bell made of iron clock (25) and the furnace of melting, pit TaoFan model and method of casting. In the 1950s, Beijing based on clay sand castings in manual. In 1955, Beijing first machine tool plant began using leakage mould modelling, double-sided model and iron plate type plate and standard sand box modelling. In 1965, start using plastic model. In 1980, the institute and Beijing municipal electrical factory has successfully developed line frequency coreless bathroom plug stem bottom note type electric insulation casting. In 1982, hospital and Beijing the casting machine research cupola tuyere oxygen blowing technology. 1985-1988, Beijing institute of machine of floating end face seal ring by die successful test pressure casting 1959, Beijing second metalforming machinery general factory changed (Beijing) built 2500 ton heavy-duty hydraulic press. In 1971, the factory produced 6,000 tons, which is then Beijing hydrtesting biggest metalforming equipment. 1968-1979, Beijing hoisting machine factory has 300 tons of using hydraulic press 2000 tons and create crane and large panel. In the 1980s, Beijing institute of electrical and developed a series of Beijing mould centre high-precision cutting die, the multistage close to or to import mould level, changed Beijing precision punching moulds dependence on 1949, Beijing has heat treatment furnace, salt dissolved by thermocouples means furnace, quenching and tempering, parts of annealing, normalizing, quenching and tempering, carburizing and etc. In 1956, Beijing first began using high-frequency quenching machine tool plant. In 1961, the Beijing second machine tool plant began using gas nitriding quenching. In 1969, the following enterprise by Beijing gage start light quenching. In 1978, the complete machine tool research institute of Beijing guide surface contact quenching process and equipment, quenching condition of quality inspection. In 1979, scientific research institute of China academy of railway and mechanical institute of high-power diesel