激 光 加 工 技 術 在 模 具 制 造 中 的 應 用
江蘇理工大學(江蘇鎮江 212013) 張 瑩 周建忠 戴亞春
[摘要]隨著激光加工技術的日趨成熟和工業用大功率激光設備價格的逐漸下降 ,給產品和
模具的制造工藝帶來了新的變革 ,在模具制造、 模具表面強化與維修、 取代模具等 3個方面 ,就
激光優化模具制造工藝作了較為詳細的分析和探討。
關鍵詞 模具 激光 工藝優化
[ 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 he
i 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 ng
t 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 sion
was 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 of
manuf 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 ion
1 引 言
激烈的市場競爭使制造企業對快速響應市場
需求和壹次制造成功等要求日益迫切。而在常規制
造系統中 , 產品生產所需大量模具的設計、制造和
裝配調試不僅耗費大量資金 , 更嚴重的是延長了產
品生產的準備時間 , 從而延長了新產品開發周期 ,
形成制造過程中的瓶頸。因此 , 如何快速有效地制
造出高質量、低成本的模具及產品 , 就成為人們不
斷探索的課題。隨著激光加工技術的日趨成熟和工
業用大功率激光器設備價格的下降 , 給產品和模具
制造工藝帶來了重大變革。本文在模具制造、模具
表面強化與維修、取代模具等 3個方面 , 就激光加
工在模具制造中的應用作壹些探討。
2 模具制造
2. 1 模具的激光疊加制造
1982年 ,日本東京大學的中川教授等人提出用
薄片疊加法制造拉伸模 , 1985年 , 美國加州某公司
推出了模具的激光疊加制造法 , 並獲得專利 , 其工
藝流程見圖 1 ,原理為將激光切割的多層薄板疊加 ,
並使其形狀逐漸發生變化 , 最終獲得所需的模具立
體幾何形狀。日本在沖模的激光疊加制造方面已達
到實用階段 ,所制的凸、 凹模質量高 ,加工尺寸精度
— — —— — —— — —— — —— — —— — ——
收稿日期:2000年8月10日
已達 ±0. 01mm ,切割厚度為 12mm。 經激光切割後 ,
在切口表面形成深 0. 1～0. 2mm、 硬度為 800HV 的
硬化層 ,用來沖裁 1mm 厚的鋼板 ,單憑自冷硬化層
就可沖壓 10 000 件 , 如在激光切割後再經火焰淬
火 ,則可沖壓 3～5萬件。 由於各薄板間的連接簡單 ,
故用疊加法制作沖模 ,成本可降低壹半 ,生產周期大
大縮短。用來制造復合模、落料模和級進模等都取
得了顯著的經濟效益。
圖 1 激光疊加模具制造工藝流程
由模具 CAD 和激光切割相結合構成壹個完整
的模具 CAD/ CAM 系統 ,實現板料切割的 FMS ,適
用於多品種小批量生產。用激光切割的薄板來疊加
合成任意三維曲面的制造系統 , 不僅為在塑性加工
和模具領域中實行 FMS 提供了思路 , 而且對於內
部結構復雜的模具制造 ,如型孔、 中孔體及復雜的冷
卻管道等 ,也是快速而經濟的制造模具的有效方法 ,
並且能帶動其他技術如固相擴散等的發展。
2. 2 快速模具制造
模具 CAD
三維設計
二維外形
NC 程序
激光
切割
去除
梯級
創層面
精加工
成形
模具
裝
配
薄片
連結
精加工
NC 程序
模 具 制 造 技 術《模具工業》2001. No . 4 總 242 41
快速成型制造技術(RPM)是 80年代後期出現
的壹項制造技術 , 目前 RPM 技術已發展了十幾種
工藝方法。基於 RPM 技術快速制造模具的方法多
為間接制模法 , 即利用 RPM 原型間接地翻制模
具。
(1) 軟質簡易模具 (如汽車覆蓋件模具) 的制
作。采用矽橡膠、低熔點合金等將原型準確復制成
