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机器人激光熔覆局部强化汽车覆盖件拉深模的应用研究

模具在汽车零件制造中占有极其重要的地位。局部表面强化是保证模具使用寿命和提高产品稳定性的重要手段。覆盖件模具在汽车模具中占有相当部分。

在汽车覆盖件制造中,拉毛问题受到越来越多的关注。汽车覆盖件表面拉毛涉及的因素很多,大体可分为3个方面:①模具:包括模具材料,模具压料面、拉深筋、拉深凸、凹模圆角等工作面的表面粗糙度,模具关键成形参数的设计等;②板料:包括材料成形工艺性、板料厚度、表面微观形貌、纤维分布状态等;③模具零件与板料的接触界面状态:包括润滑条件、接触压力、摩擦状态,热传导特性等。

一般认为汽车覆盖件表面拉毛是由于板料与模具零件之间的摩擦状态恶化,二者在突出接触点的瞬间摩擦高温产生冷焊效果,形成积屑瘤,造成粘着磨损,使得在板料表面形成划痕,在模具零件表面产生磨损。造成这一现象的原因很多,模具零件方面的因素被认为是最主要的,有研究表明模具零件的工作表面材料硬度越高、与基体结合越牢固,抗拉毛效果越好。

激光熔覆利用激光束在金属基体上扫描形成熔池,通过惰性气体把合金粉末同步吹送到熔池,并快速凝固,形成的合金涂层与基体是冶金结合。在数控设备控制下,激光熔覆可以根据程序形成各种形状的涂层。机器人自由度高,柔性好,可以根据需要在模具型面上进行法向扫描,制备出更复杂的空间曲面熔覆层。以下基于某车型覆盖件拉深模,针对覆盖件易拉毛相应的模具型腔部位,运用机器人激光熔覆技术进行修复的应用研究。

1 试验材料与设备

模具本体材料为MoCr铸铁,材料成分见表1。激光熔覆合金粉为Co基合金粉XY-27F-X40、Fe40合金粉和镍铬稀土自溶合金粉GXN-65A。3种粉末材料粒度均为140~325目,成分见表1。

图1 激光熔覆系统

所用激光熔覆系统中,激光器为Laserline公司的LDF3000-60半导体激光器,熔覆头是Fraunhofer公司的Coax8_lang。光斑直径为ϕ1.5mm,运动系统是ABBIRB460045/2.05型机器人,如图1所示。

出光模式为连续,采用正离焦2mm进行扫描,以增大熔池面积、提高粉末利用率和熔覆效率。熔覆3种合金涂层时均采用功率650W,扫描速度30mm/s,送粉参数为0.6r/min。

2 熔覆策略

图2 熔覆策略

实施的熔覆策略如图2所示,激光熔覆工艺参数除已确定的功率、扫描速度、送粉参数、离焦量等以外,还需确定单道熔覆路径宽度W、高度H、搭接率ɑ、净增平均层厚h。先由试验探索并确定单道截面形貌参数:高度H、宽度W;再根据单道熔覆参数设计台阶试样,分别测量3种不同金属粉对应的熔覆层的净增厚度h;参数宽度W、搭接率ɑ和厚度h是熔覆路径编程的主要工艺依据。其中Fe40作为打底熔覆层,该合金粉标称硬度与模具基体材料相当,且成本较低可大量用于打底层。GXN-65A和XY-27F-X40合金粉分别用于强化部位的上、下部分,因为不同部位的硬度要求不同。

在原模具CAD三维模型的基础上,结合模具实际要求设计出坡口轮廓,以备机器人扫描路径编程之需。再根据不同部位的性能和熔覆工艺进行分区编程、熔覆。

2.1熔覆工艺参数

图3 单道激光熔覆路径
图4 单道激光熔覆路径截面

将设备参数设定为:功率650W,扫描速度30mm/s,送粉参数0.6r/min;按不同合金粉末,分别熔覆3条单道路径,如图3所示。用线切割将单道路径横向切割,镶嵌金相试样,抛光后用4%的硝酸酒精腐蚀,在体视显微镜下观察测量,其截面如图4所示,测得的数据如表2所示。