engine cylinder collaboration of surface modification of laser. In 1979, Beijing institute of electrical carbon dioxide laser is developed, and the kilowatt in early 1980s respectively applied in cylinder and stamp printing equipments of laser treatment. Among them, tsinghua university, Beijing, Beijing institute of electrical YouPiaoChang jointly completed YouPiaoChang seven color machine DaKongQi laser surface strengthening research. From 1984 to 1990, Beijing institute of vacuum heat treatment research, gas carburizing microcomputer control technology (Beijing university of aeronautics &astronautics and cooperation), rare earth soft nitriding, powder metallurgy products surface strengthening, kerosene and methanol small drops of microcomputer control method of carburizing, solid boriding and carburizing process computer aided process planning and tracking control system, and the application of new technology heat in production. Welding and cutting in 1949, Beijing has geo-drilling, electric welding and cutting etc oxyacetylene flame manual operation. In 1963, Beijing metal structure and YiJiBu mechanical science research cooperation to develop tungsten argon arc welding, and realize the nitrogen plasma cutting stainless steel. In 1964, the use of dc argon arc welding and tungsten wire alloying technology solved by tilting electrolysis industry worse pure nickel welding. In 1966, Beijing metal structure factory developed by rotating sphere of the submerged arc welding automatic welding. In 1968, the plant began to liquefied petroleum gas (LPG) instead of acetylene cutting. In the early 1980s, tsinghua university invented new MIG welding arc arc technology in control, control a breakthrough. In the early 1980s, the Beijing urban construction design completed liquefied petroleum gas (LPG) mobile pneumatic rail welding technology research and application. In 1990, Beijing metal structure factory to adopt CNC precision cutting and with photo-electricity tracking and CNC pursuit of high input automatic programming technology plasma , China mechanical development in modern development of its rapid.
