激光加工技術(shù)在模具制造中的應用與展望
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時(shí)間：2024-07-04 10:06
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1 激光加工技術(shù)在模具制造中的應用
1.1 國內外激光加工技術(shù)在模具制造中的發(fā)展 現狀
隨著(zhù)國內模具制造行業(yè)的發(fā)展，激光加工技術(shù)在該領(lǐng)域的應用也不斷得到推廣和應用。國內激光加工設備及其配套技術(shù)已逐步成熟，從傳統的激光切割、激光焊接等技術(shù)向激光鉆孔、激光熱成形、激光表面處理等多方向擴展，如表1所示。3D激光加工改進(jìn)了模具的加工技術(shù)，提供了更高的加工精度、更短的加工時(shí)間、多功能性、復雜的幾何形狀，改善了加工零件的表面質(zhì)量，降低了工裝成本和增強了設計的靈活性。激光加工技術(shù)在模具制造應用中，國內企業(yè)加強了對激光加工技術(shù)的研究和開(kāi)發(fā)，提高了激光加工的質(zhì)量和效率，以滿(mǎn)足市場(chǎng)需求。然而激光加工的高成本和技術(shù)仍是國內模具制造企業(yè)面臨的問(wèn)題。
在歐美發(fā)達地區，激光加工技術(shù)被廣泛應用于汽車(chē)零部件、航空航天等領(lǐng)域，并且已形成了完整的激光加工產(chǎn)業(yè)鏈。此外國外企業(yè)在激光加工技術(shù)的研究和開(kāi)發(fā)方面也處于領(lǐng)x地位，通過(guò)不斷創(chuàng )新和提高技術(shù)水平，推動(dòng)激光加工技術(shù)在模具制造領(lǐng)域的應用。由于國外激光加工技術(shù)發(fā)展較早，其成本相對較低，可以更加廣泛地應用于模具制造行業(yè)。
目前激光加工技術(shù)在國內模具加工中大多采用國外進(jìn)口設備，企業(yè)的投入比例較大，模具企業(yè)的設備需求是長(cháng)期穩定的，這意味著(zhù)對激光設備的發(fā)展也是契機。目前國內的模具生產(chǎn)工藝裝備水平普遍偏低，有較大的提升空間，模具加工覆蓋的行業(yè)廣泛，為汽車(chē)、儀器儀表、家用電器等行業(yè)提供零配件，在市場(chǎng)上模具加工占據了60%的份額，意味著(zhù)激光加工設備在模具行業(yè)有較大的潛力。
1.2 青島激光切割在模具制造中的應用案例分析
在塑料模制造過(guò)程中，需要對模具零部件進(jìn)行高精度的切割和加工。傳統的切割方法如銑削、電火花加工等存在局限性，而激光切割技術(shù)提供更為靈活和高x的解決方案。激光加工的優(yōu)點(diǎn)：①精度高，激光切割技術(shù)能夠實(shí)現較高的切割精度，滿(mǎn)足復雜模具零部件的精度要求，通過(guò)控制激光束的焦點(diǎn)和功率，可以實(shí)現微米級別的切割精度，避免傳統切割方法可能引起的誤差；②靈活性好，激光切割技術(shù)可以根據設計要求實(shí)現不同形狀和尺寸的切割，無(wú)需更換刀具或調整設備設置，在同一設備上可以處理多種不同的模具零部件，縮短了生產(chǎn)時(shí)間，節約了成本；③加工效率較高，激光切割速度快，可以實(shí)現高速切割，另外，激光切割不需要直接接觸工件表面，規避了磨損和損壞的風(fēng)險，延長(cháng)了刀具使用壽命。
1.3 激光焊接在模具零件修復與再制造中的作用
激光焊接機是用于j密模具零件的修補，如數碼產(chǎn)品、手機、玩具、汽車(chē)、摩托車(chē)等模具。通過(guò)模具零件的修補，可以利用原來(lái)的模具零件，節約了生產(chǎn)成本和提高了工作效率。激光焊接技術(shù)還可應用于修改模具零件的設計或尺寸，縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期。激光焊接機操作容易，能提高焊補的速度，并且修補效果以及精度都較好，在模具焊接領(lǐng)域應用廣泛。激光焊接的修補焊接熱影響區域小，不需要提前加熱，因此工作后被焊接工件也不會(huì )出現退火現象。激光焊接技術(shù)不僅可以用于模具零件磨損的修復，還可以對小且j密的區域實(shí)現j準焊接，修補后也不會(huì )出現變形或氣孔等現象。
