專利名稱：模具型腔表面等離子束強(qiáng)化方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種模具型腔表面強(qiáng)化方法及裝置，尤其涉及一種模具型腔表面等離子束強(qiáng)化方法及裝置，屬于冷作模具、熱作模具的表面強(qiáng)化技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
模具制造在工業(yè)發(fā)展中具有十分重要的作用，但其工作條件大多十分惡劣，常承受較大的沖擊負(fù)荷或高溫載荷，過快磨損或頻繁的熱疲勞失效導(dǎo)致模具成型企業(yè)生產(chǎn)效率降低、產(chǎn)品質(zhì)量下降、生產(chǎn)成本提高。改善模具的耐磨和抗熱疲勞性能，提高模具的使用壽命是各國(guó)研究者正在研究并急待解決的重大問題之一。在一般工藝條件下，強(qiáng)度與韌性之間往往存在著制約關(guān)系，材料強(qiáng)度增加，通?？偘殡S著材料韌性降低。要求高強(qiáng)度的同時(shí)，又要求材料有較高的韌性，常常是很困難的。強(qiáng)韌化處理多種多樣，但歸結(jié)起來(lái)基本都是通過高溫淬火和高溫回火、低溫淬火等途徑來(lái)取得強(qiáng)韌化效果的充分利用板條馬氏體和下貝體組織形態(tài)，盡量減少片狀馬氏體；細(xì)化鋼的奧氏體晶粒和過剩碳化物，獲得馬氏體與具有良好塑性的第二相的復(fù)合組織；模具表面強(qiáng)化處理工藝主要有氣體氮化法、離子氮化法、電火花表面強(qiáng)化法、滲硼法、TD法、CVD法、 PVD法、BRN法、激光表面強(qiáng)化法、等離子噴涂法等等。但是，這些傳統(tǒng)處理方法常會(huì)在模具表面形成殘余張應(yīng)力，降低模具的使用壽命，同時(shí)由于是對(duì)表面整體處理，其效率低、成本較高。在對(duì)土壤動(dòng)物的研究中，發(fā)現(xiàn)土壤動(dòng)物出入于粘性較大的糞便和土壤中，經(jīng)受磨損，能夠自由行動(dòng)，身體很少粘附糞便和泥土，這是因?yàn)閯?dòng)物表面有一定的彈性，在外力的作用下，體表可吸收能量，發(fā)生彈性變形。同時(shí)凸起部位較硬，還含有一些其它元素，其作用是承受著糞便和土壤的擠壓與摩擦，抵抗磨損。對(duì)蜣螂、海生貝殼、穿山甲、蛇、蜥蜴等生物表面微觀結(jié)構(gòu)分析，發(fā)現(xiàn)其表面軟硬組織呈現(xiàn)出一定的圖案。如海生貝殼，其表面由方向各異的交叉層片迭合而成，層片取向和凹凸度與貝殼的硬度、韌性密切相關(guān)。交叉迭層結(jié)構(gòu)在阻止裂縫發(fā)展方向具有明顯優(yōu)勢(shì)。因此，模仿生物表面結(jié)構(gòu)和圖案已在某些工業(yè)技術(shù)領(lǐng)域得到了應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種模具型腔表面等離子束強(qiáng)化方法及裝置，用于模仿生物表面結(jié)構(gòu)和圖案在模具型腔表面生成有規(guī)律的強(qiáng)化單元以利于提高模具的耐磨性及抗熱疲勞性，借此解決現(xiàn)有模具型腔表面處理方法存在的模具表面存在殘余張應(yīng)力、模具使用壽命降低以及表面整體處理導(dǎo)致的效率低、成本高的問題。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供的模具型腔表面等離子束強(qiáng)化方法包括以下步驟步驟1 將待處理的模具安裝在工作臺(tái)上；步驟2 調(diào)整等離子束發(fā)生器與待處理的模具型腔位姿，以使等離子束發(fā)生器與模具型腔表面達(dá)到最佳工作位置；步驟3 根據(jù)待處理的模具材料，確定工藝參數(shù)，調(diào)節(jié)等離子束能量；步驟4 根據(jù)模具型腔幾何特征，確定等離子束的強(qiáng)化軌跡；步驟5 根據(jù)強(qiáng)化軌跡，在模具型腔表面進(jìn)行強(qiáng)化路徑測(cè)試，以檢測(cè)強(qiáng)化設(shè)備可能發(fā)生的干涉性；步驟6 等離子束流按照確定的速度和軌跡掃描模具型腔表面。