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一、厚板切割中应注意的要点在厚钢板切割中，温度是从上表面向下递减的。切割开始时，氧气压力逐渐增加，最后在钢板厚度方向达到一致。这就造成在切割起始位置钢板厚度方向燃烧不一致，工件切割起始端产生缺陷，如图1所示。为避免缺陷的产生可采用如下方法：① 采用圆弧进刀增加引入线长度，避免直接切入点。此方法使用效果较好，生产中得到较为广泛的使用，其缺点是浪费材料。②采用引燃棒。其方法就是在切入点处紧贴钢板厚度增加一块钢板，贴紧处不应有缝隙，割刀应从引燃棒上切入，引燃棒将引导割具火焰至钢板底部，使钢板上下燃烧速度达到一致，得到最佳切割段面。引燃棒可采用切割下来的边角料代替。此种方法减少了工件与板边的距离，减少了边角余料的产生，有效地提高了板材利用率。引燃棒在切割特厚钢板中较为实用。二、锻件切割中应注意的要点由于锻件表层氧化皮较厚，再加上氧化皮燃点高于熔点，所以在切割中容易出现切割中断现象，造成切割质量下降和工效降低。为此在锻件切割时，应首先去除切割区域中上下表面的氧化皮后再切割，以提高切割速度和切割质量。三、轧制方坯冷床齿板切割中防变形的要点齿板排料如图2所示。齿板总长8m、宽、厚40mm，属于长宽比较大的细长条形切割成品工件。在切割中如何控制工件变形是非常重要的，如按常规安排切割路线会造成工件变形和超差，即使整形也很难达到尺寸要求，最终将会使产品报废。因此合理地安排气割路线是非常关键的：将切入点设在A处，离头部30～40mm左右，产生一钩部，阻止变形。件1从A部切入，采用逆时针行走切割，使工件与母材逐渐脱离，件2和件3的切割方式同件1。下一步应切割件6，将切入点设在B处，采用逆时针方式切割，此时由于母材较宽，件6变形较小。最后再切割件5和件4，件5的变形由件6和未切割的件4制约住，件4的变形由两边已切割好的工件制约住，这样就能保证切割出的工件合格。四、提高切割面质量的经验提高氧气和乙炔的品质是获得高质量切割面的根本保证。当采用含量为99%的瓶装氧气及乙炔发生器中产生的乙炔进行数控火焰切割时，切割面质量较低，表现为表面粗糙，常产生切口上缘熔化和严重挂渣以及不连续切割等现象。对于6mm-30mm厚的钢板，其切割速度只能达到标准的60%-90%；而对30mm以上厚的钢板，其切割速度仅为标准的20%-60%。当采用纯度可达以上的液态氧切割时，由于压力稳定，切割面质量明显地提高了，其挂渣极少，切割速度大大提高。当采用瓶装乙炔集中供气后，因其纯度高、压力稳定，不再出现不连续切割现象。在切割厚板时采用了增大氧气压力的办法(增大压力为. 3 M Pa)，保证了厚板的顺利切割和切割面的垂直度，在一定程度上提高了切割面质量。另外，钢板表面的锈蚀及割嘴的通气流畅程度对切割的连续进行也有较大的影响。为此，进厂钢板不宜露天堆放，切割前应进行抛丸处理。对割嘴要正确使用和经常清理。五、减少切割变形的措施严重的切割变形将使零件尺寸超差，影响后序装对焊接，甚至造成报废。因此，为了减小切割变形，提高切割零件的尺寸精度，采用了以下措施：1、编程时选择合理的切割顺序、切割方向和切割起点。在进行多零件套切下料时应遵循“先切小零件，再切大零件;先切孔，再切外形”的原则。在切割时应根据零件的外形及在钢板上排放的位置，分析零件的切割变形趋势，确定出合理的起点及切割方向。一般来说，在板厚相同的条件下，外形尺寸大的零件切割变形比外形尺寸小的零件小；长宽比小的零件切割变形比长宽比大的零件小；摆放在靠近钢板中间的零件比在边缘的零件切割变形小。因此，在切割过程中，应尽可能地使该零件最后切割的边与不易发生位移的钢板相连。对一些长宽比较大的窄长条形零件，编程时仅从切割顺序上考虑仍不能有效控制变形，还需要考虑采用间断切割法。即在零件的切割同边上设置两个以上的暂不切割点这儿个点在切割过程中将零件与钢板连成为一个整体，待其它部分切割完后，再切开这几个点。这样可以减少零件在长度方向上的收缩变形。2、对于长宽比较大、宽度大于割炬之间最小距离的矩形零件，可集中下料，采用几个割炬同时做类似于“弓”形的切割，两相邻零件共用一个切口，不仅能有效地减小切割变形，而且还提高了切割效率与钢材利用率。3、支撑钢板的托架是否平整与稳定也直接影响切割质量。托架支承部位与钢板接触面应小些，接触点不宜过多，应平衡，呈水平面。倾斜和摇晃都容易使钢板晃动，影响切割尺寸及切口垂直度。因此，托架既要考虑铺平钢板，又要考虑操作人员行走安全和吊卸方便，应对其定期调整。六、窄长孔的切割质量控制如果采用一般的起点穿孔方式，穿孔时容易切伤零件，火焰切割机切割后起点处易出现切割面熔化现象等严重缺陷，致使质量达不到要求。因此设置了新的起点穿孔程序，定义起点切入矢量长度为5mm，控制预热时间，调整切割速度，合理确定起点位置和切割方向，即在保证割透的前提下，缩短预热时间，加快切割速度，穿孔火焰以30°-45°夹角切入，且穿孔点选在距孔一端30mm-50mm的地方。这样，可以减少穿孔时吹起的熔渣堆积在尚未切割的板面上。若穿孔点距槽端较近，当割炬返回到穿孔点附近时，少量堆积在孔点附近的熔渣还处于熔融状态，氧化较为容易，会产生粘连割不断的现象，造成切割中断。