激光堆焊修復是利用大功率單色光子流聚焦而成的激光束為熱源進(jìn)行焊接，這種焊接方法具有連續功率激光堆焊和脈沖功率激光堆焊的作用。激光堆焊優(yōu)點(diǎn)是不需要在真空中進(jìn)行，缺點(diǎn)是穿透力不如電子束焊接強。激光堆焊時(shí)能進(jìn)行j確的能量控制，可以實(shí)現j密器件的焊接，能應用于較多金屬，特別是能解決一些難焊金屬及異種金屬的焊接。
1.4 激光表面處理技術(shù)對模具零件性能的提升
激光表面處理技術(shù)能使低等級材料實(shí)現高性能表面改性，達到零件制造低成本與工作表面高性能的z優(yōu)組合，具有可觀(guān)的經(jīng)濟效益和社會(huì )效益。
激光束的能量可連續調整，且沒(méi)有慣性，配合數控系統，可以對形狀復雜的零件和其他常規方法難以處理的零件進(jìn)行局部硬化處理，也可以在零件的不同部位進(jìn)行不同的激光硬化處理。因為激光表面處理的上述優(yōu)點(diǎn)，特別適用于常規硬化處理（如滲碳和碳氮共滲淬火、氮化及高中頻感應加熱淬火等）難于實(shí)現的某些零件或其局部位置的表面強化處理，在模具制造中具有獨特優(yōu)勢，可實(shí)現用低檔模具鋼或鑄鐵替代高d模具鋼；用國產(chǎn)模具鋼替代進(jìn)口模具鋼；可對模具實(shí)行增強性修復（再制造工程），以降低模具制造成本。
在模具制造中應用激光表面硬化技術(shù)，可以集設計、材料選擇、制模、檢驗、修復等技術(shù)于一體，縮短設計制造周期，降低生產(chǎn)成本，變革模具制造方式，z終提升整個(gè)模具產(chǎn)業(yè)水平。這些優(yōu)點(diǎn)，無(wú)論在技術(shù)性還是在經(jīng)濟性及服務(wù)性上，都是現有傳統技術(shù)無(wú)法比擬的。
2 激光加工技術(shù)在模具制造中的挑戰與問(wèn)題
2.1 技術(shù)層面的挑戰
激光加工技術(shù)在模具制造中具有許多技術(shù)層面的挑戰。
（1）精度控制。激光加工技術(shù)在模具制造中需要實(shí)現高精度的加工，以滿(mǎn)足模具的精度要求。然而激光加工過(guò)程中存在一些因素，如加工熱影響、光束傳輸等，會(huì )影響加工精度。對于利用激光切割技術(shù)制造汽車(chē)模具，會(huì )由于激光加工過(guò)程中的光束傳輸問(wèn)題，導致切割的模具零件尺寸與設計要求存在偏差，需要對光束傳輸系統進(jìn)行整體優(yōu)化以及采用更高質(zhì)量的光束傳輸器件解決該問(wèn)題，但精度控制仍是重要的挑戰。
（2）材料適應性。激光加工技術(shù)需要適應各種材料的加工，包括金屬、陶瓷、塑料等。不同材料具有不同的光學(xué)和熱學(xué)特性，因此激光加工過(guò)程需要針對不同材料進(jìn)行參數優(yōu)化和工藝控制。對于利用激光焊接技術(shù)制造電子產(chǎn)品的模具，不同材料的焊接需要不同的激光功率和焊接速度，為了解決材料適應性問(wèn)題，需要進(jìn)行試驗研究，并優(yōu)化激光焊接參數，針對不同材料開(kāi)發(fā)不同的焊接工藝。解決材料的適應性，提高模具的焊接質(zhì)量和生產(chǎn)效率，也是重要的挑戰。
（3）表面質(zhì)量。在激光加工過(guò)程中，可能會(huì )產(chǎn)生一些表面缺陷，如燒蝕、氣孔等，這些缺陷會(huì )影響模具的使用壽命和加工質(zhì)量，因此如何控制和減少表面缺陷也是重要的挑戰。對于利用激光鉆孔技術(shù)制造航空發(fā)動(dòng)機的模具，在激光鉆孔過(guò)程中容易產(chǎn)生燒蝕和氣孔，導致模具零件表面質(zhì)量不符合要求，為提高表面質(zhì)量，需要優(yōu)化激光加工參數，采用更低的激光功率和更高的加工速度，以減少燒蝕和氣孔的產(chǎn)生，這對加工工藝提出了更高的要求。
2.2 經(jīng)濟成本與環(huán)境影響的考慮
