激光表面处理工艺在车身覆盖件模具中的应用

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在正常冲压作业环境下，车身覆盖件模具的主要失效形式是：模具表面粘结形成积瘤，划伤冲压件表面，频繁打磨丧失型面精度。在汽车的使用过程中，车身锈蚀先从拉毛划痕开始，尤其对一些骨架件或加强板件而言，划痕处的应力集中是导致破裂的主要原因之一。为了提高覆盖件质量，维修钳工不得不研磨模具表面除去积瘤，并且需抛光产品表面划痕。而频繁抛光打磨，既破坏了最初的模具形面，又降低了生产效率，最终导致冲压件精度降低，模具过早失效。
拉延工序件产生拉毛的主要因素
车身覆盖件质量主要取决于拉延工序质量，拉延工序件缺陷形式主要有起皱、破裂、棱线滑移、吸颈和拉毛等。前四种可以在冲压工艺方案确定阶段及模具精调阶段改善或优化，最后一种缺陷伴随着模具应用的全过程，只要是冲压件都存在不同程度的表面拉毛缺陷。更有甚者，拉毛转化成犁沟，深约为材料厚度的1/3。无论如何，仅靠钳工抛光模具表面，不能解决拉毛缺陷。一般抛光一次仅维持冲压40～50件，又产生拉毛。本文探讨对象是拉毛缺陷产生机理、危害及其改善途径。
" X. f+ |+ @3 B% N模具作用于钢板表面够成一对摩擦副，摩擦副之间的硬质颗粒也会造成拉延工序件产生拉毛缺陷，同时损伤模具表面。这些颗粒来自钢板表面、脏污的模具表面及工作环境等。这种缺陷，只能依靠清洁环境、清洗板料和模具表面才能改善或消除。外来硬质颗粒不在本文分析范围。
4 n5 M# r# c* a2 s$ L6 @1. 拉延模表面粘结瘤的生成
2 g1 j( y- O& I  _) Z4 o% p$ F8 X车身覆盖件拉延时板坯滑过模具表面，在力和摩擦作用下，模具表面和金属板料表面的吸附层和油膜被破坏，刚开始是表面的高点油膜先失去，吸附层破坏，产生原子级接触而出现冷焊现象。模具表面和板料表面的金属离子相互吸附、扩散，由于板料轧制和模具铸造或加工等产生晶粒缺陷，两种洁净表面金属离子吸附力大于有缺陷的原子键或正常原子键，板料晶粒被剥离、粘结在模具表面上，随着拉延继续深入，板料连续滑过模具表面，这些先粘附高点更易挤压破坏板料表面油膜而吸附、扩散和剥离板料表面，发生再次粘结。多次拉延，造成粘结点增生形成“积瘤”。
9 m9 A6 L! |) v2 u( j0 c“积瘤”的每层金属晶粒都经过了晶粒破碎和位错变化，金属塑性变形抗力增大，其硬度和强度显著升高，塑性和韧性下降，即产生加工硬化现象。“积瘤”具有比板坯材料更高的硬度，可达到板料硬度的2～3.5倍。拉延不断进行，长高的积瘤像一把铲刀，铲去滑过积瘤处的板料金属，产生划伤鳞刺和犁沟损伤。如图1所示，积瘤使冲压件表面产生的拉毛划伤。

图1 重卡保险杠端头严重拉毛缺陷卡车前保险杠拉延工序如图2示所，板料厚1.2mm，模具材料为低合金铸铁，模具凸、凹模分界线随产品结构分型。因产品结构深，材料流动阻力大，无论怎样补充压边面，修边时拉毛部位不能全部修净。产品拉延轮廓外表面轻者划伤，重者出现犁沟和鳞刺现象；这时，仔细观察模具表面，有粘结斑痕，抛光模具表面，再拉延几乎无改善。造成上述现象的原因是，产品拉延深，拉延流动阻力较大；拉延时摩擦发热，模具和板料间咬合、粘结在模具表面而产生积瘤。模具尚未淬火表面硬度为基体硬度，一般为HB200～280，与板料的硬度很接近，极易产生粘结现象，模具硬度越低粘结趋势增大，而且为双向互粘结，即此时模具表面和板料表面剥离几率相等。经过不同热处理，模具表面硬度提高，增强了模具表面抗粘结能力。

3 m; f* Y0 L" M& d* v图2 卡车保险杠拉延工序件综上所述，凡是硬度相差小的同类金属，两种界面晶粒之间很容易发生原子扩散，形成金属键而产生粘结剥离。
2. 覆盖件拉延表面拉毛的主要危害
; i$ m- E9 y6 i（1）拉毛增大拉延阻力。冲压作业时，拉延件表面拉毛增加了压边面进料阻力，要么频繁调整设备压力以维持最佳压力条件稳定产品质量，要么产品棱线及危险段面产生吸颈和破裂的概率增加数倍。
（2）拉毛刻痕易产生应力集中。覆盖件表面拉毛易产生应力集中，导致覆盖件首先从划伤处出现裂纹，致使车身早期损坏。