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机械类的毕业论文题目有很多，学术堂整理了十五个题目供大家进行参考：1、某型汽车发动机曲轴的加工工艺及测试研究2、舞台升降装置的设计研究3、按摩机器人控制器的设计与研究4、垂直升降式立体停车设备的结构设计5、CA6140普通车床纵向数控改装6、汽车电磁涡流减震器力学性能研究7、自动下料机的机械结构设计与研究8、智能清洁机器人的设计9、低破碎玉米脱粒机的设计与分析10、马铃薯连续式机械化去皮关键技术研究11、排气隔热罩的设计与研究12、汽车电动玻璃升降器结构设计13、胡萝卜自动削皮机虚拟样机设计14、山药全自动削皮机装置与控制系统研究15、自动化甘蔗削皮装置的研制
《模具工业》2001. No . 4 总 242 40激 光 加 工 技 术 在 模 具 制 造 中 的 应 用江苏理工大学(江苏镇江 212013) 张 莹 周建忠 戴亚春[摘要]随着激光加工技术的日趋成熟和工业用大功率激光设备价格的逐渐下降 ,给产品和模具的制造工艺带来了新的变革 ,在模具制造、 模具表面强化与维修、 取代模具等 3个方面 ,就激光优化模具制造工艺作了较为详细的分析和探讨。关键词 模具 激光 工艺优化[ Abstract ]Wi t h t he mat uri ng of t he las e r p r oces si ng t echnology and t he dec r easi ng of p rice of t hei ndus t rial la r ge - p owe r las e r e quipme nt , a new i nnovat ion was br ought t o t he manuf act uri ngt echnology of t he p r oduct s and t he dies and moulds . A r elat ively de t ailed analysis and dis cus sionwas made on t he las e r op t imized manuf act uri ng p r oces s f or dies and moulds f r om t hr e e asp ect s ofmanuf act uri ng , s urf ace r ei nf orceme nt and mai nt e nance , and s ubs t i t ut ive dies or moulds .Key words die and mould , las e r , t echnological p r oces s op t imizat ion1 引 言激烈的市场竞争使制造企业对快速响应市场需求和一次制造成功等要求日益迫切。而在常规制造系统中 , 产品生产所需大量模具的设计、制造和装配调试不仅耗费大量资金 , 更严重的是延长了产品生产的准备时间 , 从而延长了新产品开发周期 ,形成制造过程中的瓶颈。因此 , 如何快速有效地制造出高质量、低成本的模具及产品 , 就成为人们不断探索的课题。随着激光加工技术的日趋成熟和工业用大功率激光器设备价格的下降 , 给产品和模具制造工艺带来了重大变革。本文在模具制造、模具表面强化与维修、取代模具等 3个方面 , 就激光加工在模具制造中的应用作一些探讨。2 模具制造2. 1 模具的激光叠加制造1982年 ,日本东京大学的中川教授等人提出用薄片叠加法制造拉伸模 , 1985年 , 美国加州某公司推出了模具的激光叠加制造法 , 并获得专利 , 其工艺流程见图 1 ,原理为将激光切割的多层薄板叠加 ,并使其形状逐渐发生变化 , 最终获得所需的模具立体几何形状。日本在冲模的激光叠加制造方面已达到实用阶段 ,所制的凸、 凹模质量高 ,加工尺寸精度— — —— — —— — —— — —— — —— — ——收稿日期:2000年8月10日已达 ±0. 01mm ,切割厚度为 12mm。 经激光切割后 ,在切口表面形成深 0. 