汽車覆蓋件關系到汽車美觀（顏值即有形價值）和安全（安全是第一位），是汽車組成中重要的一部分，包括車身、底盤、發動機蓋。其覆蓋件由沖壓模具多次沖壓而成，模具經過多次沖壓本身局部會有磨損，同時磨損后的模具也會刮傷鈑金件，為了使模具不變成“磨具”，需在其應力集中地方進行局部淬火強化處理。傳統的感應淬火和火焰淬火，因其人員依賴性較強、操作復雜、且模具曲面異形多變等特點導致淬火周期長、淬火質量低、開裂等常見問題，淬火后變形量大需二次精加工，無形中增加了模具的交付周期和加工成本，而激光淬火有其淬火硬度高、變形量小、能反復淬火等顯著優勢。

一、激光淬火原理

針對機械零部件表面硬度低、耐磨性、耐腐蝕性、抗疲勞性差等缺陷，使用激光表面淬火技術，金屬材料吸收激光能量溫度升高到相變點以上熔點以下，通過基體傳熱實現自冷淬火，在零部件表面有限深度內發生固態相變。由于激光溫度高加熱快，同時激光是高能聚合光，使得模具受熱后散熱也快，從而使得模具表面在 3s 內快速馬氏體化（見圖 1），晶粒小，不易變形達到淬火目的。

對于鋼鐵材料，材料表面吸收激光能量，表面溫度升高，通過熱擴散，在一定層深范圍內形成溫度梯度分布，溫度范圍介于AC1和AC3之間，珠光體Fe3C分 解，C擴散形成高碳奧氏體，奧氏體快速冷卻形成馬氏體，最終相變組織為馬氏體，殘余奧氏體，過飽和固溶體或金屬間化合物，組織結構細小，基體的表面硬度，耐磨性，耐疲勞性提高。

圖1 激光淬火金屬馬氏體化過程

二、自動化激光淬火工藝方案

1 激光淬火設備組成

激光淬火設備主要包括：激光器、機器人、移動工作臺等。目前光纖激光器應用較廣，激光器將電流通過模塊轉換成激光，再由光纖引到淬火頭上，淬火頭內置有用于光束整形的積分鏡，將激光整合成條形均勻激光光斑，從淬火頭射出；機器人、常用六軸機器人，可實現異形曲面和多角度加工；移動工作臺可擴大淬火區域。

2 自動化激光淬火流程

在使用上述設備進行淬火作業時，預先通過CAD/CAM軟件確定加工基準、編制加工路徑、生成加工程序，并將程序導入激光淬火設備的控制系統等處理，實現由控制系統按照程序控制設備進行自動淬火作業。

首先在模具型面圖紙上用CAD/CAM軟件找出3個定位CH孔，導出step格式文件，用Mastercam打開，在模具上根據3個CH孔測好坐標，輸入測好的坐標值到Mastercam中，為路徑線定好基準。用Mastercam的5軸路徑編程插件編制淬火路徑線，以上均為現有計算機輔助設計和輔助制造系統的常規應用，在實際應用中也可選擇其他的CAD/CAM系統而非局限于前面提及的幾種。

3. 激光淬火工藝的選擇

針對拉伸模R 凸角，為了易于拋光和消除拋光產生的凸棱，可根據不同大小的R 凸角來選擇相對應的淬火鏡頭（積分鏡）來進行淬火（見圖2）。一般經驗：半徑小于或等于10mm的R 凸角使用10mm的積分鏡；半徑大于R10mm、小于或等于R50mm 的R 凸角用20mm的積分鏡（其中10mm和20mm是指積分鏡整合出的矩形光斑的長度）。

圖2 激光淬R 角示意橫截面圖

1. 激光照射方向2.半徑小于或等于R50mm的R 凸角3.半徑大于R50mm的R 凸角

由于R 凸角大于20mm、小于等于50mm 時用20mm積分鏡整合出激光光斑不能覆蓋整個R 凸角，因此大的R 凸角可分開淬多道，即構建多條平行的路徑線，例如，R 小于20mm時一條路徑，20~40mm 2條，40~50mm 3條等等，兩兩路徑平行，邊緣相接，保證R凸角全部淬到。而大于50mm的R 凸角不需要淬火，所以拉伸模R 凸角的淬火程序分可歸納為兩套：10mm積分鏡程序和20mm積分鏡程序。

對于R 凸角和小圓孔存在的不規則情況，可通過曲線擬合的方式確定其R 取值和直徑取值，如圖3、圖4所示。

    圖3 優化前                                                                            圖4 優化后