（3）拉毛刻痕易产生涂饰缺陷。拉毛刻痕在涂饰时，易出现细微排气不畅，导致漆膜与金属面间有气隙，因震动或碰撞，气隙处漆膜破裂而进气、进水，生锈由此先生。
6 }, S4 j/ B  ?（4）增加人工修件工时。车身覆盖件因产品结构特点，许多产品表面拉毛必然留在产品上。手工抛光打磨，会产生工时浪费。如保险杠制品周边拉毛修复，每人每天8h作业，仅可修复约50件。
（5）大型压机台时浪费。冲压作业每拉延40～50件，需停机抛光模具表面，每抛一次约10～15min。
: L$ V" f# o6 `车身覆盖件模具的表面激光处理
) ?4 `- w6 E! I* t3 ?2 f激光表面淬火工艺，是解决保险杠拉延模粘结积瘤缺陷的有效途径之一。与常规火焰淬火相比，激光处理能进一步提高模具表面硬度，增强表面抗粘结能力。
. s4 M% ?1 c% ~# _$ T6 }0 w激光表面强化技术目前主要的应用方式有两种：一是模具表面激光淬火硬化，二是模具表面局部损伤部位的激光熔焊修复。该技术适用于绝大部分汽车拉延模具，既适用于新制模具，又适用于在役模具。模具材料包括各类灰铸铁、铬钼合金铸铁及空冷钢，对于反复补焊过或火焰淬火模具亦有显著改善效果。
9 v& X6 V- V4 v  B" f9 d. r' w1. 激光处理原理
激光相变硬化是以高能量（104～105Ｗ/cm2）的光束快速扫描工件，使被照射的金属表面以极快速度升到高于相变点而低于熔化温度（升温速度可达105～106℃/s）。当激光束离开被照射部位时，由于热传导的作用，处于冷态的基体使其迅速冷却而进行自冷淬火，（冷却速度可达105℃/s），进而实现工件的表面相变硬化。这一过程是在快速加热和快速冷却下完成的，所以得到超细晶粒度的硬化层组织，显微组织为极细的板条马氏体和孪晶马氏体，硬度明显高于常规热处理硬度。
图3所示为CrMo铸铁经激光强化处理后的硬度分布情况。由图可见，激光表面处理硬度可达HV800以上，表面硬度值比常规热处理工艺可提高20%以上，耐磨性提高5～10倍。拉延作用时，摩擦副硬度差增大，表面抗吸附、粘接能力显著增强。

图3 CrMo铸铁经激光强化处理后的硬度分布2. 激光相变硬化组织
图4所示为CrMo铸铁经激光相变硬化处理后的金相组织。由图可见，CrMo铸铁强化组织由两层组成，第一层（a图下边缘约20mm区域）为不易侵蚀的白亮层，它具有比原来高得多的显微硬度，用超声波硬度计检测为59～63HRC。第二层为过渡层，它是高显微硬度层到原始组织的过渡区。
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图4 激光处理层金相组织显微照片激光相变硬化后的显微组织明显细化，为极细的位错马氏体和孪晶马氏体组织，板条马氏体位错密度极高，且含有较多的残余奥氏体。随着晶粒细化，晶界数目增多，疲劳裂纹扩展受到阻碍，同时晶粒细化，碳化物弥散分布，使得在交变应力下不均匀滑移程度减小，推迟了疲劳裂纹核心的产生；而位于马氏体板条间的残余奥氏体是一种韧性相，当扩展中的裂纹遇到韧性相时，扩展受阻，延迟了裂纹的形核及扩展速率；而且激光相变硬化表面可产生数百兆帕的残余压应力，提高了材料疲劳强度。因此，激光相变硬化可有效解决模具的磨损失效和疲劳失效以及局部塑性变形等问题，延长模具使用寿命。
模具激光表面强化优点，不仅在于能改善模具工作面的性能，还可以保持基体材料性能不变。更重要的是其硬化层硬度均匀、层深；强化部位机械性能参数可以较准确地控制，对于一些传统工艺难以处理部位，也比较容易实现。
3. 激光处理模具使用情况
) U% ?6 b% R* @0 i0 T& G  K保险杠模具经过激光处理，表面硬度58～62HRC，厚度0.5～1.2mm，已累计冲压29000件。2009年6月，最多一个批次排产1 300件，这期间无需人工抛光模具，冲压件表面无拉毛缺陷。图5所示为保险杠凹模，图6所示为已冲压近3万件的保险杠拉延表面效果。
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图5 激光处理保险杠凹模该种车型以每年8 000台计算，抛修频率平均50件一次，每次10min，停机抛修模具工时为26.7h，大型压机综合台时费为1 200元，年节约设备台时费32 000元，无需抛光制品，节约的人工修件费尚未计算。
