应用于模具制造的激光加工—一种现代高速加工方法

应用于模具制造的激光加工 一种现代高速加工方法 ,物浦约翰摩尔斯大学，拜伦街，利物浦 国 b 制造技术及质量管理研究所，奥托格里克大学，马格德堡，德国 摘要 激光加工是一种新的适用于模具的柔性加工方法，特别是适用于易损结构。这种加工方法适用于加工难加工材料 , 例如陶瓷、碳化物和硬钢，同时有极 好的生产力和表面质量。 上有一系列的改进。它去除了昂贵的电极制造，从根本上减少了加工步骤，缩减了模具设计与制造间的时间间隔，在修整得到良好表面光洁度的同时提高生产力并缩减功耗。 这篇论文分别介绍了当为了粗磨和修正而联合高速磨 (激光加工 (针对表面质量和材料切除的调查。研究涵盖了用于工具和模具制造工业的一系列的难加工的金属和非金属的加工方法。结构数据库中的输入输出数据给出了最优化加工的解并且允许数据更新。 2004 保留所有权力。 关键词：激光加工；模具制造；高速加工；加工参数 1、制造工程中的激光 激光技术可有广泛的应用。德国标准 国工业标准感光片感光度单位 ） 8580 对制造技术和激光技术的定义被所有主要的机构团体所接受（图 1）。 激光由以下主要的属性所定义： * 在微小点区域的高能量密度； * 单色自然光； * 良好的瞄准性； * 一致性。 这些属性使激光应用于多 种加工过程成为可能。依赖激光的辐射强度，多种交互的机械将会出现。 材料因激光强度增加而产生的变化如图 2。 当激光照射在工件上时所发生的物理现象主要取决于能量强度、波长、辐射的偏振和材料的属性【 2】。 这些不同的强度可以被分类用于不同的加工任务【 2】： * 低强度，例如用于钢的马氏体的热处理；在低强度 下，材料仍然保持固体状态； * 更高强度， 用于热处理过程中重新融化表面； * 进一步增大的强度会导致材料的气化。足够的强度 也许会导致气化或是深度焊接效应； * 高强度，产生材料离子化和激光产生的等离子化。 作用在 (等离子屏蔽 )工件上的激光辐射会因吸收和 扩散效应而减少。 图 3 显示了作为激光的波长作用之一的吸收程度。金属曲线 1 表示的是那些内部电子是填充满的金属（金，银，铜）同时，曲线 2 表示的是过渡金属（铁，镍，铬）。 为了金属切削（激光切削）而设计的许多激光加工系统是基于特征脉冲时长在十亿分之一秒到百万分之一秒范围的钕：钇铝石榴石脉冲激光源。材料在激光脉冲作用下被切除，激光脉冲融化材料并加热它到气化温度【 3 14】。此外，气体通道形成同时屏 蔽层形成。 *联系作者 址： A. E. 0924 2004 保留所有权力 1816 A. et 55156 (2004) 18151820 这是因为表面 固体材料因为蒸发和等离子压力而喷出 同时部分材料在表面形成堆积。 在脉冲的末期表面骤失的热度使表面形成重铸的区域 (重铸层 )【 4】。另外一个受热影响在材料上可能含有微裂纹的区域同时会 发生因金属滴导致的破坏（图 4）。 2、模具制造中的激光切除 激光切除使工件上加工期望的几何形状成为可能，这样省去了很多的传统的放电加工（ 电极制造（图 5）。 A. et 55156 (2004) 18151820 1817 激光切割的一大优势是它加工难加工材料的能力，例如陶瓷、石墨和硬质合金。 激光技术的在这方面的能力也许可以用于做记号和微观结构的重铸。激光加工需要选择最佳的加工参数来工作，包括使用什么材料。 加工系统 这个案例中使用的机械加工工具是 一台 床，型号是 0E, 装备了一个钕：钇铝石榴石（ 光源（波长 1064 6】。 这台机器可以用于铣削和激光切割两者之一（图6）。机器的激光扫描头调节偏差镜，一个有触觉的测量照相机。照相机让工件在它们的零点位置上精确定位 。 触觉测量系统用于过 程的控制（图 7）。 机器的主要参数见表 1【 6】。 钕：钇铝石榴石（ 光源可以以两种方式运行。 取决于加工任务，可以选择持续波（ 是光电特性（ 种可用的模式。共鸣腔的设计原理见图 8。 1818 A. et 55156 (2004) 18151820 设计的结构和共振腔 的功能如下： * 后面的镜子反射全部的激光射线； * 光圈用于激光模式的变化； * 于实现连 续波或脉冲模式 (的操作； * 腔由内含有几何上促进反射的一个晶体棒（掺杂了 钕的钇铝石榴石）和一个氪弧灯的空间和保护套组 成； * 半反射输出镜 * 为了使激光减小分散的放大器 激光由共振腔产生通过半反射镜显示并为了减少分散而扩大。 两个 制检流计镜反射了通过 镜聚焦的激光，依照加 工工具程序扫描工件 表面。控制程序包含了编程好的移动轨迹和步进 Z 轴补偿，像图 9 所示那样一层一层切除工件。 加工参数 为了确定加工参数，一系列加工变量会为了过程的光学输出找到最合适的参数。例如，灯光电流（ 2030A ）， 频 率 （ 1050， 扫 描 速 度（ 100500mm/s）。像图 10 中的脉冲间隔可以通过频率和扫描速度获得。单独激光脉冲的交跌程度可以通过包含点直径的方程【 1】计算出来。 （ 1） 交跌比率， s 是扫描速度（ 频率， D 是激光点的直径（ m） 图 11 举出的离子说明了一个直径 40 m 激光点的交跌。 工件的完成表面本质上受为了扫描轮廓使用的扫描距离而产生的轨迹位移的影响。 A. et 55156 (2004) 18151820 1819 1820 A. et 55156 (2004) 18151820轨迹偏移交跌在 30到 50会得到优质的表面质量。 由 15 m 轨迹偏移影响的表面粗糙度如图 12 所示，它表示的是冷加工金属 图 12表明了完成表面的相对反复速率和扫描速度 , 图例说明了四种相应的流的强度。流强度的增加导致了完成表面变差。此外激光交跌不足，例如 10500mm/s，同样导致了完成表面变差。材料在光流、循环速率、扫描速度、脉冲长度和轨迹偏移作用下一层一层去除。图 13 说明了一种冷加工金属的材料去除。在全部四种流强度下，在频率是 18获得最大切除速率。 为了得到理想的精确度 , 在 4除速率的影响下，去除层的厚度定在 2 到 5 m 之间。另外大多数材料可以经受高强度的加工，例如陶瓷、石墨、碳化合和人造金刚石。 程序 我们需要外部的 据库包括用于确定切除量的立体描述语言（ 式的三维模型。 需要制造的部件轮廓被切片分层，同时加工程序也被设计出来。使用激光头仅仅可以满足小型易切材料的加工需求。然而它同样可能对可以用激光修整的材料用车削去除其大部分来加工出外型和内腔。 图 14 所示的两个例子说明了可以用激光加工的硬模的性质。这些例子给出了硬模的名称、模型尺寸、材料和加工时间。 3. 结论 激光加工是非常适合模具制造的新方法，特别是针对难加工材料，例如陶瓷、碳化物和硬质合金。结