模具 , 或對原型表面用金屬噴塗法或物理蒸發沈積
法鍍上壹層熔點極低的合金來制作模具。這些簡易
模具的壽命為 50～5 000件 ,由於其制造成本低 ,制
作周期短 , 特別適用於產品試制階段的小批量生
產。
(2) 鋼質模具制作。RPM 原型 — — — 三維砂輪
— — — 整體石墨電極 — — — 鋼模 ,壹個中等大小、 較為復
雜的電極壹般 4～8h 即可完成。 美國福特汽車公司
用此技術制造汽車覆蓋件模具取得了滿意的效果 ,
與傳統機械加工制作模具相比 , 快速模具制造省去
了耗時、 昂貴的 CNC加工 ,加工成本及周期大大降
低 ,具有廣闊的應用前景。
3 模具表面強化與修復
為提高模具的使用壽命 , 常常需對模具表面進
行強化處理。常用的模具表面強化處理工藝有化學
處理 (如滲碳、 碳氮***滲等) 、 表層復合處理 (如堆
焊、 熱噴塗、 電火花表面強化、 PVD 和 CVD 等) 以
及表面加工強化處理(如噴丸等) 。這些方法大多工
藝較為復雜 , 處理周期較長 , 且處理後存在較大的
變形。采用激光技術來強化和修復模具 , 具有柔性
大 , 表面硬度高 , 工藝周期短 , 工作環境潔凈等優
點 ,因此具有很強的生命力。
3. 1 激光相變硬化
激光相變硬化 (激光淬火) 是利用激光輻照到
金屬表面 , 使其表面以很高的升溫速度達到相變溫
度 (但低於熔化溫度) 而形成奧氏體 ,當激光束離開
後 , 利用金屬表面本身熱傳導而發生自淬火 , 使金
屬表面發生馬氏體轉變 , 形成硬度高、抗磨損的表
層 , 從而使金屬表面得到強化。所用設備為三軸聯
動的數控激光加工機。
影響激光強化的主要因素有激光功率、光斑尺
寸和掃描速度。在強化過程中要對這些參數進行優
化 , 並對具體材料選擇合適的激光處理參數。對於
CrWMn、 Cr12MoV、 Cr12、 T10A 及 Cr-Mo 鑄鐵等
的常用模具材料 , 在激光處理後 , 其組織性能較常
規熱處理普遍改善。 例如 ,CrWMn 鋼在常規加熱時
易在奧氏體晶界上形成網狀的二次碳化物 , 顯著增
加工件脆性 ,降低沖擊韌性 ,使用在模具刃口或關鍵
部位壽命較低。采用激光淬火後可獲得細馬氏體和
彌散分布的碳化物顆粒 ,清除網狀 ,並獲得最大硬化
層深度以及最大硬度 1 017. 2HV。Cr12MoV 鋼激
光淬火後的硬度、抗塑性變形和抗粘磨損能力均較
常規熱處理有所提高。對 T8A 鋼制造的凸模和
Cr12Mo 鋼制造的凹模 ,激光硬化深 0. 12mm ,硬度
1 200HV , 壽命提高 4～6倍 , 既由沖壓 2萬件提高
到 10～14萬件。 對於 T10鋼 ,激光淬火後可獲得硬
度 1 024HV、 深 0. 55mm 的硬化層;對於 Cr12 ,激光
淬火後可獲得硬度 1 000HV、 深 0. 4mm 的硬化層 ,
使用壽命均得到了較大的提高。
3. 2 激光塗覆
激光塗覆是用激光在基體表面覆蓋壹層薄的具
有壹定性能的塗覆材料 , 這類材料可以是金屬或合
金 ,也可以是非金屬 ,還可以是化合物及其混合物。
在塗覆過程中 , 塗覆層在激光作用下與基體表面通
過熔合迅速結合在壹起。它與激光合金化的主要區
別在於經激光作用後塗層的化學成分基本上不變
化 , 基體的成分基本上不進入塗層內。激光塗覆工
藝實用的材料範圍很廣 , 正在研究的母體材料有低
碳鋼、 合金鋼、 鑄鐵、 鎳鉻鈦耐熱合金等 ,研究的添加
材料有鈷基合金、 鐵基合金和鎳基合金等。
采用激光技術在有送粉器的 2kW CO2 激光器
上 , 對 4Cr5MoV1Si 鋼基體表面塗覆壹層由鎳基高
溫合金和 WC + W2C 粒子組成的高溫耐磨合金粉
末 ,在激光功率 P = 1 500W ,送粉量為 10g/ min ,工
件移動速度為 2～3mm/ s 條件下 ,獲得多道搭接的
大面積高溫耐磨合金。 在試驗溫度為 600℃ 時 ,硬度
為 550～580HV0 .2 ; 在溫度為 950℃時 , 硬度為
100～200HV0 .2。 可見在 1 000℃ 左右高溫下 ,塗覆層
仍有很高的強硬性 , 是較理想的高溫模具耐磨合