(a)台阶试样CAD模型
(b)台阶试样熔覆路径
(c)实际熔覆的台阶试样,图5 台阶熔覆试样

用获得的单道参数来熔覆台阶试样,设计的台阶试样CAD模型如图5(a)所示,根据CAD模型用专用机器人离线编程软件生成扫描路径。参照单道熔覆路径截面轮廓,搭接率均设为60%。考虑到熔覆层微观组织的外延生长特性,扫描路径在相邻两层之间方向偏转45°(见图5(b)),以减轻组织的各向异性,使组织更均匀。在熔覆模具型腔部位时,也采用同样路径,制备的实际台阶试样如图5(c)所示。每层厚度的测量数据见表3,并绘制相应的折线图(见图6),表3数据作为不同熔覆层厚的编程依据,也将作为在实际模具型腔部位上熔覆的编程依据。

图6 台阶熔覆试样的厚度

从图6及表3数据可看出,在相同工艺参数下(功率、扫描速度、送粉转速相同,同一层数),不同合金粉熔覆层厚度有明显差别:XY-27F-X40熔覆层厚度最小,GXN-65A最大,Fe40处于两者之间。引起这一差别的诱因很复杂,大致归纳如下:

(1)粉末粒度分布以及松装密度不同引起的实际送粉速率不同,造成单道以及多道搭接的熔覆层厚度不同。

(2)合金粉末成分不同,熔池的铺展程度就不同,引起合金粉末的实际捕捉率有所差异,造成熔覆层厚度的不同。

(3)单道路径截面形状、搭接率不同引起的熔覆层表面纹理状态不同,进一步影响熔池的铺展,进而影响熔覆层厚度。

(4)熔池铺展、粉末捕捉、表面纹理状态之间交互影响,造成最终熔覆层厚度的较大差异。

2.2CAD模型的建立

(a)汽车覆盖件拉深模
(b)汽车覆盖件拉深模CAD模型(标记A、B)
(c)熔覆区域放大
(d)提取的熔覆区域边界,图7 汽车覆盖件拉深模实物及CAD模型

汽车覆盖件拉深模实物如图7(a)所示,需熔覆强化部位在图中已指出。对应的模具CAD模型如图7(b)所示,其中A、B两处即为熔覆位置。根据图7(a)实际加工出的坡口形状,在CAD模型上修改为与实物一致的轮廓,以保证编程路径的精度,如图7(c)所示。在已修改的CAD模型上提取熔覆区域边界如图7(d)所示,以备机器人离线编程所需。

2.3 机器人熔覆策略

先用Fe40合金粉末熔覆打底层,编程数据参照表2和表3,搭接率为60%,连续熔覆3层,按每层厚度0.55mm编程,编程路径如图8所示。

图8 Fe40打底层熔覆路径
图9 分区域编程

在实际操作中按图8路径一次性熔覆整个区域存在的弊端是:由于曲率变化较大,熔覆过程中机器人姿态也频繁变换,造成熔覆头作业时产生震颤,从而影响熔覆精度,同时也不利于设备的保养维修。在熔覆XY-27F-X40和GXN-65A涂层时,分为3个区域编程,如图9所示。

(a)机加工前熔覆效果
(b)机加工后熔覆效果图10 最终熔覆效果

首先熔覆Ⅱ、Ⅲ区域,再熔覆Ⅰ区域。Ⅱ、Ⅲ区域熔覆2层,Ⅰ区域熔覆3层,路径编程参数依据表3,搭接率均为60%。最终熔覆效果如图10(a)所示,机加工后效果如图10(b)所示。机加工后,用便携式硬度仪进行测量,测得XY-27F-X40涂层硬度为63HRC,GXN-65A涂层硬度为42HRC。

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