基于激光组合加工技术分层模块化模具的快速高精制造方法技术

本发明专利技术公开了一种基于激光组合加工技术分层模块化汽车覆盖件模具的快速高精制造方法。该方法以激光切割加工为主，激光表面强化及熔覆技术为辅，结合分层模块化模具结构设计方法，实现了汽车覆盖件模具的快速高精制造，为新车型开发中的样车试制、覆盖件模具试制提供了快速而经济的技术支撑手段。该方法包括模具分层切割、模块化组合定位与连接、激光表面强化及熔覆处理等工艺步骤，最终形成在局部关键部位处，材料由表及里呈功能梯度分布，各结构层具有不同的机械性能和作用，既可保证模具的整体性能要求，又可简化工艺、降低成本。该方法可为200辆样车试制提供样件，同时可为即将正式生产用钢制模具提供充分可靠并经过实验验证的设计数据。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于先进制造
，涉及快速模具制造方法，特别涉及计算机图形学、 激光切割、激光表面强化与激光表面熔覆技术的汽车覆盖件模具的快速制造方法。
技术介绍
所谓快速模具制造技术是相对于目前规模化大批量生产的汽车覆盖件模具而言的，其典型制造过程主要包括毛坯铸造、线切割、电火花、CNC加工、热处理等诸多长周期、 高成本的加工工艺过程，而且需要具备与工艺过程相适应的大型成套专业化工艺装备，设备费用高，投入大且生产组织与管理复杂。快速模具(或称简易模具)一般具有制造周期短、成本低的特点，适用于新产品试制或小批量生产。以往常用于汽车覆盖件简易模具的制造方法主要有低熔点合金模具、锌基合金模具、环氧树脂模具等。这些方法在实际工程中都得到了较好的应用，但仍然存在一定的缺点，低熔点合金模具需要在专门的铸造工艺装备，在预制的型腔内浇注成型，还需必要的加工以保证模具精度，工艺过程复杂，不适宜新车型开发；锌基合金模具浇注温度一般在400°C以上，对浇注工艺和模型要求较高，一般只用来制作冲压凹模；环氧树脂模具制作工艺相对简单，但受材料自身物性的限制，模具的强度、表面耐磨性稍差。针对上述问题，CN03134500.X专利中提出了电弧喷涂汽车覆盖件冲压模具快速制造方法是一种典型的复型方法，为实现梯度功能分布断面需要多种不同背衬材料、实现工艺也相对复杂。本专利技术提出，具有以下特点1)单一化的激光组合加工工艺即可完成模具制备，所需设备单一，制模周期短，成本低，特别适合于新产品开发和小批量生产，符合汽车业日趋激烈的市场竞争需求；2)本方法制造的快速模具只采用普通钢材制作，材料单一且易回收，体现了先进制造技术中的近净形和绿色环保要求；3)基于计算机图形学原理对模具沿特定方向进行分层离散化处理，利用激光切割技术实现模具的快速制造，通过层间变厚度设计方法可改善并提高对模具型面和尺寸的适应性的同时，既可提高模具制造效率，又能保证模具的型面精度；4)基于激光表面强化技术可对模具刃口等关键部位进行表面热处理，可实现材料性能在模具断面上由表及里呈功能梯度化分布，即模具表面强度高且耐磨，模具内部具有一定冲击韧性的基体；5)对模具局部型面细节可通过激光表面熔覆方法进行修复，可较好地解决模具使用过程中的磨损问题；6)模具制造工艺过程简单易于实现过程自动化，设备单一易于生产管理；7)序列化层次分解后的模具零件，只需经螺栓即可实现组合拼接，模具装配过程简单易行；8)激光加工过程通过远红外工业摄像头实现温度与加工轨迹的在线监测，对激光加工工艺参数进行闭环控制，实现模具的高精度加工。本专利技术提出的主要涉及计算机图形学、激光切割、激光表面强化和激光表面熔覆等理论基础和
技术介绍
。计算机图形学通过成熟的通用CAD软件可实现模具三维CAD数模的构建，通过本专利技术所开发的面向分层模块化模具结构的专用CAD与CAM软件系统可实现模具沿特定方向 上的序列离散化，以及与分层加工与装配相适应的新型模具结构，必须考虑层与层之间的定位和连接关系。通过本专利技术提出基于计算机图形学原理的功能尺寸和组合公差补偿算法可保证模具组合装配后的尺寸精度。模具完成分层模块化设计后系统可自动下料排样，并逐层生成5自由度的激光头切割运动轨迹，要求激光头的轴线与型面保持相切以保证整体型面质量和精度。激光加工技术是一类基于热效应的加工技术，其基本过程是将高能量的激光束辐照在被加工表面，基于热效应，使工件升温、融化或汽化，以达到各种加工目的。与传统加工用热源相比，激光加工具有一系列特点1)激光束易于传输，其时间特性和空间分布容易控制；2)激光束经聚焦后，可以得到很细的光斑，具有极高的功率密度；3)可以加热熔化或汽化任何材料，可以进行局部区域的精细的快速加工；4)加工过程对工件输入的热量小， 热影响区和热变形小；5)板材仅需装夹一次，即可完成全部的下料排样加工，加工效率高； 6)容易实现自动化。