隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和社會需求的多樣化抠忘，產(chǎn)品的競爭越來越激烈，更新?lián)Q代的周期也越來越短。為此鲜伶，要求不但能根據(jù)市場的要求盡快設(shè)計出新產(chǎn)品，而且能在盡可能短的時間內(nèi)制造出原型钧饥，從而進(jìn)行性能測試和修改惨侍，最終形成定型產(chǎn)品。而在傳統(tǒng)制造系統(tǒng)中嫩誉，需要大量的模具設(shè)計箱充、制造和調(diào)試等工作，成本高尚憔，周期長镰吆，已不能適應(yīng)日新月異的市場變化。為了提高研發(fā)和生產(chǎn)速度跑慕，快速而精確地制作出高質(zhì)量万皿、低成本的模具和產(chǎn)品，能對市場變化做出敏捷響應(yīng)核行，人們作了大量的研究和探索工作相寇。隨著工業(yè)激光器價格的不斷下降和工業(yè)激光加工技術(shù)的日益成熟，給模具制造和產(chǎn)品生產(chǎn)工藝帶來了重大變革。本文首先介紹了工業(yè)加工激光器唤衫，然后在模具激光制造婆赠、模具表面激光強(qiáng)化和替代、模具激光修復(fù)佳励、模具激光清洗等幾個方面進(jìn)行了介紹和分析休里。

　　工業(yè)加工激光器

　　目前，用于激光加工的工業(yè)激光器主要有兩大類：固體激光器和氣體激光器赃承。其中妙黍，固體激光器以Nd:YAG激光器為代表；而氣體激光器則以CO2激光器為代表瞧剖。隨著激光技術(shù)的發(fā)展酷雌，目前人們也開始在某些加工應(yīng)用場合使用大功率光纖激光器和大功率半導(dǎo)體激光器。

　　1) Nd:YAG激光器

　　Nd:YAG激光器的激光工作物質(zhì)為固態(tài)的Nd:YAG棒名娶，其激光波長為1.06μm游禽。由于該種激光器的激光轉(zhuǎn)換效率較低，同時受到Y(jié)AG棒體積和導(dǎo)熱率的限制健娄，其激光輸出平均功率不高植坝。但由于Nd:YAG激光器可以通過Q開關(guān)壓縮激光輸出的脈沖寬度，在以脈沖方式工作時可獲得很高的峰值功率（108W）翁焦，適用于需要高峰值功率的激光加工應(yīng)用郑煌；其另一大優(yōu)點(diǎn)是可以通過光纖傳輸，避免了復(fù)雜傳輸光路的設(shè)計制作茎倘，在三維加工中非常有用钾趁。此外，還可以通過三倍頻技術(shù)將激光波長轉(zhuǎn)換為355nm（紫外）租江，在激光立體造形技術(shù)中得到應(yīng)用胳瑟。

　　2) CO2激光器

　　CO2激光器的激光工作物質(zhì)為CO2混合氣體，其主要應(yīng)用的激光波長為10.6μm砂豌。由于該種激光器的激光轉(zhuǎn)換效率較高厢岂，同時激光器工作產(chǎn)生的熱量可以通過對流或擴(kuò)散迅速傳遞到激光增益區(qū)之外，其激光輸出平均功率可以做到很高的水平（萬瓦以上）阳距，滿足大功率激光加工的要求塔粒。

　　國內(nèi)外用于激光加工的大功率CO2激光器，主要是橫流筐摘、軸流激光器卒茬。①橫流激光器：橫流激光器的光束質(zhì)量不太好，為多模輸出咖熟，主要用于熱處理和焊接圃酵。我國目前已能生產(chǎn)各種大功率橫流CO2激光器系列柳畔，可滿足了國內(nèi)激光熱處理和焊接的需求。②軸流激光器：軸流激光器的光束質(zhì)量較好郭赐，為基男胶或準(zhǔn)基模輸出，主要用于激光切割和焊接捌锭，我國激光切割設(shè)備市場主要由國外軸流激光器所占領(lǐng)俘陷。盡管國內(nèi)激光器廠商在國外軸流激光器上做了許多工作，但由于主要配件還需進(jìn)口秋降，產(chǎn)品價格難以大幅度下降颁膊，普及率低。

　　武漢博萊科技發(fā)展有限公司研制了一種旋流CO2激光器别逐，以新型的旋轉(zhuǎn)氣體流動方式撒殷，使旋流CO2激光器同時具有了軸流CO2激光器光束質(zhì)量好和橫流CO2激光器造價低、體積小的優(yōu)點(diǎn)敢智。該種工業(yè)加工激光器的推廣應(yīng)用杏县，將對我國激光加工產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和普及起到積極的促進(jìn)作用。