通過合理的淬火路徑規劃和分組，有效解決了R凸角，特別是接口和小圓孔，這些相對較短的路徑線上進行淬火，避免激光器碰撞、光纖纏繞等問題，能夠實現全自動化淬R 凸角，圖5所示。

圖5 激光淬火效果圖

三、激光淬火與傳統方式對比

1 淬火質量對比

分別使用激光淬火、感應淬火、火焰淬火3種淬火方式，對淬火后鑄件硬度分布進行對比：

激光淬火：硬度較均勻，淬火質量較穩定，淬火表面較美觀，與R 角符型較好，利于后期研配，

感應淬火：硬度較均勻，淬火質量較穩定，淬火表面較美觀，受制于感應線圈，與R 角符型較差，R角周邊感應區域（熱影響區）較多，不利于后期研配。

火焰淬火：硬度不均勻，淬火質量較差（硬度忽高忽低），淬火表面質量較差，與R 角符型較好。

2 淬硬層對比

分別使用激光淬火、感應淬火兩種方式，對淬硬層進行切片分析：

激光淬火：淬硬層深度1.1mm左右；

感應淬火：淬硬層深度3.5mm左右。

 感應淬火的淬硬層深度明顯高于激光淬火，但也正是因為感應淬火淬硬層深的緣故，鑄件容易開裂造成質量問題。而火焰淬火，對操作工的技能依賴性較強，淬硬層深度不穩定。

3 淬火形變量對比

分別使用激光淬火、感應淬火兩種方式，對淬火變形量進行了對比。在激光淬火前后型面變形量的試驗中，共取檢測點177個，其中78%的變形量只有0~0.03mm，17%的變形量有0.03~0.05mm，5% 的變形量有0.05~0.075mm。激光淬火整體變形量較小，且表面較光潔美觀。

在感應淬火前后型面變形量的試驗中，共取檢測點186個，其中19.4%的變形量有0~0.03mm，38.7%的變形量有0.03~0.05mm，29.6% 的變形量有0.05~0.08mm，12.3%的變形量有0.08~0.1mm。感應淬火的變形量整體較激光淬火偏大，無法實現取消二次精加工的要求。

火焰淬火的變形量較大，一般在0.5~1mm左右，本次項目未做形變量試驗。

4 效率對比

火焰淬火馬氏體化時間長晶粒大，所以模具易變形，多次淬易產生裂紋，火焰淬火必須分時分開區域淬，這樣勢必造成效率的低下。

感應淬火是通過感應電極與金屬表面發生肌膚效應，產生這種肌膚效應必須使得電極與金屬表面間距始終在1~2mm，所以操作不便，不能淬到小拐角和小圓孔。

而激光淬火是聚合高能量光束，使金屬受熱冷卻3s 馬氏體化，晶粒不會長大，停留在下圖第三階段，所以不易變形，反復淬模具不會產生裂紋，這樣淬火可以不必分時間段、分區域，大大提高效率。且激光焦距一般有300mm，對小拐角和小圓孔也能很好的淬到。

以側圍單人操作為例，火焰淬火需分時分區淬，這樣不連續需要2天，感應淬火只能淬長線，升降起伏太大的小圓孔和小拐角則無能為力，激光淬火只需連續淬12h?；鹧婧透袘慊鸷笮鐲NC二次加工，淬火后再加工時間耗費長，刀具損耗大，而激光淬火則可以精加工后淬火，無需火后加工。

四、結束語

自動化激光淬火技術在提高淬火質量的前提的下，優化了模具加工流程（取消二次精加工），有效地降低了制造成本。以前門內板拉伸模為例：人工淬火后精加工，加工工時168h，刀片消耗8,537元，淬火前加工到位后激光淬火，加工工時135h，刀片消耗7,662元。每副模具可節約33h的加工工時和875元刀片消耗。按照每年360 副模具的產量，一年可節約成本125萬左右。同時，由于自動化技術的引入，提高了工作效率，減少了因人為失誤而造成的損失，為企業實現了降本增效。以側圍凸模為例，激光淬火完全淬完需要10h，感應淬火需要16h（且部分區域需要火焰補淬），效率提升40%左右。

目前已實現了全模具工序的激光淬火，不管是模座還是鑲塊，淬火的硬度、層深、光潔度、變形量等均滿足質量要求，同時淬火路徑美觀均勻，利于后續的研配。

久恒光電摘編自：《模具制造》2019年第12期

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