在考慮經(jīng)濟成本和環(huán)境影響時(shí)，還需要考慮以下方面：①設備投資成本，激光加工設備投資成本高，特別是高功率激光設備，這會(huì )增加模具制造的起始成本；②能源消耗，激光加工過(guò)程需要消耗大量的電能來(lái)提供激光能量，高功率激光設備的能源消耗較高，會(huì )增加能源成本；③材料損耗，激光加工需要在模具制造過(guò)程中移除材料，會(huì )導致材料損耗，盡管激光加工比傳統的機械加工損耗較少，但仍需考慮材料的成本和資源利用效率；④廢料處理，激光加工會(huì )產(chǎn)生廢料，如切割或蒸發(fā)的材料殘留物，這些廢料需要進(jìn)行處理，增加廢料處理成本，并對環(huán)境造成影響；⑤排放物處理，激光加工過(guò)程中會(huì )產(chǎn)生煙塵、廢氣等排放物，需要采取相應的措施進(jìn)行處理和凈化，以符合環(huán)境保護要求，這增加環(huán)境保護的投資和運營(yíng)成本。
激光加工技術(shù)在模具制造中具有較大的潛力，但在考慮經(jīng)濟成本和環(huán)境影響時(shí)，仍需綜合考慮設備投資、能源消耗、材料損耗、廢料處理和排放物處理等因素，以確保激光加工的可持續發(fā)展。
2.3 操作人員的技能與安全問(wèn)題
激光加工技術(shù)在模具制造中，操作人員需要具備一定的技能和注意安全問(wèn)題。
（1）操作人員需要具備激光加工技術(shù)的專(zhuān)業(yè)知識和技能，了解激光加工的原理、設備的結構和操作方法以及相關(guān)的安全規范和操作流程，同時(shí)還需要掌握激光加工過(guò)程中的參數調節、加工程序設計和設備維護等技能。
（2）操作人員需要具備良好的操作技巧和協(xié)調能力，在激光加工過(guò)程中，操作人員需要j確控制激光束的位置和功率，進(jìn)行精細加工。
（3）操作人員需要具備對激光加工安全的認識和意識。激光加工過(guò)程中產(chǎn)生的高能激光束具有危險性，操作人員需要遵守相關(guān)的安全規范和操作流程，保證自身的安全。
2.4 當前行業(yè)標準與法規限制
激光加工技術(shù)在模具制造中的行業(yè)標準與法規的限制主要包括以下方面。
（1）激光輻射安全標準。激光加工技術(shù)涉及激光輻射，對操作人員和周?chē)h(huán)境的安全性有要求。國際上普遍采用的標準是IEC 60825，該標準規定了激光設備的分類(lèi)、標記、安全性要求等，以確保操作人員和環(huán)境的安全。
（2）材料選擇與處理標準。激光加工技術(shù)適用于多種材料的加工，但不同材料對激光的反射、吸收和傳導等特性存在差異。在模具制造中，需要根據具體材料的特性選擇合適的激光加工參數，并對材料進(jìn)行預處理，以確保加工質(zhì)量和效率。
（3）加工質(zhì)量標準。模具制造對加工質(zhì)量的要求較高，激光加工技術(shù)在模具制造中應用時(shí)，需要符合相關(guān)的加工質(zhì)量標準要求，包括尺寸精度、表面質(zhì)量、加工速度等方面，這些標準通常由行業(yè)組織或相關(guān)標準化機構制定，如ISO、ASTM等。
（4）知識產(chǎn)權保護法規。激光加工技術(shù)在模具制造中的應用涉及一些專(zhuān)利技術(shù)或商業(yè)機密，需要遵守相關(guān)的知識產(chǎn)權保護法規，確保不侵犯他人的專(zhuān)利權或商業(yè)機密，并保護自己的技術(shù)和創(chuàng )新成果。
激光加工技術(shù)在模具制造中的應用需要符合相關(guān)的行業(yè)標準和法規，以確保激光加工的安全性、加工質(zhì)量和知識產(chǎn)權的保護，不同國家和地區可能有不同的標準和法規，需要遵守當地的相關(guān)規定。
3 未來(lái)展望與發(fā)展趨勢
3.1 新型激光技術(shù)的研發(fā)動(dòng)態(tài)
隨著(zhù)激光技術(shù)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，涌現了許多新型激光技術(shù)。
（1）超快激光。超快激光具有短的脈沖寬度，以納秒、飛秒甚至亞飛秒為單位，在模具制造中，超快激光可用于j密的微細加工，如微孔加工、微細切割和微細焊接等。此外超快激光還可以用于表面改性，如納米結構形成和表面硬化等，提高模具零件的耐磨性和抗腐蝕性。
（2）高功率激光。高功率激光可以實(shí)現高能量密度的加工效果，在模具制造中具有廣泛的應用潛力，如高功率激光可用于深孔鉆削、大尺寸零件切割和焊接等工藝，提高加工效率和精度。此外高功率激光還可用于快速熱處理和模具零件表面改性，增強模具零件的硬度和耐磨性。