　　模具激光制造

　　1) 激光間接成模工藝

　〔撕小①立體光造形(Stereo Lithography Apparatus蹦争，簡稱SLA)工藝是利用紫外激光束逐層掃描光固化膠的方法形成三維實體工件的汪请。1986年美國3D Systems公司推出了商品化樣機(jī)SLA-1酪捏。SLA工藝的最高加工精度能達(dá)到0.05mm。②薄層疊片制造(Laminated Object Manufacturing贸左，簡稱LOM)工藝采用薄片材料层锄，如紙、塑料薄膜等矿卑，由美國Helisys公司于1986年研制成功喉恋。通過反復(fù)CO2激光器切割和材料粘貼，得到分層制造的實體工件母廷。LOM工藝的特點(diǎn)是適合制造大型工件轻黑，其精度達(dá)到0.1mm。③選擇性激光燒結(jié)(Selective Laser Sintering琴昆，簡稱SLS)工藝是利用粉末狀材料成形的氓鄙，由美國德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的于1989年研制成功，通過用高強(qiáng)度的CO2激光器逐層有選擇地掃描燒結(jié)材料粉末而形成三維工件业舍，SLS工藝最大的優(yōu)點(diǎn)在于選材較為廣泛抖拦。

　　上述三種激光快速成形技術(shù)由于發(fā)展時間長，技術(shù)相對比較成熟舷暮，在國內(nèi)外都得到了較為廣泛的應(yīng)用态罪。但上述方法形成的三維工件都不能直接作為模具使用，需要進(jìn)行后續(xù)的處理，所以稱之為激光間接成模工藝复颈。主要的處理方法有：①快速成形工件處理后用作模具绩聘。LOM制作的紙模經(jīng)表面處理直接代替砂型鑄造木模；或者用LOM制作的紙模具經(jīng)表面處理直接用作低熔點(diǎn)合金鑄模隆文、注塑模美卒；或失蠟鑄造中蠟?zāi)５某尚文！LS制作的工件經(jīng)滲銅后韧践，作為金屬模具使用轿战。②用快速成形件作母模澆注硅橡膠、環(huán)氧樹脂随象、聚氨脂等材料制作軟模具载蜓。③用快速成形件翻制硬模具。一種是直接用LOM制作紙基模具聪蔬，經(jīng)表面金屬電弧噴鍍和拋光后研成金屬模肄绢；另一種是金屬面硬背襯模具。上述硬模具可用于砂型鑄造无价、消失模的壓型制作详毡、注塑模以及簡易非鋼質(zhì)拉伸模。

　　用上述激光間接成模工藝制作模具琳柱，既避開了復(fù)雜的機(jī)械切削加工耻陕，又可以保證模具的精度，還可以大大縮短制模時間刨沦、節(jié)省制模費(fèi)用诗宣，對于形狀復(fù)雜的精度模具，其優(yōu)點(diǎn)尤為突出想诅。但是召庞，目前還存在著模具壽命相對較短的缺點(diǎn)，所以上述激光間接成形模具較適合于小批量生產(chǎn)来破。

　　2) 激光直接成模工藝

　　選擇性激光熔化(Selective Laser Melting篮灼，簡稱SLM)技術(shù)是在選擇性激光燒結(jié)(SLS)技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。SLM的特點(diǎn)為：(1)使用高功率密度徘禁，小光斑的激光束加工金屬诅诱，使得金屬零件具有0.1毫米的尺寸精度；(2)熔化金屬制造出來的零件具有冶金結(jié)合的實體晌坤，相對密度幾乎能達(dá)到100％逢艘，大大改善了金屬零件的性能；(3)由于激光光斑直徑很小骤菠，因此能以較低的功率熔化高熔點(diǎn)的金屬它改，使得用單一成分的金屬粉末來制造零件成為可能物轮。德國EOS GmbH公司利用選擇性激光熔化(SLM)工藝制造的全金屬零件。

　　激光多層（或稱三維/立體）熔覆直接快速成形技術(shù)是在快速原型技術(shù)的基礎(chǔ)上結(jié)合同步送料激光熔覆技術(shù)所發(fā)展起來的一項高新制造技術(shù)引苇，其實質(zhì)是計算機(jī)控制下的三維激光熔覆怖征。由于激光熔覆的快速凝固特征，所制造出的金屬零件具有均勻細(xì)密的枝晶組織和優(yōu)良的質(zhì)量牌鹊，其密度和性能與常規(guī)金屬零件相當(dāng)视以。激光多層熔覆發(fā)展出了多種方法，其中最具代表性的是美國Sandia國家實驗室（Sandia National Laboratories）研發(fā)的稱作激光工程化凈成形技術(shù)(Laser Engineered Net Shaping己倾，簡稱LENS)的金屬件快速成形技術(shù)购哺。采用該方法已成功制造了不銹鋼，馬氏體時效鋼蔫迅，鎳基高溫合金人狞，工具鋼，鈦合金具藐，磁性材料以及鎳鋁金屬間化合物工件欢礼，零件致密度達(dá)到近乎100%。美國Sandia國家實驗室以LENS技術(shù)制造的金屬模具庞溜。