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供的模具型腔表面等離子束強(qiáng)化裝置包括等離子束發(fā)生器，用于產(chǎn)生等離子束；能量束調(diào)節(jié)器，設(shè)于所述等離子束發(fā)生器，用于調(diào)節(jié)等離子束的能量密度 ’五自由度進(jìn)給機(jī)構(gòu)，所述五自由度進(jìn)給機(jī)構(gòu)包括工作臺(tái)和工作部，所述工作臺(tái)具有平移自由度、旋轉(zhuǎn)自由度，所述工作部具有互相垂直的兩個(gè)方向的平移自由度，且所述工作部上設(shè)有一個(gè)等離子束安裝軸，所述等離子束安裝軸具有旋轉(zhuǎn)自由度；控制系統(tǒng)，與所述等離子束發(fā)生器、能量束調(diào)節(jié)器和五自由度進(jìn)給機(jī)構(gòu)連接以控制、協(xié)調(diào)所述等離子束發(fā)生器、能量束調(diào)節(jié)器和五自由度進(jìn)給機(jī)構(gòu)的動(dòng)作。通過仿生理論設(shè)計(jì)出一種可以同時(shí)提高表面耐磨性、抗熱疲勞性的強(qiáng)化單元；并應(yīng)用相應(yīng)的設(shè)備加工出符合仿生功能要求的強(qiáng)化單元，本發(fā)明可以根據(jù)不同模具的工況， 選用不同的強(qiáng)化形態(tài)、尺寸、分布規(guī)律的仿生圖案，獲得不同的性能，在模具型腔表面形成個(gè)性化網(wǎng)狀強(qiáng)化單元。借此，本發(fā)明不但可以增強(qiáng)模具型腔表面抗磨損性能、抗熱疲勞性能，大幅度提高模具的使用壽命，而且強(qiáng)化工藝簡(jiǎn)單、成本較低。


圖1為本發(fā)明裝置優(yōu)選實(shí)施例運(yùn)行時(shí)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖2為本發(fā)明裝置優(yōu)選實(shí)施例的五自由度進(jìn)給機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖； 圖3-圖5分別為本發(fā)明裝置優(yōu)選實(shí)施例在模具型腔表面形成的菱形、人字形、魚骨形強(qiáng)化單元的圖案。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖及具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說明。圖1和圖2基本示出了本發(fā)明裝置優(yōu)選實(shí)施例的示意性結(jié)構(gòu)，圖1-圖2所示的本發(fā)明模具型腔表面等離子束強(qiáng)化裝置優(yōu)選實(shí)施例包括圖中示出的等離子束發(fā)生器的等離子頭D、五自由度進(jìn)給機(jī)構(gòu)以及未圖示的等離子束發(fā)生器的主體結(jié)構(gòu)、能量束調(diào)節(jié)器、控制系統(tǒng)和自適應(yīng)送粉結(jié)構(gòu)。等離子束發(fā)生器用于產(chǎn)生等離子束，并由等離子頭D輸出。能量束調(diào)節(jié)器設(shè)于等離子束發(fā)生器，用于調(diào)節(jié)等離子束的能量密度。由于等離子束發(fā)生器及能量束調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)及使用方法均為公知技術(shù)，在此不再贅述。