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图6 激光处理后保险杠上表面冲压效果模具表面处理工艺取得了十分显著的效果，紧接着我们又分期、分批处理了卡车侧外板、门内板模具，商用车侧围、前围及背门外板模具。
! w  H  m. o7 j& s& ^3 u4 [激光处理工艺也可运用到已经调试定型，尚未做任何表面处理的模具。诸如，引进的德国宝马新五系轿车侧围外板、门内板、后行李箱盖和发罩外板等模具。德国模具拥有一个特点，交付使用模具表面未作任何热处理即投入小批量生产。大型覆盖件拉延模表面火焰淬火，温度场效应大，易产生型面局部隆起变形，轿车模具不宜采用。在中国沈阳，宝马公司德方专家首次采用激光表面处理工艺，一贯小心谨慎的德国专家先在轿车后侧围内板做激光处理试验，试验参数经过调整优化，表面硬度均达到德国标准。经激光处理后硬度由HRC20左右提高到HRC55以上。目前，宝马轿车模具已正常使用两年以上，拉延件表面未见异常。
激光处理模具的维护和保养
车身覆盖件拉延模激光处理后，在正常的润滑条件下经过数千次冲压，凡处理过的表面（如凹模口R、拉延筋）会产生镜面效果。这主要是表面抵抗粘接能力增强，板料表面几乎不可能粘接在模具表面，越用越亮。而未处理前，表面易产生粘结，无论怎样抛光模具表面并强化润滑几乎不可改善。
* r0 f& L3 r5 g; Z3 }2 Z( s/ X& ~与任何设备及模具工装一样，再先进的处理工艺也不可能一劳永逸，表面激光处理模具也需要精心维护、悉心保养，适时地研磨抛光技巧，正确地维护保养方法。优良的冲压作业环境，能延长模具寿命、稳定冲压件质量。
; w2 U% G' t3 U) K& ~! C+ G7 p' D7 A" W模具材质的差异，其所作用的制品材质和厚度不同，所要求的激光硬化层厚度也不同。钢板厚度为1.5mm以下，材质为ST12-ST16，拉延模材料宜用低合金铸铁或球墨铸铁，表面处理厚度一般为0.5～0.7mm，表面硬度为58～62HRC。
1. 模具表面清洁
每冲压1500～2500件，用专用的清洗液冲洗模具工作表面，除净油污、铁屑和砂粒等异物，用压缩空气吹干。
2. 抛光模具表面
( `+ @+ I& H8 Z+ B; ?$ k5 l激光处理表面经过1500～2500次拉延作业，表面会发现轻微粘结点，产品表面有细划痕，作业完成后，用超细油石（800～1200目）轻推这些有手感的粘结点，直到手感光滑不发涩为止，油石抛光时最好沿走料方向反复推，切忌用粗油石或砂砖、砂轮抛打，否则会破坏周围正常的光洁表面。
这些细小的粘结点或粘结线，实质不是上述真正意义的冷焊粘结现象，铸件精加工后有细微的凹坑，坑的边缘像一把刀刃，材料在模具曲面变形区受挤压挤入凹坑，流动时微孔口边缘铲下一层，再冲压再铲一层，直至填满微孔，凸出微孔口缘，状如积瘤，大到一定程度被板料带走，因此这些小凸点不会有过大的，所产生的划伤约为0.02～0.04mm。
( A; J3 a3 m4 n9 q, P3. 钢板表面清洁
从钢板开卷下料到冲压作业现场，要优化物流环境，每天擦洗地板，防止灰尘污染；板料使用的器具、托盘等定期清洗；存放板料垛用专用防尘罩覆盖、遮蔽，转运料垛用塑膜包封。
4. 冲压润滑
, {) |: n2 S9 k) k, d+ w6 j7 P适当润滑是必要的，尤其是人工送取件冲压线，冲压润滑取决于冲压件结构、材质、压机速度及板料清洁程度。自动冲压线用板料经过冲洗涂油则另当别论。
硬质颗粒一旦划伤模具，再好的润滑油膜也不能阻挡拉毛。模具表面激光处理能减轻润滑频次，同等润滑条件，产品表面无需抛光。
' u2 ~9 F/ L' {$ ?4 _汽车覆盖件冲压作业是整车制造四大工艺之一，是车身制造中的首要环节，冲压件质量水平奠定了车身质量的基础。车身覆盖件冷冲模表面激光处理，能有效提高模具表面硬度、细化晶粒，从而提高表面抗咬合、抗粘结能力。激光处理不仅可降低模具维修频次，减轻劳动强度，延长模具寿命，而且能显著提高冲压件质量。
) ]* v; r, p% R, Z文章关键词： 激光 表面处理工 模具