1、黄冈职业技术学院毕业论文课题名称: 浅谈激光加工技术在模具制造中的应用系 别 机电工程系 专 业 模具设计与制造 班 级 模具 200704 班 姓 名 陈新 学 号 200703071418 指导教师 秦训鹏 黄常翼 目录引言 .41 模具加工用激光器 .41.1 固体激光器(Nd:YAG 激光器) .41.1.1 固体激光器的基本结构 .41.1.2 固体激光器的特点 .51.2 气体激光器（CO 2激光器） .52 模具激光制造 .52.1 激光间接成模工艺 .52.1.1 立体光造形工艺 .52.1.2 薄层叠片制造工艺 .62.1.3 选择性激光烧结工艺 .82.2 激光直接成模工艺
2、 .92.2.1 选择性激光熔化技术 .92.2.2 激光工程化净成形技术 .93 模具表面激光改性 .103.1 激光相变硬化 .103.1.1 激光相变硬化原理 .103.1.2 模具激光相变硬化影响因素 .103.1.3 激光相变硬化特点 .113.2 激光冲击强化 .113.2.1 激光冲击强化处理的表面改性作用 .123.2.2 激光冲击强化的特点 .123.3 激光熔覆 .123.3.1 激光熔覆的分类 .123.3.2 激光熔覆特点 .133.4 激光合金化 .134 模具激光修复 .134.1 激光熔覆模具修复 .144.2 激光沉积焊接模具修复 .145 模具激光清洗 .14
3、总结 .14参考文献 .15摘要激光加工技术能有效地利用激光的优越性，正在改变着以往模具制造的加工和生产方式，使生产效率大幅度提高，是机加工在模具制造中最有竞争力的一种替代手段。激光加工技术的应用是个系统工程，它既包括硬件（如激光器、加工机床、导光聚焦系统等） ，也包括软件（如不同工艺的最佳工艺参数等） ，同时还包括激光与物质间相互作用机理。激光器的种类繁多，但目前,适用于在模具制造中的工业激光器主要有两大类：固体激光器和气体激光器。文中将要分析的就是这两种激光器在模具制造中的模具激光制造、模具表面激光强化和替代、模具激光修复、模具激光清洗等方面的应用。模具激光制造有激光间接成模工艺和激光直接
4、成模工艺两种。模具表面激光强化和替代主要有激光相变硬化、激光冲击强化、激光合金化和激光熔覆。模具激光修复有激光熔覆模具修复和激光沉积焊接模具修复这两种主要修复方法。模具激光清洗主要是应用高能激光脉冲去除模具在使用过程中产生的表面污物。关键词：激光器 模具激光制造 模具表面激光改性 模具激光修复 模具激光清洗引言随着科学技术的发展和模具工业的迅速发展，人们需不断地采用现代科学技术成果武装自己，以满足日新月异的产品的加工要求。因此在传统模具加工的基础上涌现出许多新的分支激光技术就是其中之一。在传统的模具设计制造系统中,需要大量的模具设计、制造和调试等工作,成本高,周期长，已不能适应日新月异的市场变
5、化。而激光以高强度、高方向性、高单向性、高相干性的特点使激光加工技术在模具设计制造中得到了很好的应用，弥补了传统模具设计制造中的不足。1 模具加工用激光器目前,用于模具加工技术中的工业激光器主要有两大类：固体激光器和气体激光器。其中,固体激光器以 Nd:YAG 激光器为代表；而气体激光器则以 CO2激光器为代表。随着激光技术的发展,目前人们也开始在某些加工应用场合使用大功率光纤激光器和大功率半导体激光器。1.1 固体激光器(Nd:YAG 激光器)1.1.1 固体激光器的基本结构固体激光器由工作物质、泵浦源、聚光腔、光学谐振腔、冷却系统、激光电源等组成，主要采用光泵浦，工作物质中的激活离子吸收光