1～0. 2mm、 硬度为 800HV 的硬化层 ,用来冲裁 1mm 厚的钢板 ,单凭自冷硬化层就可冲压 10 000 件 , 如在激光切割后再经火焰淬火 ,则可冲压 3～5万件。 由于各薄板间的连接简单 ,故用叠加法制作冲模 ,成本可降低一半 ,生产周期大大缩短。用来制造复合模、落料模和级进模等都取得了显著的经济效益。图 1 激光叠加模具制造工艺流程由模具 CAD 和激光切割相结合构成一个完整的模具 CAD/ CAM 系统 ,实现板料切割的 FMS ,适用于多品种小批量生产。用激光切割的薄板来叠加合成任意三维曲面的制造系统 , 不仅为在塑性加工和模具领域中实行 FMS 提供了思路 , 而且对于内部结构复杂的模具制造 ,如型孔、 中孔体及复杂的冷却管道等 ,也是快速而经济的制造模具的有效方法 ,并且能带动其他技术如固相扩散等的发展。2. 2 快速模具制造模具 CAD三维设计二维外形NC 程序激光切割去除梯级创层面精加工成形模具装配薄片连结精加工NC 程序模 具 制 造 技 术《模具工业》2001. No . 4 总 242 41快速成型制造技术(RPM)是 80年代后期出现的一项制造技术 , 目前 RPM 技术已发展了十几种工艺方法。基于 RPM 技术快速制造模具的方法多为间接制模法 , 即利用 RPM 原型间接地翻制模具。(1) 软质简易模具 (如汽车覆盖件模具) 的制作。采用硅橡胶、低熔点合金等将原型准确复制成模具 , 或对原型表面用金属喷涂法或物理蒸发沉积法镀上一层熔点极低的合金来制作模具。这些简易模具的寿命为 50～5 000件 ,由于其制造成本低 ,制作周期短 , 特别适用于产品试制阶段的小批量生产。(2) 钢质模具制作。RPM 原型 — — — 三维砂轮— — — 整体石墨电极 — — — 钢模 ,一个中等大小、 较为复杂的电极一般 4～8h 即可完成。 美国福特汽车公司用此技术制造汽车覆盖件模具取得了满意的效果 ,与传统机械加工制作模具相比 , 快速模具制造省去了耗时、 昂贵的 CNC加工 ,加工成本及周期大大降低 ,具有广阔的应用前景。3 模具表面强化与修复为提高模具的使用寿命 , 常常需对模具表面进行强化处理。常用的模具表面强化处理工艺有化学处理 (如渗碳、 碳氮共渗等) 、 表层复合处理 (如堆焊、 热喷涂、 电火花表面强化、 PVD 和 CVD 等) 以及表面加工强化处理(如喷丸等) 。这些方法大多工艺较为复杂 , 处理周期较长 , 且处理后存在较大的变形。采用激光技术来强化和修复模具 , 具有柔性大 , 表面硬度高 , 工艺周期短 , 工作环境洁净等优点 ,因此具有很强的生命力。3. 1 激光相变硬化激光相变硬化 (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达到相变温度 (但低于熔化温度) 而形成奥氏体 ,当激光束离开后 , 利用金属表面本身热传导而发生自淬火 , 使金属表面发生马氏体转变 , 形成硬度高、抗磨损的表层 , 从而使金属表面得到强化。所用设备为三轴联动的数控激光加工机。影响激光强化的主要因素有激光功率、光斑尺寸和扫描速度。在强化过程中要对这些参数进行优化 , 并对具体材料选择合适的激光处理参数。对于CrWMn、 Cr12MoV、 Cr12、 T10A 及 Cr-Mo 铸铁等的常用模具材料 , 在激光处理后 , 其组织性能较常规热处理普遍改善。 例如 ,CrWMn 钢在常规加热时易在奥氏体晶界上形成网状的二次碳化物 , 显著增加工件脆性 ,降低冲击韧性 ,使用在模具刃口或关键部位寿命较低。采用激光淬火后可获得细马氏体和弥散分布的碳化物颗粒 ,清除网状 ,并获得最大硬化层深度以及最大硬度 1 017. 2HV。Cr12MoV 钢激光淬火后的硬度、抗塑性变形和抗粘磨损能力均较常规热处理有所提高。对 T8A 钢制造的凸模和Cr12Mo 钢制造的凹模 ,激光硬化深 0. 12mm ,硬度1 200HV , 寿命提高 4～6倍 , 既由冲压 2万件提高到 10～14万件。 对于 T10钢 ,激光淬火后可获得硬度 1 024HV、 深 0. 55mm 的硬化层;对于 Cr12 ,激光淬火后可获得硬度 1 000HV、 深 0. 4mm 的硬化层 ,使用寿命均得到了较大的提高。3. 2 激光涂覆激光涂覆是用激光在基体表面覆盖一层薄的具有一定性能的涂覆材料 , 这类材料可以是金属或合金 ,也可以是非金属 ,还可以是化合物及其混合物。在涂覆过程中 , 涂覆层在激光作用下与基体表面通过熔合迅速结合在一起。它与激光合金化的主要区别在于经激光作用后涂层的化学成分基本上不变化 , 基体的成分基本上不进入涂层内。激光涂覆工艺实用的材料范围很广 , 正在研究的母体材料有低碳钢、 合金钢、 铸铁、 镍铬钛耐热合金等 ,研究的添加材料有钴基合金、 铁基合金和镍基合金等。