金。另外 , 采用激光塗覆方法來修復已磨損的沖模
及拉伸模等 ,可大大延長模具的使用壽命 ,降低模具
的使用成本。
3. 3 激光堆焊
對於壹些汽車覆蓋件沖裁修邊模具 , 為提高使
用壽命 ,節省優質模具材料 ,刃口往往采用在較差的
基體材料上堆焊壹層性能優異的合金。 過去 ,堆焊大
多采用人工氧 — 乙炔火焰堆焊法 ,這種方法雖然設備《模具工業》2001. No . 4 總 242 42
費用低 ,但功率密度不高(10
2
～10
3
W/ cm 2
) ,且難以
進行精確控制 , 因而堆焊質量和生產率都較低。70
年代以來 , 開發成功了等離子粉末堆焊技術 , 由於
其具有較高的功率密度且控制性能也較好 , 因而得
到了廣泛的應用。但等離子堆焊存在著電極壽命
短、 堆焊層母材稀釋率較高等問題。80年代以來出
現的激光堆焊法與使用同壹材料的氧 —乙炔火焰
堆焊法相比 ,激光堆焊層組織細微、 致密 ,不良品率
僅為前者的 1/ 10。激光堆焊的速度快 ,生產率比氧
— 乙炔火焰堆焊高 1. 75倍 , 而堆焊的材料使用量
僅為其 1/ 2。而且激光堆焊層的室溫硬度比氧 — 乙
炔火焰堆焊的高 50HV 左右。 激光堆焊質量與激光
的光束模式、 功率及堆焊速度等因素有關。
4 激光加工替代模具沖壓加工
4. 1 激光切割替代薄板件的沖裁模
激光切割替代鈑金件及汽車車身制造中的沖
裁修邊模大有可為。三維激光切割技術 , 由於其本
身具有加工靈活和保證質量的特性 , 在 80 年代就
開始在汽車車身制造中應用。切割時只需用平直的
支撐塊來支撐工件 , 因此夾具的制作不僅成本低而
且快速。由於與 CAD/ CAM 技術相結合 ,切割過程
易於控制 , 可實現連續生產和並行加工 , 從而實現
高效率的切割生產。
切割板材所使用的激光器主要有兩大類 , 即
CO2 激光器和 Nd : YA G激光器 ,功率為 100～1 500
W , 因為功率小於 1 500W 的激光器其振動模式為
單模 , 切縫寬度為 0. 1～0. 2mm , 切割面也很整潔 ,
而輸出功率大於 1 500W 時激光器的振動模式為多
模 , 割縫寬度近 1mm , 切割面質量較差。因 Nd :
YA G的激光可通過光導纖維輸送 , 比較靈活方便 ,
適用於機器人手執激光噴嘴配程序控制進行精確
操作 , 因此在三維切割時大多采用。影響激光切割
工件質量的主要因素有切割速度、焦點位置、輔助
氣體壓力、 激光輸出功率及模式。
美國福特和通用汽車公司以及日本的豐田、日
產等汽車公司 , 在汽車生產線上普遍采用激光切割
技術 , 它不必采用各種規格的金屬模具 , 除了快速
方便地切割各種不同形狀的坯料外 , 還用來大量切
割加工因規格不同需要更改的零件安裝孔位置 , 如
汽車標誌燈、 車架、 車身兩側裝飾線等。通用汽車公
司生產的卡車僅車門就有直徑為 <2. 8～<39mm 的
20種孔 , 公司采用 Rofin- Sinar 的 500W 激光器通
過光纖連接到裝在機械手的焊頭上 , 用以切割這些
孔 ,1min 就完成壹扇門開孔的加工 ,孔邊緣光滑 ,背
面平整 。<2. 8mm 孔的公差為 0. 03～0. 08mm ,
<12mm 孔的公差為 - 0. 25mm～ + 0. 03mm。該公
司生產的卡車和客車有 89 種孔徑和孔位配置不同
的底盤 ,經過優化設計 ,現在只需要沖壓 5種不同的
底盤 ,然後再由激光切割出配置不同的孔 ,簡化了工
藝 ,提高了效率 ,降低了成本。
我國自然科學基金委在 1997 年把大功率 CO2
及 YA G激光三維焊接和切割理論與技術作為重點
項目進行資助 , 國家產學研激光技術中心的課題組
成員對此進行了系統的研究 , 為在我國汽車車身制
造業中應用三維激光立體加工技術做出了很大貢
獻。該中心為壹汽轎車公司、寶山鋼鐵公司等國有
大型企業的技術改造開展了重大工程項目攻關 , 其
中開發紅旗加長型轎車覆蓋件的三維激光制造工藝
技術 , 在我國轎車生產中是首次采用。在汽車用薄
厚鋼板激光大拼板拼接工藝試驗研究中首次采用了
激光切割替代精裁工藝技術 , 取得了較好的技術經