6、能，形成粒子数反转，产生激光。固体激光器各部分的结构如图 1 所示图 1 固体激光器的基本结构掺钕钇铝石榴石激光器简称为 Nd:YAG 激光器，是目前应用最广泛的一种激光离子于基质晶体组合的固体激光器。工作物质 Nd:YAG 晶体具有优良的物质、化学性能，激光性能及热血性能，可以制成连续和高重复频率器件。1.1.2 固体激光器的特点优点： （1）输出的激光波长 1064nm，是 CO2激光波长 10600nm 的 1/10.波长较短，对聚集、光纤传输和金属表面吸收等有利，因此与金属的耦合效率高，加工性能良好（一台 800w的 YAG 激光器的有效功率相当于一台 3kw 的 CO2激光器功率）
7、。（2）YAG 激光器可以在连续和脉冲两种状态下工作，脉冲输出加调 Q 和锁模技术可以得到短脉冲和超短脉冲，峰值功率很高，使其加工范围比 CO2激光器更大。（3）YAG 激光器能与光纤耦合，借助时间分割和功率分割多路系统可以方便地将一束激光传输给多个工位和远距离工位，便于激光加工实现柔性化。（4）YAG 激光器结构紧凑，特别是 LD 泵浦的全固态激光器，小型化、全固化、长寿命、工作物质热效应减小、使用简便可靠，是目前 YAG 激光器的主要研究和发展方向。缺点：转换效率比 CO2激光器低约一个数量级，仅为百分之几；工作过程中 YAG 棒内部存在温度阶度，因而会产生热应力和热透镜效应，输出功率光束
8、质量受到影响；YAG 激光器的光束质量较差，一般为多模运转；每瓦输出功率的成本费比 CO2激光器高。1.2 气体激光器（CO 2激光器）CO2激光器是一种混合气体激光器，以 CO2、N 2和 He 的混合气体为工作物质。激光跃迁发生在 CO2分子的电子基态的两个振动-转动能级之间。N 2作用是提高激光上能级的激励效率，He 的作用是有助于激光下能级的抽空。后两种的作用都是为两增强激光的输出。CO2激光器转换效率较高，同时激光器工作产生的热量可以通过对流或扩散迅速传递到激光增益区之外，其激光输出平均功率可以做到很高的水平（万瓦以上），满足大功率激光加工的要求。2 模具激光制造模具激光制造是以激光
9、束作为热源通过激光与被加工材料之间的相互作用实现模型，用以制造三维模型的过程。内容主要包括：激光间接成模工艺和激光直接成模工艺。2.1 激光间接成模工艺2.1.1 立体光造形工艺立体光造形又称光敏树脂法或光固成型，英文是 Stereo Lithography Apparatus，简称 SLA。该方法是最早发展起来的快速成型方法，1988 年 3D Systems 公司最早推出了基于SLA 的商品化快速成型机，它采用紫外激光器在计算机的控制下实现光敏树脂的凝固成型。（1）基本原理立体光造形的快速成型机由计算机控制系统、CAD 平台、激光器、导光系统、盛放液态树脂的不锈钢液槽以及精密升降台组成。立
10、体光造型的成模过程如图 2 所示。液槽中盛满液态光敏树脂，紫外激光器（氦镉激光器或氩离子激光器或三倍频 Nd:YVO4激光器）发出的紫外激光束在控制系统的控制下按零件的各分层截面信息在光敏树脂表面进行逐点扫描，被扫描区域的树脂薄层产生光化学反应而固化，形成零件的一个薄层。一层固化完毕后，工作台下移一个层厚的距离，以使在原先固化好的树脂表面再敷上一层新的液态树脂，然后刮板将黏度较大的树脂液面刮平，进行下一层的扫描加工，新固化得一层牢固地黏结在前一层上，如此重复直至整个零件制造完毕，得到一个三维实体原型。当实体原型完成后，首先将实体取出，并将多余的树脂排净。去掉支撑后，再将实体原型放在紫外激光下整