采用激光技术在有送粉器的 2kW CO2 激光器上 , 对 4Cr5MoV1Si 钢基体表面涂覆一层由镍基高温合金和 WC + W2C 粒子组成的高温耐磨合金粉末 ,在激光功率 P = 1 500W ,送粉量为 10g/ min ,工件移动速度为 2～3mm/ s 条件下 ,获得多道搭接的大面积高温耐磨合金。 在试验温度为 600℃ 时 ,硬度为 550～580HV0 .2 ; 在温度为 950℃时 , 硬度为100～200HV0 .2。 可见在 1 000℃ 左右高温下 ,涂覆层仍有很高的强硬性 , 是较理想的高温模具耐磨合金。另外 , 采用激光涂覆方法来修复已磨损的冲模及拉伸模等 ,可大大延长模具的使用寿命 ,降低模具的使用成本。3. 3 激光堆焊对于一些汽车覆盖件冲裁修边模具 , 为提高使用寿命 ,节省优质模具材料 ,刃口往往采用在较差的基体材料上堆焊一层性能优异的合金。 过去 ,堆焊大多采用人工氧 — 乙炔火焰堆焊法 ,这种方法虽然设备《模具工业》2001. No . 4 总 242 42费用低 ,但功率密度不高(102～103W/ cm 2) ,且难以进行精确控制 , 因而堆焊质量和生产率都较低。70年代以来 , 开发成功了等离子粉末堆焊技术 , 由于其具有较高的功率密度且控制性能也较好 , 因而得到了广泛的应用。但等离子堆焊存在着电极寿命短、 堆焊层母材稀释率较高等问题。80年代以来出现的激光堆焊法与使用同一材料的氧 —乙炔火焰堆焊法相比 ,激光堆焊层组织细微、 致密 ,不良品率仅为前者的 1/ 10。激光堆焊的速度快 ,生产率比氧— 乙炔火焰堆焊高 1. 75倍 , 而堆焊的材料使用量仅为其 1/ 2。而且激光堆焊层的室温硬度比氧 — 乙炔火焰堆焊的高 50HV 左右。 激光堆焊质量与激光的光束模式、 功率及堆焊速度等因素有关。4 激光加工替代模具冲压加工4. 1 激光切割替代薄板件的冲裁模激光切割替代钣金件及汽车车身制造中的冲裁修边模大有可为。三维激光切割技术 , 由于其本身具有加工灵活和保证质量的特性 , 在 80 年代就开始在汽车车身制造中应用。切割时只需用平直的支撑块来支撑工件 , 因此夹具的制作不仅成本低而且快速。由于与 CAD/ CAM 技术相结合 ,切割过程易于控制 , 可实现连续生产和并行加工 , 从而实现高效率的切割生产。切割板材所使用的激光器主要有两大类 , 即CO2 激光器和 Nd : YA G激光器 ,功率为 100～1 500W , 因为功率小于 1 500W 的激光器其振动模式为单模 , 切缝宽度为 0. 1～0. 2mm , 切割面也很整洁 ,而输出功率大于 1 500W 时激光器的振动模式为多模 , 割缝宽度近 1mm , 切割面质量较差。因 Nd :YA G的激光可通过光导纤维输送 , 比较灵活方便 ,适用于机器人手执激光喷嘴配程序控制进行精确操作 , 因此在三维切割时大多采用。影响激光切割工件质量的主要因素有切割速度、焦点位置、辅助气体压力、 激光输出功率及模式。美国福特和通用汽车公司以及日本的丰田、日产等汽车公司 , 在汽车生产线上普遍采用激光切割技术 , 它不必采用各种规格的金属模具 , 除了快速方便地切割各种不同形状的坯料外 , 还用来大量切割加工因规格不同需要更改的零件安装孔位置 , 如汽车标志灯、 车架、 车身两侧装饰线等。通用汽车公司生产的卡车仅车门就有直径为 <2. 8～<39mm 的20种孔 , 公司采用 Rofin- Sinar 的 500W 激光器通过光纤连接到装在机械手的焊头上 , 用以切割这些孔 ,1min 就完成一扇门开孔的加工 ,孔边缘光滑 ,背面平整 。<2. 8mm 孔的公差为 0. 03～0. 08mm ,<12mm 孔的公差为 - 0. 25mm～ + 0. 03mm。该公司生产的卡车和客车有 89 种孔径和孔位配置不同的底盘 ,经过优化设计 ,现在只需要冲压 5种不同的底盘 ,然后再由激光切割出配置不同的孔 ,简化了工艺 ,提高了效率 ,降低了成本。我国自然科学基金委在 1997 年把大功率 CO2及 YA G激光三维焊接和切割理论与技术作为重点项目进行资助 , 国家产学研激光技术中心的课题组成员对此进行了系统的研究 , 为在我国汽车车身制造业中应用三维激光立体加工技术做出了很大贡献。该中心为一汽轿车公司、宝山钢铁公司等国有大型企业的技术改造开展了重大工程项目攻关 , 其中开发红旗加长型轿车覆盖件的三维激光制造工艺技术 , 在我国轿车生产中是首次采用。在汽车用薄厚钢板激光大拼板拼接工艺试验研究中首次采用了激光切割替代精裁工艺技术 , 取得了较好的技术经济效果。三维激光切割在车身装配后的加工也十分有用 ,例如开行李架固定孔、 顶盖滑轨孔、 天线安装孔、修改车轮挡泥板形状等。