五自由度進(jìn)給機(jī)構(gòu)包括工作臺(tái)GT、工作部以及床身CS、立柱LZ、安裝軸Bi、軸座 ZZ、軸座板觀和進(jìn)給機(jī)構(gòu)Z1、X1、Y1、C1，其中安裝等離子頭D的安裝軸Bl也用以表示驅(qū)動(dòng)安裝軸Bl旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)進(jìn)給機(jī)構(gòu)Bi。安裝軸Bl設(shè)于軸座ZZ上，軸座ZZ可移動(dòng)地設(shè)于軸座板觀上，軸座板可移動(dòng)地設(shè)于立柱LZ上。工作臺(tái)GT則是可旋轉(zhuǎn)地及可移動(dòng)地設(shè)于床身CS 上。在各進(jìn)給機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)下，工作臺(tái)GT具有Y向平移自由度、C軸旋轉(zhuǎn)自由度、工作部的TL 向平移自由度和B軸旋轉(zhuǎn)自由度。其運(yùn)動(dòng)傳遞為X向的進(jìn)給機(jī)構(gòu)XI，也即X向進(jìn)給電機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠帶動(dòng)等離子頭D沿X向運(yùn)動(dòng)；Y向的進(jìn)給機(jī)構(gòu)Y1，也即Y向進(jìn)給電機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠帶動(dòng)工作臺(tái)沿Y向運(yùn)動(dòng)；以此類推，Z向進(jìn)給電機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠帶動(dòng)工作頭沿Z向平移運(yùn)動(dòng)，C向旋轉(zhuǎn)自由度由C向進(jìn)給電機(jī)驅(qū)動(dòng)，帶動(dòng)圓形工作臺(tái)GT作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。安裝軸Bl的旋轉(zhuǎn)由B向電機(jī)驅(qū)動(dòng)，帶動(dòng)等離子頭D作B向旋轉(zhuǎn)。五個(gè)進(jìn)給機(jī)構(gòu)的電機(jī)由包括計(jì)算機(jī)在內(nèi)的控制系統(tǒng)統(tǒng)一控制，實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)。本優(yōu)選實(shí)施例的控制系統(tǒng)不但與五自由度進(jìn)給機(jī)構(gòu)連接以控制其各項(xiàng)動(dòng)作，而且與等離子束發(fā)生器、能量束調(diào)節(jié)器和自適應(yīng)送粉機(jī)構(gòu)連接以控制、協(xié)調(diào)等離子束發(fā)生器、能量束調(diào)節(jié)器、自適應(yīng)送粉機(jī)構(gòu)和五自由度進(jìn)給機(jī)構(gòu)的動(dòng)作。其中，自適應(yīng)送粉機(jī)構(gòu)用于向工作臺(tái)GT上的模具G的型腔表面輸送合金粉，其接受控制系統(tǒng)的控制，并根據(jù)模具基材和表面工作應(yīng)力分布情況選擇合金粉或者不用合金粉，以及根據(jù)型腔幾何表面曲率信息將合金粉送至模具型腔表面。下面結(jié)合本發(fā)明裝置優(yōu)選實(shí)施例的使用，對(duì)本發(fā)明方法優(yōu)選實(shí)施例做進(jìn)一步說明。在本發(fā)明裝置優(yōu)選實(shí)施例運(yùn)行時(shí)，將待處理的模具G安裝在兩自由度工作臺(tái)GT之上。調(diào)整等離子束發(fā)生器的等離子頭D與待處理的模具G的型腔位姿。工作臺(tái)GT上有二個(gè)自由度，g卩Y平移自由度和C軸方向旋轉(zhuǎn)自由度，由電機(jī)驅(qū)動(dòng)。