　　選擇性激光熔化(SLM)技術(shù)和激光工程化凈成形(LENS)技術(shù)由于成形件致密性好革半，且具有冶金結(jié)合組織及精度高，制成的模具壽命長的特點(diǎn)流码，已得到了工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的普遍重視又官，在國外已推出了多種設(shè)備樣機(jī)，有的甚至開始商品化了旅掂；而國內(nèi)目前的研究和應(yīng)用還處于起步階段赏胚。

　　另外访娶，還有一種基于激光精細(xì)切割的金屬零件分層制造技術(shù)（LOM）商虐，具有可快速、低成本制造大型崖疤、復(fù)雜形狀的模具的特點(diǎn)秘车。日本中川威雄研究室早在80年代就應(yīng)用金屬薄板LOM技術(shù)實現(xiàn)了金屬模具的分層快速制造。經(jīng)過發(fā)展劫哼，金屬薄板LOM技術(shù)已逐漸應(yīng)用于諸如汽車等大型內(nèi)外飾件模具及具有復(fù)雜流道注塑模的制造叮趴。

　　模具表面激光改性

　　模具表面處理一直是機(jī)械加工領(lǐng)域中所重視的問題。隨著新技術(shù)新工藝的發(fā)展权烧，有許多傳統(tǒng)的處理方式已不太適用丰躺。對形狀復(fù)雜的模具，最理想的表面處理方式是用激光進(jìn)行励邓，它幾乎不變形肄琉，表面硬度比常規(guī)處理方式的硬度高丧爸，并且更耐磨，使用壽命更長洋训。

　　1) 激光相變硬化

　　激光相變硬化又稱激光淬火带超。由于激光淬火時冷卻速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過常規(guī)淬火冷卻速度，從而可以獲得極細(xì)的馬氏體組織妙散。激光相變硬化的優(yōu)點(diǎn)為硬度較常規(guī)淬火高昨宋、變形小、可實現(xiàn)表面薄層和局部淬火诅慧，不影響基材的機(jī)械性能等紧除。

　　2) 激光沖擊強(qiáng)化

　　激光沖擊強(qiáng)化是高功率密度、短脈沖的激光束與物質(zhì)相互作用產(chǎn)生的強(qiáng)沖擊波來改變材料表面物理及機(jī)械性能的技術(shù)班聂。在激光沖擊過程中缔直，由于激光誘導(dǎo)產(chǎn)生的沖擊波峰值應(yīng)力大于材料的動態(tài)屈服應(yīng)力，從而使材料產(chǎn)生密集博其、均勻以及穩(wěn)定的位錯結(jié)構(gòu)套才，使金屬表面發(fā)生塑性變形，并形成較深殘余壓應(yīng)力慕淡，從而提高金屬零件的強(qiáng)度背伴、耐磨性、耐腐蝕性和疲勞壽命峰髓。其主要優(yōu)點(diǎn)為：沖擊壓力高傻寂，強(qiáng)化深度達(dá)到傳統(tǒng)的噴丸強(qiáng)化深度4～8倍；能夠加工傳統(tǒng)工藝不能處理的部位携兵，如小槽疾掰、小孔以及輪廓線之類；激光沖擊強(qiáng)化后的金屬表面不產(chǎn)生畸變和機(jī)械損傷徐紧，無熱應(yīng)力損傷静檬，不會引起相變等。

　　3) 激光合金化和激光熔覆

　　激光合金化和激光熔覆是將一層與模具基體成分不同而具有一定性能的材料涂覆在模具基體并级，同時用高能激光束照射涂覆區(qū)域拂檩。激光合金化通過調(diào)節(jié)激光輸出功率使涂覆材料與部分基體一起熔化并發(fā)生合金化過程；而激光熔覆是涂覆層在激光作用下與基體表面通過融合迅速結(jié)合再一起迈窗，它與激光合金化的主要區(qū)別在于經(jīng)激光作用后涂層的化學(xué)成分基本不變化夭蒜，基體的成分基本上不進(jìn)入涂層內(nèi)』笸祝基于快速凝固新材料合成與制備的激光表面合金化及激光熔覆表面改性新技術(shù)值舌，是提高模具材料在高溫下耐磨耐蝕等高溫性能的最有效方法之一。