在新车试制中用于切割轮廓和修正 ,既缩短了试制周期又节省了模具 ,充分体现出采用激光切割加工的优点。4. 2 激光打标替代冲模打标企业在其生产的零部件上常常需要打上企业自己的标志或特定的符号与数字 , 以往的方法是使用冲模打标或用铸模成型 , 打标质量不高。采用数控激光机打标不仅速度快 , 而且克服了冲模打标中常见的毛边、尖锐的边缘和畸变。由于采用计算机控制 , 因此可以打出任意复杂的图案 , 省去了模具设计、 制造及调试等环节 ,大大缩短了产品的开发制造周期 , 同时也降低了成本。因激光打标机所需功率小 ,成本低 ,打出的标记美观、 漂亮 ,现已为大多数企业所采用。4. 3 激光成形替代弯曲模成形金属板料的激光成形技术是一种利用聚焦光束以一定的速度扫描金属板料表面 (扫描速度应足够快以防止表面熔化) ,使热作用区内的材料产生明显的温度梯度 ,导致非均匀分布的热应力 ,从而使板料塑性变形的方法。与常规成形方法相比 , 激光成形《模具工业》2001. No . 4 总 242 43具有许多优点: ① 属于无模成形 ,生产周期短 ,柔性大 , 可不受加工环境限制 , 通过优化激光加工工艺参数 , 精确控制热作用区域以及热应力的分布 , 将板料无模成形; ② 因其是一种仅靠热应力而不用模具使板料变形的塑性加工方法 , 因此属无外力成形; ③ 为非接触式成形 ,所以不存在模具制作、 磨损和润滑等问题 ,也不存在贴模、 回弹现象 ,成形精度高; ④ 可使板料通过复合成形得到形状复杂的异形件(如球形件、 锥形件和抛物形件等) 。激光成形机理的实质就是弯曲机理。当激光加热板料时 , 一方面在激光作用区及其周围产生热应力 , 同时降低了被加热区域板料的屈服极根 , 从而使热应力作用区的热态材料产生非均匀的塑性变形 ,实现板料的弯曲成形。试验表明 ,激光每扫描一道次 ,金属板料可弯曲 1° ～5° ,不同的扫描轨迹和工艺参数组合能够产生不同的成形效果和不同程度的变形量 , 即可得到各种复杂形状的工件。图 2表示在工艺参数为激光速功率 1. 5kW , 激光束直径5. 4mm , 材料 SUS304 , 厚 1mm , 碳涂覆面的条件下 ,激光扫面速度与材料弯曲角之间的变化关系。图 2 激光扫描速度对弯曲角的影响现在世界上许多国家都投入较大的人力、物力对激光成形技术进行专项研究 , 在某些领域现已开始了初步的工业应用。波兰基础技术研究所的HFrackiewicz 教授利用激光成形先后制造出了筒形件、 球形件、 波纹管和金属管的扩口缩口、 弯曲成形等;德国学者 MGeiger 等将激光成形与其他加工工序复合运用于汽车制造业 , 进行了汽车覆盖件的柔性校平和其他成形件的成形 , 而且对弯曲成形过程进行计算机闭环控制 , 提高了成形精度。德国Trumpf 公司于 1997 年开发了商品化激光成形多用机床 Trumat ic L 3030。 相信随着研究的不断深入以及其他相关技术的发展 , 激光成形技术将逐趋成熟 ,进入实用化阶段。5 结束语激光加工技术作为一种先进的加工工艺 , 在国外各行业已得到了广泛的应用 ,我国机械行业在 “九五”期间也将其作为十大技术之一。国家自然科学基金委也把激光加工工艺和激光加工设备的研究作为重点研究项目进行资助 , 并明确指出其主要应用领域应该在汽车制造业。模具作为一种工具 , 其生产周期、质量和成本直接影响产品的制造过程和销售。而激光作为一种万能加工工具 , 在减少模具制造装备 ,缩短模具制造周期 ,降低制造成本和保证模具质量等方面具有很大的优势。如何在实际生产中应用激光加工技术来优化模具制造工艺 , 对传统的模具制造工艺进行改进和组合 , 需要我们做出不断的努力。参 考 文 献1 陈大明 ,徐有容 . 模具钢表面激光熔覆硬面合金层改性研究.金属热处理 ,1998 , (1)2 李懦荀 ,平雪良.连续激光强化模具刃口的工艺研究.电加工 ,1995 , (6)3 孙中发 . 我国激光产业发展对策.上海交通大学学报 ,1997 , (10)4 曹 能 ,冯 梅.激光加工技术在汽车工业中的应用 ,宝钢技术 ,1998 , (3)5 管延锦 ,孙升.激光快速成形与制造技术及其在汽车工业中的应用.汽车工艺与材料 ,1999 , (9)6 A Domenico . 加工汽车车身部件的三维激光切割技术 .机电信息 ,1999 , (6)7 周建忠 ,袁国定.应用激光强化技术提高覆盖件模具寿命.模具工业 ,2000 , (4)8 胡晓峰 . 基于数控激光切割的快速制模方法研究 . 江苏理工大学硕士论文 , M Geiger ,F Voll tert sen. 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