11、体后固化。图 2 立体光造型工艺成型过程（2）技术特点优点：成型过程自动化程度高；尺寸精度高；表面质量优良；可以制作结构十分复杂的模型；可以直接制作面向熔模精密铸造的具有中空结构的消失模。缺点：成型过程中伴随着物理和化学变化，所以制件较易弯曲，需要支撑，否则会引起制件变形；设备运转及维护成本较高；可使用的材料种类较少；液态树脂具有气味和毒性，并且需要避光保护，并防止提前发生光化学反应，选择时具有局限性；需要二次固化；液态树脂固化后的性能尚不如常用的工业塑料，一般较脆、易断裂，不便进行机加工。2.1.2 薄层叠片制造工艺薄层叠片制造英文是 Laminated Object Manufacturi
12、ng，简称 LOM。工艺采用薄片材料，如纸、塑料薄膜等，由美国 Helisys 公司于 1986 年研制成功。通过反复 CO2 激光器切割和材料粘贴，得到分层制造的实体工件。LOM 工艺的特点是适合制造大型工件，其精度达到 0.1mm。（1）成型原理如图 3 所示为新加坡 Kinergy 公司生产的 ZIPPY 型快速成型机。由图可知：LOM 快速成型机主要包括激光切割系统、原材料的存储及进给系统、热粘压系统、可升降工作台和数控系统以及计算机系统，另外，排除加工过程中产生的烟雾的排气系统也是必不可少的辅助系统。图 3 薄层叠片制造工艺激光快速成型机组成计算机用于接受和储存工件的三维模型，将模型
13、安高度方向分层，得到放层的轮廓线，控制成型机协调工作。原材料进给系统将带有单面热熔胶的纸张送至工作台的上方，热粘压系统的热压辊将纸张与先前的纸张压粘在一起。激光切割系统根据计算机给出的该层的轮廓线进行切割，并将无轮廓区切成小网格，以便成型后剥离废料（图 4）。每切割完一层，升降台下降一层，重新送纸，粘合和切割，至到所有的层加工完毕。图 4 薄层叠片制造中的交叉截面线（2）成型材料薄层叠片制造工艺使用的原材料包括薄层材料和热熔胶两部分。热熔胶 1热熔胶有以下几方面的要求：良好的热熔、冷固特性，要求在室温下为固态，在加热到一定温度时熔融；要有稳定的物理化学特性；足够的黏结强度；熔融状态下与纸材有较
14、好的涂挂性和均匀性。薄层材料：纸材料、陶瓷材料、金属材料。 2（3）成型精度影响 LOM 成型精度的原因：CAD 模型前处理造成的误差；成型过程中误差；成型后环境变化引起的误差；后处理不当造成的误差。改进成型精度的措施：改善黏结压应力和厚度分布的均匀性；改善因湿度和温度引起的变形。（4）成型特点优点： 原型精度较高，精度高的原因有：进行薄形材料选择性切割成型时，在原材 1料中，只有较薄的一层粘结剂发生状态变化，而主要的基底材料保持固态不变，因此翘曲变形较小;采用特殊的颗粒状态涂黏结剂工艺制作的胶纸有较小的翘曲变形;激光切割速度与切割功率的自动匹配软件控制，以及激光切口宽度的自动补偿，精密数控系
15、统等先进技术的采用，使工件在 X 和 Y 方向的精度可达（0.10.2）mm，Z 方向的精度可达（0.20.3）mm。 因为无需对整个截面进行扫描，且不需考虑支撑，所以容易制作大尺 2寸的工作，速度快、效率高。 制件能承受高达 200 摄氏度的温度，有较高的硬度和较好 3的力学性能，可进行各种切割加工。 无需后固化处理。 原材料价格便宜，制作成本低。 4 5缺点： 不适合具有封闭腔型结构件的制作。 工件（特别是薄壁件）的抗拉强度和 1 2弹性不够好。 工件易吸湿膨胀，因此，成型后应尽快进行表面防潮处理。 工件表面有 3 4台阶纹，其高度等于材料的厚度（通常为 0.1mm 左右），因此，成型后需