随着激光器件和加工技术的进步，激光加工技术的应用规模得到迅速扩展。激光切割技术是利用透镜将激光聚焦至工件表面，形成一个直径约0. 1 0. 5mm 的光斑，实现极高的功率密度以熔化或汽化工件材料。与此同时，一股与光束同轴气流由激光头喷出，将切口处上述熔化或汽化的材料吹出。随着激光头与工件的相对运动生成切口。 该气流还有冷却已切割表面、减少热影响区和保证聚焦透镜不受污染的作用。激光表面强化技术是通过相变强化原理进行表面强化。首先利用激光束做热源将工件表层迅速加热到奥氏体化温度，随后通过高导热率的基体材料将热量向基体深部传导，使被处理表面层以极快得速度冷却，得到如马氏体等的强化相。其目的是在工件表面形成高强硬化带以减低磨损，同时可通过材料的热胀冷缩效应使表面产生压应力来提高工件的疲劳强度。激光熔覆技术是利用激光加热基体表面的同时，熔入其他合金材料，使合金材料与基体处理实现冶金结合，其熔覆层的成分、厚度及生长方向可通过激光加工工艺参数进行控制。该技术可以得到与基体材料完全不同的表面合金层，以达到耐磨耐腐蚀的目的。
技术实现思路
本专利技术基于计算机图形学原理实现了完全数字化驱动的分层模块化模具CAD与 CAM、采用以激光切割技术为主，辅助以激光表面强化和激光表面熔覆技术，提出一种，该方法可以应用于各种制造领域，其中汽车覆盖件模具装备制造业是其最重要的应用领域。本专利技术提出的，是一种新型快速制模(RT :Rapid Tooling)方法。它既有别于常规传统切削加工中材料消减方式的加工方法，同时也不同于材料叠加方式的快速原型(RP:Rapid Prototyping)加工方法。本专利技术提出的分层模块化新型模具结构可以说是两类加工方法的综合，它既具有RP方法中体现自适应灵活制造的材料叠加过程，同时也具有常规加工方法中体现快速制造的材料消减过程。利用本专利技术的快速高精制模方法制造模具，与传统汽车覆盖件模具制造相比， 本专利技术方法加工周期平均可缩减至约1/30以上，加工成本可降至约1/10以上。由此可见，本专利技术方法是一种高效、低成本的快速模具制造方法。本专利技术集成了不同的现代激光加工技术，使最终制备的模具在局部关键部位处， 材料由表及里可呈现功能梯度结构，各结构层具有不同的机械性能和作用，既保证了模具的整体性能要求，又简化了工艺、降低了成本。同时激光加工也是一种环境友好型的绿色制造方法，整个加工过程无需任何切削液，可实现洁净无污染加工。本专利技术的不足是目前组合型激光数控加工装备的一次性投入较大，但相对于汽车研发中的模具开发费来说，是完全可以接受的。本 专利技术提出的，充分利用了现代化的CAD和CNC技术，突破了传统模具结构的束缚，其特征在于1)分层模块化模具结构针对本专利技术提出的分层模块化模具结构，特开发了面向分层模块化模具结构的专用CAD与CAM软件系统，其主要有以下四种功能①模具的自动序列化离散功能分层模块化模具结构首先根据汽车覆盖件产品的结构要求进行冲压成型工艺分析，并完成模具的三维CAD数模创建，本软件系统将完整连续的模具沿特定方向自动进行序列离散化剖分，再对层与层之间的定位和连接关系进行层间连接结构设计，其基本设计过程是一个“合_分_合”的新型模具结构。系统还可根据模具型面曲率和毛坯板料厚度自动优化层间厚度，可实现等厚或不等厚设计。②模具自动下本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种基于激光组合加工技术分层模块化模具的快速高精制造方法，基于计算机图形学原理实现了完全数字化驱动的分层模块化模具ＣＡＤ与ＣＡＭ，以激光切割技术为主要加工手段，并结合激光表面强化技术和激光表面熔覆技术，实现了模具的快速高精制造，最终形成在模具刃口等关键部位的横断面上，材料由表及里呈功能梯度分布，各结构层具有不同的机械性能和作用。其特征在于：１）分层模块化模具结构本软件系统将完整连续的模具沿特定方向自动进行序列离散化剖分，再对层与层之间的定位和连接关系进行层间连接结构设计，其基本设计过程是一个“合－分－合”的新型模具结构。２）组合式激光加工技术①利用本专利技术提供的算法对模具进行自动分层和排样，采用激光切割技术逐次切割下料，数控轨迹中激光头轴线与型面保持相切；②对依次组合拼接的模具，对其刃口等关键部位进行激光表面强化或熔覆处理，其处理过程要求在不损坏聚焦镜的情况下，激光头的轴线尽量与被处理型面保持垂直；③上述加工过程采用远程红外摄像头进行在线监测，实现闭环实时控制下的高精加工。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：卢远志，
申请(专利权)人：卢远志，
类型：发明
国别省市：43