　　模具激光修復(fù)

　　模具的失效事實上均因其表層局部材料磨損等原因而報廢示荠，而且金屬模具的加工周期長漓蜗、加工費(fèi)用高浆酝。模具使用壽命取決于抗磨損和抗機(jī)械損傷能力，一旦磨損過度或機(jī)械損傷提钟，須經(jīng)修復(fù)才能恢復(fù)使用和爽。目前常采用的維修技術(shù)有電鍍、堆焊和熱噴涂等锻转。電鍍層較薄儡簿，而且與基體結(jié)合差，形狀損壞部位難于修復(fù)稽羔；在堆焊侍瑟、噴涂時，熱量注入大丙猬，模具熱影響區(qū)大涨颜。而應(yīng)用激光進(jìn)行模具維修，由于激光束的高能量密度所產(chǎn)生的近似絕熱的快速加熱茧球，對基體的熱影響較小庭瑰，引起的畸變可以忽略。模具的激光修復(fù)可采用的方法主要有兩種：

　　1) 激光熔覆模具修復(fù)

　　利用激光熔覆的方法實現(xiàn)對模具的修復(fù)抢埋。用高功率CO2激光束以恒定功率與金屬粉流同時入射到模具表面上弹灭，金屬熔化產(chǎn)生熔池，然后快速凝固形成冶金結(jié)合的覆層揪垄。此方法一般采用大功率CO2激光器作為熱源穷吮，適用于體積較大、磨損面積較大的模具修復(fù)饥努，以及象鋼鐵軋輥一類的大型工件的修復(fù)捡鱼。

　　2) 激光沉積焊接模具修復(fù)

　　激光沉積焊接模具修復(fù)采用中小功率脈沖Nd:YAG激光器，模具的缺陷用激光束和絲狀填充材料來填補(bǔ)酷愧。激光束使焊絲和工件的表面同時熔化逛径，所需沉積物的高度是通過多層焊接的方法來達(dá)到的；焊接完畢邦霸，模具部件再加工成最終尺寸丹蛀。此方法適用于體積較小的精密模具根爆。Rofin-Sinar公司制造的StarWeld焊接機(jī)是比較具有代表性的此類設(shè)備幕封。

　　模具激光清洗

　　應(yīng)用高能激光脈沖去除模具在使用過程中產(chǎn)生的表面污物是激光技術(shù)在模具行業(yè)中的又一用途。其清洗機(jī)理有兩個：一是直接利用激光加熱污物英鸵，使之氣化揮發(fā)铁磕、或瞬間受熱膨脹并被蒸汽帶離模具基體表面；還有就是在高能量密度酿边、高頻率的脈沖激光作用下剖宪，污物層內(nèi)產(chǎn)生分裂應(yīng)力竟恩，而與模具基體脫離。與傳統(tǒng)的噴沙清洗方法相比雨晃，激光清洗具有清洗速度快伸坑、不損傷模具表面、在線清洗(可節(jié)約大量拆卸躺刷、安裝念脯、調(diào)試時間)的優(yōu)點(diǎn)。目前弯淘，德國JET激光系統(tǒng)公司生產(chǎn)的激光清洗設(shè)備相對較為先進(jìn)绿店。

　　結(jié)束語

　　激光的高亮度、高方向性和高單色性使激光束經(jīng)透鏡聚焦后庐橙，能在焦點(diǎn)附近產(chǎn)生數(shù)千度乃至上萬度的高溫假勿，這就使其能加工幾乎所有的材料。激光加工在國外各個制造領(lǐng)域和行業(yè)已得到了廣泛的應(yīng)用态鳖；而國內(nèi)也一直在激光加工設(shè)備和激光加工工藝兩個方面投入大量的人力物力進(jìn)行研究和發(fā)展转培。模具是工業(yè)產(chǎn)品成型的重要工業(yè)裝備之一，在很大程度上決定企業(yè)在市場競爭中的應(yīng)變能力浆竭，模具成型已成為現(xiàn)代工業(yè)產(chǎn)品重要的手段和工藝發(fā)展方向堡距。激光加工應(yīng)用于模具制造和在某些場合取代模具(如激光切割取代鈑金件中的沖切模具、激光打標(biāo)取代沖模打標(biāo))方面具有很大優(yōu)勢兆蕉。如何在實際生產(chǎn)中應(yīng)用激光加工技術(shù)來縮短模具制造周期（T）羽戒、保證模具制造質(zhì)量（Q）和降低模具制造成本（C），需要進(jìn)行不斷的深入研究和探索虎韵。

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