等離子頭D有三個(gè)自由度，即X、Z向平移自由度和B軸方向旋轉(zhuǎn)自由度，五自由度聯(lián)動(dòng)使等離子束發(fā)生器與模具型腔表面達(dá)到最佳工作位置。確定工藝參數(shù)，根據(jù)待處理的模具材料，由工藝數(shù)據(jù)庫(kù)確定工藝參數(shù)，能量束調(diào)節(jié)器對(duì)等離子束進(jìn)行能量調(diào)節(jié)，自適應(yīng)送粉機(jī)構(gòu)調(diào)整送粉量。強(qiáng)化路徑規(guī)劃，控制系統(tǒng)的強(qiáng)化路徑生成系統(tǒng)根據(jù)模具型腔幾何特征，生成工作軌跡。等離子束發(fā)生器試強(qiáng)化，根據(jù)強(qiáng)化路徑，等離子束發(fā)生器在模具型腔表面進(jìn)行強(qiáng)化路徑測(cè)試，以檢測(cè)可能發(fā)生的干涉性。強(qiáng)化處理，用106-104W/cm2等離子束流按照設(shè)定速度和軌跡掃描模具型腔表面，形成間隔為0. 4-10mm、強(qiáng)化深度為0. 1-1. Omm菱形、人字形或魚骨形等強(qiáng)化單元。模具強(qiáng)化表面后處理，表面拋光，形成完整強(qiáng)化層。并且，進(jìn)一步優(yōu)選地，控制系統(tǒng)根據(jù)模具G的基材和型腔表面工作應(yīng)力分布情況選擇合金粉或者不用合金粉，以及采用自適應(yīng)送粉機(jī)構(gòu)依據(jù)型腔幾何表面曲率信息將合金粉送至模具型腔表面或不送合金粉。模具G的基材為生產(chǎn)中常用的冷作模具鋼和熱作模具鋼，向模具型腔表面輸送的合金粉主要含有&、31、110、1、￥、他元素。五自由度進(jìn)給機(jī)構(gòu)帶動(dòng)等離子頭D沿模具型腔表面運(yùn)動(dòng)，生成強(qiáng)化表面，工件與等離子束相對(duì)速度為l-30mm/s，等離子束流寬度為0. l_5mm。強(qiáng)化單元形狀是依據(jù)模具結(jié)構(gòu)和使用工況選定；能量束調(diào)節(jié)器根據(jù)基材特性的不同進(jìn)行工藝調(diào)節(jié)。在利用本裝置優(yōu)選實(shí)施例制造表面具有菱形強(qiáng)化單元分布形態(tài)的汽車罩蓋壓鑄模具時(shí)，根據(jù)模具基材和表面工作應(yīng)力分布情況選擇合金粉進(jìn)行表面合金化，主要合金元素為Mo、W和V ；用自適應(yīng)送粉機(jī)構(gòu)依據(jù)型腔幾何表面曲率信息將合金粉送至模具型腔表面；用等離子束流寬度為2mm，能量密度為106W/cm2等離子束流按照4mm/s的速度和軌跡掃描模具型腔表面，形成間隔為2mm、強(qiáng)化深度為0. 8mm的菱形強(qiáng)化單元(如圖3所示)。加工測(cè)試后其硬度為HRC55，摩擦系數(shù)為0. 32，耐磨性顯著提高，具有仿生表面的模具型腔使用壽命提高了 3倍。在利用本裝置優(yōu)選實(shí)施例制造表面具有人字形強(qiáng)化單元分布形態(tài)的支柱頂蓋熱鍛模具時(shí)，根據(jù)模具基材和表面工作應(yīng)力分布情況選擇不進(jìn)行表面合金化；用等離子束流寬度為1mm，能量密度為104W/cm2等離子束流按照l(shuí)mm/s的速度和軌跡掃描模具型腔表面，形成間隔為1mm、強(qiáng)化深度為1. Omm的人字形強(qiáng)化單元(如圖4所示)。加工測(cè)試后其硬度為HRC52，摩擦系數(shù)為0. 36，具有仿生表面的模具型腔使用壽命提高了 2倍。在利用本裝置優(yōu)選實(shí)施例制造表面具有魚骨形強(qiáng)化單元分布形態(tài)的鋁合金擠壓模具時(shí)，根據(jù)模具基材和表面工作應(yīng)力分布情況選擇合金粉進(jìn)行表面合金化，主要合金元素為Cr、Si和Mo ；用自適應(yīng)送粉機(jī)構(gòu)依據(jù)型腔幾何表面曲率信息將合金粉送至模具型腔表面；用束流寬度為0. 