16、进行表面打磨。薄层叠片制造工艺与其他工艺相比，具有制作效率高、速度快、成本低等优点，尤其适合中、大型件的制作。 2.1.3 选择性激光烧结工艺选择性激光烧结英文是 Selective Laser Sintering，简称 SLS。工艺是利用粉末状材料成形的，由美国德克萨斯大学奥斯汀分校的于 1989 年研制成功，通过用高强度的 CO2 激光器逐层有选择地扫描烧结材料粉末而形成三维工件，SLS 工艺最大的优点在于选材较为广泛。（1）基本原理图 5 选择性激光烧结工艺原理选择性激光烧结的系统工作原理如图 5 所示，整个工艺装置由激光器、扫描偏转镜、粉末缸、模型缸和铺粉系统等组成。工作时送粉缸活塞上
17、升，由铺粉辊将粉末在模型缸活塞上均匀铺上以层，计算机根据原型的切片模型控制激光束的二维扫描轨迹，有选择地烧结固体粉末材料以形成零件的一个层面。在烧结之前，整个工作台被加热至稍低于粉末溶化温度，以减少热变形，并利于与前一层面的结合。粉末完成一层后，模型缸活塞下降一个层厚，铺粉系统铺设新粉，控制激光束扫描烧结新层。如此循环往复，层层叠加，就得到三维零件。（2）成型特点优点：材料适应性广；直接制造金属功能件；成型工艺比较简单；精度较高;材料利用率高。上述三种激光快速成形技术由于发展时间长,技术相对比较成熟,在国内外都得到了较为广泛的应用。但上述方法形成的三维工件都不能直接作为模具使用,需要进行后续的
18、处理, 所以称之为激光间接成模工艺。主要的处理方法有：快速成形工件处理后用作模具。LOM制作的纸模经表面处理直接代替砂型铸造木模；或者用 LOM 制作的纸模具经表面处理直接用作低熔点合金铸模、注塑模；或失蜡铸造中蜡模的成形模。SLS 制作的工件经渗铜后,作为金属模具使用。用快速成形件作母模浇注硅橡胶、环氧树脂、聚氨脂等材料制作软模具。用快速成形件翻制硬模具。一种是直接用 LOM 制作纸基模具,经表面金属电弧喷镀和抛光后研成金属模；另一种是金属面硬背衬模具。上述硬模具可用于砂型铸造、消失模的压型制作、注塑模以及简易非钢质拉伸模。用上述激光间接成模工艺制作模具,既避开了复杂的机械切削加工,又可以保
19、证模具的精度,还可以大大缩短制模时间、节省制模费用,对于形状复杂的精度模具,其优点尤为突出。但是,目前还存在着模具寿命相对较短的缺点,所以上述激光间接成形模具较适合于小批量生产。2.2 激光直接成模工艺2.2.1 选择性激光熔化技术选择性激光熔化英文是 Selective Laser Melting，简称 SLM。选择性激光熔化技术是在选择性激光烧结(SLS)技术的基础上发展起来的。SLM 的特点为：（1）使用高功率密度，小光斑的激光束加工金属，使得金属零件具有0.1 毫米的尺寸精度；（2）熔化金属制造出来的零件具有冶金结合的实体，相对密度几乎能达到 100，大大改善了金属零件的性能；（3）由
20、于激光光斑直径很小，因此能以较低的功率熔化高熔点的金属，使得用单一成分的金属粉末来制造零件成为可能。2.2.2 激光工程化净成形技术激光多层（或称三维/立体）熔覆直接快速成形技术是在快速原型技术的基础上结合同步送料激光熔覆技术所发展起来的一项高新制造技术，其实质是计算机控制下的三维激光熔覆。由于激光熔覆的快速凝固特征，所制造出的金属零件具有均匀细密的枝晶组织和优良的质量，其密度和性能与常规金属零件相当。激光多层熔覆发展出了多种方法，其中最具代表性的是美国 Sandia 国家实验室（Sandia National Laboratories）研发的称作激光工程化净成形技术英文是 Laser Engineered Net Shaping，简称 LENS 的金属件快速成形技术。采用该方法已成功制造了不锈钢，马氏体时效钢，镍基高温合金，工具钢，钛合金，磁性材料以及镍铝金属间化合物工件，零件致密度达到近乎 100%。选择性激光熔化(SLM)技术和激光工程化净成形(LENS)技术由于成形件致密性好，且具有冶金结合组织及精度高，制成的模具寿命长的特点，已得到了工业界和学术界的普遍重
