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激光在制造业中的应用

2008-04-02 17:36
水墨黯月
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    激光在铣削、弯扳以及表面处理加工中正发挥新的作用。制造业中的工程师们在利用激光来加工更多种类的材料,并在生产中的更多我方面应用它。应用范围从样件与工具的快速成型,直至激光硬化处理模具以及接合和雕刻金属零件等。

    采用激光技术替代传统的表面处理方法,可以延长刀具寿命并提高刀具和零件性能。

    用激光光束往表面层掺入合金材料可以改变表面的化学成份及其特性。当前,激光表面处理主要应用于制造工具,特别是制造用于锻造和压力铸造的模具。借助理论上的热化学模型,工程师们已经开发了用于工具和零件的新的表面层。

    例如挤压模具在高温条件下,由于时间接触长,它们会产生较大的应变。而给某个工具掺入相和钒的碳化物后,使工具的表面改性,提高了它的硬度保持能力,提高了高温下的硬度和改善了耐磨损的能力。其它合金,包括那些含钨和钻的合金,也非常有用。一般来说,利用激光光束掺入合金的方法,可以使工具寿命比采用传统方法提高100%-500%,由于降低了占用工具及更换工具有关的成本,从而节省了费用。

    激光表面处理技术还可以增强产品零件的性能。Fraunhofer研究所的研究者们利用激光来硬化密封表面和滑动导轨,凸轮轴的激光表面重熔以及包覆内燃机的阀门和阀座。激光可以用于硬化、重熔化、掺杂合金和涂覆金属,为表面外层进行热化学的改性处理创造了很多机会。通过这种改性处理生产的工件,具备更高的承受各种应力的能力。激光光束可以聚焦、并精确定位,这一特点使激光技术适于局部化的表面处理加工。使用者可以有选择地处理易磨损的区域,同时还具有较高的复现性。

    利用激光技术,工程师们可以加工出最佳的表面外形结构(toPograhy),尤其是用于轴承和密封行业中的产品上。在这种相对较新的应用中,脉冲激光光束可以在经受摩擦应力的作用表面,产生规定的微型润滑孔隙。用这种方式产生的弹坑状结构主要是受激光光束达到工件表面上的几何形状以及强度分配的影响。

    大体上,任何带有接触表面的系统都会发生摩擦应变,例如浮动圈等,可以采用诸如高级陶瓷或金属等材料制成激光构成件。激光改性的功能表面主要是微细台阶组成的区域,带有重现性的、有规则的均匀微型润滑子L隙。用户可以让这些孔的直径、深度以及分布与加在零件上的负载相适应。例如对于陶瓷滑动环密封,尺寸恰当并分布恰当的凹凸点可大大降低摩擦及磨损。在此过程中的加工速度取决于激光的种类,一般为每秒1000个孔。

    工业上已经采用CO。以及NdzYAG大功率激光作为加工手段。但由于激光和激光系统很复杂、成本高,还涉及尺寸方面的问题,小型公司难以采用激光加工。也许这种情形不久会发生改观。

    最初,二极管激光器提供小于50W的输出功率。材料处理(钎焊、雕刻、表面硬化以及塑性或导热焊接)所需要的功率,显然远远高出该数值。大功率二极管激光器(HPDL),将高性能与紧凑的结构结合为一体。它们由大量的单个二极管组成,这些二极管层迭在一个鞋盒般大小的外壳里。功率累积值(最大为2.5kW)以及光束质量足以进行材料处理。Fraunhofer研究所用HPDL进行的测试表明,它可以硬化经回火的钢以及焊接钢板和铜板。

    一个HDPL能发射0.84μm—0.94μm波长的光,而C04)激光器在10.6μm的波长上操作,Nd:YAG激光器在1.064μm的波长上操作。由于波长较短,因此,从HDPL提供的能量与从其它激光器发出的光相比,其能量更易被目标所吸收。亚琛市Fraunhofer生产技术研究所的研究者们按照工业研究合同已经在机床、制造机械以及机器人上集成装入了三种不同的HDPL(功率范围高达2.5kW)进行工业研究。

    利用激光二极管进行焊接,可为用户提供较好的灵活性以及成本效益。对被接合零件的几何形状与尺寸没有限制,焊接速度高达1.0m/min。

    激光几乎可以焊接各种热塑件。这种工艺可以避免粘接问题,因为与工件不接触。此外,激光焊接还减少了塑料上的热负载,降低了可能出现的胀裂。许多用肉眼看来呈现出五颜六色的颜料,对近红外光而言是透明的(包括黑色),HPDL可以对带有这类颜色的塑料进行焊接。实验表明,用二极管激光器进行的焊接、其强度可以与采用较传统的塑料焊接技术所牛成的强度娘美。