6mm,能量密度為105W/cm2等離子束流按照2mm/s的速度和軌跡掃描模具型腔表面，形成間隔為1mm、強(qiáng)化深度為1. Omm的魚骨形強(qiáng)化單元(如圖5所示)。加工測(cè)試后其硬度為HRC63，摩擦系統(tǒng)為0. 30，耐磨性顯著提高，具有網(wǎng)狀強(qiáng)化表面的模具型腔使用壽命提高了 1.8倍。綜上，本發(fā)明提供了一種冷作模具、熱作模具等離子束功能表面強(qiáng)化工藝方法及實(shí)現(xiàn)裝置，針對(duì)不同工況下的冷作模具或熱作模具基材，依據(jù)模具型腔幾何表面曲率信息及工作應(yīng)力分布情況通過等離子束將強(qiáng)化合金粉送至模具表面或不送合金粉，然后用 106-104ff/cm2等離子束流按照設(shè)定速度和軌跡掃描模具型腔表面，形成間隔為0. l-8mm、強(qiáng)化深度為0. 1-1. Omm的菱形、人字形、魚骨形強(qiáng)化單元，既保證了基材的韌性又提高了型腔表面的強(qiáng)度。該裝置包括控制系統(tǒng)、等離子束發(fā)生器、能量束調(diào)節(jié)器、自適應(yīng)送粉機(jī)構(gòu)、五自由度進(jìn)給機(jī)構(gòu)且控制系統(tǒng)包括工藝參數(shù)庫(kù)、強(qiáng)化路徑生成系統(tǒng)。通過計(jì)算機(jī)控制五自由度進(jìn)給機(jī)構(gòu)，帶動(dòng)等離子束發(fā)生器和自適應(yīng)送粉機(jī)構(gòu)，沿模具型腔基材表面生成不同分布的強(qiáng)化單元圖案，其中能量束調(diào)節(jié)器根據(jù)基材熔點(diǎn)的不同采用不同的工藝參數(shù)。工藝與設(shè)備相結(jié)合可以方便實(shí)現(xiàn)等離子能量束在模具型腔表面形成不同強(qiáng)化圖案，同時(shí)等離子能量束可根據(jù)基材的物理性能作自適應(yīng)調(diào)節(jié)，從而形成與模具基體金屬相結(jié)合的網(wǎng)狀強(qiáng)化單元， 使模具使用壽命延長(zhǎng)1-3倍，大大降低了生產(chǎn)成本。由技術(shù)常識(shí)可知，本發(fā)明可以通過其它的不脫離其精神實(shí)質(zhì)或必要特征的實(shí)施方案來(lái)實(shí)現(xiàn)。因此，上述公開的實(shí)施方案，就各方面而言，都只是舉例說明，并不是僅有的。所有在本發(fā)明范圍內(nèi)或在等同于本發(fā)明的范圍內(nèi)的改變均被本發(fā)明包含。
權(quán)利要求
1.一種模具型腔表面等離子束強(qiáng)化方法，其特征在于，包括以下步驟步驟1 將待處理的模具安裝在工作臺(tái)上；步驟2 調(diào)整等離子束發(fā)生器與待處理的模具型腔位姿，以使等離子束發(fā)生器與模具型腔表面達(dá)到最佳工作位置；步驟3 根據(jù)待處理的模具材料，確定工藝參數(shù)，調(diào)節(jié)等離子束能量；步驟4 根據(jù)模具型腔幾何特征，確定等離子束的強(qiáng)化軌跡；步驟5 根據(jù)強(qiáng)化軌跡，在模具型腔表面進(jìn)行強(qiáng)化路徑測(cè)試，以檢測(cè)強(qiáng)化設(shè)備可能發(fā)生的干涉性；步驟6 等離子束流按照確定的速度和軌跡掃描模具型腔表面。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的模具型腔表面等離子束強(qiáng)化方法，其特征在于，還包括步驟 7 模具型腔表面經(jīng)由等離子束掃描強(qiáng)化后，進(jìn)行表面拋光，形成完整強(qiáng)化層。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的模具型腔表面等離子束強(qiáng)化方法，其特征在于，在步驟6中， 等離子束掃描模具型腔表面形成的強(qiáng)化單元的間隔為0. 