（3）光纖激光。光纖激光具有小體積、高光束質(zhì)量和穩定性好的特點(diǎn)，在模具制造中應用廣泛。光纖激光可用于模具零件的切割、焊接和打標等工藝，同時(shí)還可以靈活地加工復雜形狀和難加工的部位。光纖激光的應用還可以實(shí)現遠程加工和自動(dòng)化生產(chǎn)，提高生產(chǎn)效率和質(zhì)量。
上述新型激光技術(shù)的研發(fā)和應用，將進(jìn)一步推動(dòng)模具制造行業(yè)的發(fā)展，通過(guò)提高加工精度、降低生產(chǎn)成本和提高生產(chǎn)效率，新型激光技術(shù)將為模具制造企業(yè)帶來(lái)更多的機遇和競爭優(yōu)勢。
3.2 智能化與自動(dòng)化在激光加工中的應用前景
智能化和自動(dòng)化是當前工業(yè)制造的趨勢，對于激光加工技術(shù)的發(fā)展也具有重要意義，未來(lái)智能化和自動(dòng)化將在激光加工中發(fā)揮越來(lái)越重要的作用，具有廣闊的應用前景。在智能化方面，隨著(zhù)人工智能和機器學(xué)習等技術(shù)的不斷發(fā)展，激光加工過(guò)程中的數據采集、分析和處理將更加精細化和自動(dòng)化。通過(guò)對實(shí)時(shí)監測數據和歷史數據的分析，可以提高激光加工的效率和質(zhì)量，降低成本和風(fēng)險，如利用機器學(xué)習算法可以實(shí)現對激光加工參數的優(yōu)化和自動(dòng)調整，提高加工效率和精度。在自動(dòng)化方面，激光加工設備將越來(lái)越趨向于智能化和自動(dòng)化，通過(guò)引入自動(dòng)化系統、機器人和傳感器等裝置，可以實(shí)現激光加工過(guò)程的自動(dòng)化控制和智能化管理，這不僅可以提高激光加工過(guò)程的穩定性和一致性，減少人為干預的錯誤和偏差，還可以實(shí)現全流程的自動(dòng)化控制和管理，進(jìn)一步提高生產(chǎn)效率和質(zhì)量。未來(lái)隨著(zhù)人工智能、機器學(xué)習、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的不斷發(fā)展和應用，智能化和自動(dòng)化將為激光加工帶來(lái)更多的機遇和挑戰，推動(dòng)激光加工技術(shù)的發(fā)展。
3.3 綠色制造與可持續發(fā)展理念在激光加工中的 體現
激光加工近幾年備受追捧，某些領(lǐng)域替代了傳統的加工工藝，其中清潔環(huán)保是關(guān)鍵的因素，激光清洗讓模具加工過(guò)程更加環(huán)保，其利用高能激光束與工件表面上要去除的物質(zhì)相互作用，讓附著(zhù)物發(fā)生瞬間蒸發(fā)或剝離達到清洗工件的目的，這種加工技術(shù)無(wú)需化學(xué)清洗劑，綠色無(wú) 污染。激光切割技術(shù)的普及，在一定程度上彌補了傳統加工工藝（等離子切割、火焰切割等）高污染、高耗材的缺點(diǎn)。同時(shí)，隨著(zhù)高功率、高亮度激光技術(shù)的突破以及切割工藝的不斷進(jìn)步，激光切割產(chǎn)生的粉塵也會(huì )減少?？傮w而言，綠色制造與可持續發(fā)展理念在激光加工中的體現如下。
（1）節能減排。激光加工相對于傳統的機械加工方式更加節能高x。激光加工過(guò)程中，通過(guò)激光束直接作用于材料，無(wú)需大量能量推動(dòng)刀具等機械部件，減少了能源消耗，此外激光加工還能實(shí)現j確控制和小尺寸加工，減少了材料的浪費，降低了廢品產(chǎn)生和處理的成本。
（2）無(wú)廢料生產(chǎn)。激光加工是非接觸式的加工方式，不需要接觸工件，不會(huì )對工件造成物理上的損傷或磨損，與傳統加工方式相比，激光加工沒(méi)有廢料產(chǎn)生和碎屑的問(wèn)題，實(shí)現了無(wú)廢料生產(chǎn)。
（3）精細加工和優(yōu)化設計。激光加工具有高精度、高靈活性的特點(diǎn)，能夠實(shí)現復雜形狀的加工和微小尺寸的加工，在產(chǎn)品設計和制造過(guò)程中可以更加注重優(yōu)化設計，減少材料的使用量和浪費，實(shí)現資源的有效利用。
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