    受控的金属堆积(CMB)工艺将激光沉积焊接与高速铣削结合为一体。通过激光沉积焊接工序。可以生成接近成品形状的金属材料堆积。由于金属粉木在高能量的激光光束中保持在—个规定的路径上,因此,系统可以一个路径接着一个路径地组构某个零件、直至达到所需要的轮廓为止。要生成一个空隙、仅需短时中断激光光束和粉末进给即可。

    该技术采用的是熔融金属。因而在工具表面出现堆积,在工具的拐角和边缘会形成圆边。

    为处理这种情况,Fraunhofer研究所(与一家德国机床厂合作)制作了一台机床,它将高速铣削与沉积加工结合为一体。通过铣削加工出一个平整表面,以确保材料沉积均匀,与边缘的尖锐度以及零件的形状和尺寸精度符合要求。所有的操作全部由—台机床完成,因此操作员可以安排好工艺步骤使机床自动运行。在铣削过程中,激光沉积焊接喷嘴自动地积出加工区,以免发生碰撞危险,并保护刀具和零件不受切屑影响。

    原则上,用户可以采用任何能焊接的金属进行CMB工艺,从钢、铜到硬合金材料。铜电极可以采用CMB工艺自动制作,而以前只用耐磨保护层材料能够用来制作整个零件。

    加工的沉积层只有十分之几mm厚。由于在生成每一层之后,随之进行的是轮廓铣削,因此,铣削刀具的突出长度小于2mm,接下来、可以采用直径小于1mm的铣刀进行加工。利用这些小型切削刀具,可以形成窄而深的沟槽、其拐角半径保持在喷射注塑模具许可的范围内。

    激光辅助的热态加工(LAM)是面向材料的,在经济上也可行的。激光加工与车削、铣削以及旋压成形法相结合、能优化难切削和难成形材料的加工。

    在激光辅助的热加上和旋压成形加工中,由激光系统在切削或成形操作中对材料进行局部加热。温度的上升会软化材料、使它较易加工并成形。研究者在钛、灰铸铁以及高强度钢上进行了激光铺助的铣削操作、发现铣削力下降了30%-70%(用高速钢)、刀具磨损下降了约90%。在某此情况卜、激光辅助加工可以大大提高铣削速度。

    在需要切削加工高级陶瓷时,采用热态加工方式可以使加工过程变得比较容易。氮化硅陶瓷、以前只能用几何形状不确定的切削刀进行加工,如今却可以用LAM工艺进行车削加工。利用现有技术和机床,用户已经可以车削加工材料为氮硅陶瓷的复杂形状零件,并获得高达Ra0.3μm的表面粗糙度。这些系统是在车床上装入一台3kWNd:YAG激光器、或是—台1.2kW的高功率二极管激光器集成而成。

    通过与相关行业进行通力合作、并得到德国政府基金支持,Fraunhofer研究所已经开发和制造了—台集:成有一套HPDL(高功率二极管激光器的精密车削机床样机。第一台具备完全的工业功能的机床会在1999年上市。

    在分割和旋压车削加工中,由一台集成在旋压车床上的激光器在成形操作中可有选择地加热半成品。该加热过程提高了温度和成形速度、降低了应变硬化。激光辅助旋压成形加工降低了所需要的成形力、从而导致较低的材料硬化程度。

    激光辅助旋压成形加工法、可以在—个装夹位置上,不采用退火工序的情况下,在对称的回转体零件上生成内、外齿、成形轮廓以及复杂的几何形状。它可以避免采用成本高昂的切削过程,节省了材料,并制作出重量轻、具有优良强度性能的功能部件。

    激光弯制工件过程,是一种新的具有多们性的工艺,无须采用任何成形工具。利用有产生反弹效应的非接触式激光加工工艺,可以完成许多成形任务,在包括金属板材的弯制过程中,零件中的温度变化梯度会产生机械应力,由此产生受控的塑性变形。激光弯制工艺,适于制作样件和进行小批量生产,目前,在Fraunhofer研究所正处于实验研究阶段。

    汽车行业对定制焊接坯件的需求正呈不断上升之势。为了更好地赢得竞争,销售商们需要一种成本效益较高的系统。激光坯件焊接系统的一般废品率处于3%-4%之间。利用激光器来切割坯件,可以提高焊接速度并保证完美的间隙配合。

    将一台边缘制备单元集成装入焊接生产线中,可以将典型的车身侧面焊接循环时间降低到32s,将门内装饰件焊接循环时间降低至14s。焊接一个车身侧面的估计成本为3美元,焊接一个门内装饰件的估计成本为2美元。另外还有一个好处是,这样一个系统在对装恶化具和焊接过程进行必要的修改之后,既可焊接钢质坯件,也可以焊接铝材坯件。

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