濟效果。三維激光切割在車身裝配後的加工也十分
有用 ,例如開行李架固定孔、 頂蓋滑軌孔、 天線安裝
孔、修改車輪擋泥板形狀等。在新車試制中用於切
割輪廓和修正 ,既縮短了試制周期又節省了模具 ,充
分體現出采用激光切割加工的優點。
4. 2 激光打標替代沖模打標
企業在其生產的零部件上常常需要打上企業自
己的標誌或特定的符號與數字 , 以往的方法是使用
沖模打標或用鑄模成型 , 打標質量不高。采用數控
激光機打標不僅速度快 , 而且克服了沖模打標中常
見的毛邊、尖銳的邊緣和畸變。由於采用計算機控
制 , 因此可以打出任意復雜的圖案 , 省去了模具設
計、 制造及調試等環節 ,大大縮短了產品的開發制造
周期 , 同時也降低了成本。因激光打標機所需功率
小 ,成本低 ,打出的標記美觀、 漂亮 ,現已為大多數企
業所采用。
4. 3 激光成形替代彎曲模成形
金屬板料的激光成形技術是壹種利用聚焦光束
以壹定的速度掃描金屬板料表面 (掃描速度應足夠
快以防止表面熔化) ,使熱作用區內的材料產生明顯
的溫度梯度 ,導致非均勻分布的熱應力 ,從而使板料
塑性變形的方法。與常規成形方法相比 , 激光成形《模具工業》2001. No . 4 總 242 43
具有許多優點: ① 屬於無模成形 ,生產周期短 ,柔性
大 , 可不受加工環境限制 , 通過優化激光加工工藝
參數 , 精確控制熱作用區域以及熱應力的分布 , 將
板料無模成形; ② 因其是壹種僅靠熱應力而不用模
具使板料變形的塑性加工方法 , 因此屬無外力成
形; ③ 為非接觸式成形 ,所以不存在模具制作、 磨損
和潤滑等問題 ,也不存在貼模、 回彈現象 ,成形精度
高; ④ 可使板料通過復合成形得到形狀復雜的異形
件(如球形件、 錐形件和拋物形件等) 。
激光成形機理的實質就是彎曲機理。當激光加
熱板料時 , 壹方面在激光作用區及其周圍產生熱應
力 , 同時降低了被加熱區域板料的屈服極根 , 從而
使熱應力作用區的熱態材料產生非均勻的塑性變
形 ,實現板料的彎曲成形。試驗表明 ,激光每掃描壹
道次 ,金屬板料可彎曲 1° ～5° ,不同的掃描軌跡和工
藝參數組合能夠產生不同的成形效果和不同程度
的變形量 , 即可得到各種復雜形狀的工件。圖 2表
示在工藝參數為激光速功率 1. 5kW , 激光束直徑
5. 4mm , 材料 SUS304 , 厚 1mm , 碳塗覆面的條件
下 ,激光掃面速度與材料彎曲角之間的變化關系。
圖 2 激光掃描速度對彎曲角的影響
現在世界上許多國家都投入較大的人力、物力
對激光成形技術進行專項研究 , 在某些領域現已開
始了初步的工業應用。波蘭基礎技術研究所的
HFrackiewicz 教授利用激光成形先後制造出了筒
形件、 球形件、 波紋管和金屬管的擴口縮口、 彎曲成
形等;德國學者 MGeiger 等將激光成形與其他加工
工序復合運用於汽車制造業 , 進行了汽車覆蓋件的
柔性校平和其他成形件的成形 , 而且對彎曲成形過
程進行計算機閉環控制 , 提高了成形精度。德國
Trumpf 公司於 1997 年開發了商品化激光成形多
用機床 Trumat ic L 3030。 相信隨著研究的不斷深入
以及其他相關技術的發展 , 激光成形技術將逐趨成
熟 ,進入實用化階段。
5 結束語
激光加工技術作為壹種先進的加工工藝 , 在國
外各行業已得到了廣泛的應用 ,我國機械行業在 “九
五”期間也將其作為十大技術之壹。國家自然科學
基金委也把激光加工工藝和激光加工設備的研究作
為重點研究項目進行資助 , 並明確指出其主要應用
領域應該在汽車制造業。模具作為壹種工具 , 其生
產周期、質量和成本直接影響產品的制造過程和銷
售。而激光作為壹種萬能加工工具 , 在減少模具制
造裝備 ,縮短模具制造周期 ,降低制造成本和保證模
具質量等方面具有很大的優勢。如何在實際生產中
應用激光加工技術來優化模具制造工藝 , 對傳統的
模具制造工藝進行改進和組合 , 需要我們做出不斷
的努力。
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