4-10mm、強(qiáng)化深度為0. 1-1. 0mm。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的模具型腔表面等離子束強(qiáng)化方法，其特征在于，所述強(qiáng)化單元呈菱形、人字形或魚骨形。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的模具型腔表面等離子束強(qiáng)化方法，其特征在于，在步驟6中， 所述等離子束的能量密度為106-104W/cm2。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的模具型腔表面等離子束強(qiáng)化方法，其特征在于，在步驟6中， 還包括根據(jù)模具型腔幾何表面曲率信息將合金粉送至模具型腔表面，所述合金粉含有Cr、 Si、Mo、W、V、Nb。
7.一種模具型腔表面等離子束強(qiáng)化裝置，其特征在于，包括等離子束發(fā)生器，用于產(chǎn)生等離子束；能量束調(diào)節(jié)器，設(shè)于所述等離子束發(fā)生器，用于調(diào)節(jié)等離子束的能量密度；五自由度進(jìn)給機(jī)構(gòu)，所述五自由度進(jìn)給機(jī)構(gòu)包括工作臺(tái)和工作部，所述工作臺(tái)具有平移自由度、旋轉(zhuǎn)自由度，所述工作部具有互相垂直的兩個(gè)方向的平移自由度，且所述工作部上設(shè)有一個(gè)等離子束安裝軸，所述等離子束安裝軸具有旋轉(zhuǎn)自由度；控制系統(tǒng)，與所述等離子束發(fā)生器、能量束調(diào)節(jié)器和五自由度進(jìn)給機(jī)構(gòu)連接以控制、協(xié)調(diào)所述等離子束發(fā)生器、能量束調(diào)節(jié)器和五自由度進(jìn)給機(jī)構(gòu)的動(dòng)作。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的模具型腔表面等離子束強(qiáng)化裝置，其特征在于，還包括與所述控制系統(tǒng)連接并用于向模具型腔表面輸送合金粉的自適應(yīng)送粉機(jī)構(gòu)，所述自適應(yīng)送粉機(jī)構(gòu)根據(jù)模具基材和表面工作應(yīng)力分布情況選擇合金粉或者不用合金粉以及根據(jù)型腔幾何表面曲率信息將合金粉送至模具型腔表面。
全文摘要
本發(fā)明提供一種模具型腔表面等離子束強(qiáng)化方法及裝置，該方法包括以下步驟步驟1將待處理的模具安裝在工作臺(tái)上；步驟2調(diào)整等離子束發(fā)生器與待處理的模具型腔位姿，以使等離子束發(fā)生器與模具型腔表面達(dá)到最佳工作位置；步驟3根據(jù)待處理的模具材料，確定工藝參數(shù)，調(diào)節(jié)等離子束能量；步驟4根據(jù)模具型腔幾何特征，確定等離子束的強(qiáng)化軌跡；步驟5根據(jù)強(qiáng)化軌跡，在模具型腔表面進(jìn)行強(qiáng)化路徑測(cè)試，以檢測(cè)強(qiáng)化設(shè)備可能發(fā)生的干涉性；步驟6等離子束流按照確定的速度和軌跡掃描模具型腔表面。本發(fā)明不但可以增強(qiáng)模具型腔表面抗磨損性能、抗熱疲勞性能，大幅度提高模具的使用壽命，而且強(qiáng)化工藝簡(jiǎn)單、成本較低。
文檔編號(hào)C23C8/36GK102392104SQ201110369558
公開日2012年3月28日 申請(qǐng)日期2011年11月21日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月21日
發(fā)明者劉立君, 華順明, 張學(xué)昌, 王義強(qiáng), 王曉軍, 王龍山, 賈志欣, 鄭堤 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)寧波理工學(xué)院