光纤激光单道抛光模具钢的工艺参数研究

秦继鹏，刘俨后，车科，麻娟，刘健

(1.山东省精密制造与特种加工重点实验室，山东淄博 255000；2.山东理工大学机械工程学院，山东淄博 255000)

0 前言

表面抛光是模具制造的最后环节，现阶段主要以手工抛光为主，但效率低、劳动强度大、产品质量缺乏一致性和稳定性，并且抛光费用有时占到加工成本的25%。因此，需要开发新的抛光工艺。

激光抛光是使用激光辐射熔化材料层，通过材料自身的表面张力将熔化的材料均匀地分布在表面上，最终得到理想的抛光材料表面。激光抛光被认为是一种极具发展潜力的抛光方法，其加工速度快、灵活性好，不仅能实现平面区域的加工，还能实现三维空间与不规则曲面以及微小区域选区抛光，而不影响其他的区域。在合适的参数下，加工后的表面应力很小，无需后处理，仅仅会影响工件表面，而对工件内部没有影响。激光抛光不接触加工表面，减少了夹具设计的负担；其加工方式灵活，激光头可以安装在任何一种数控平台上，不依赖于专用设备，进一步压缩了抛光的成本。黄加福等探究了在使用激光抛光的过程中各主要工艺参数如功率、扫描速度的影响。周浩等人采用波长为1 064 nm的光纤连续激光器抛光S136-D模具钢，通过合理控制激光参数，抛光后的表面粗糙度最终可达到0.94 μm，改善率高达88.2%。MAI和LIM研究了激光抛光不锈钢，发现抛光后，不锈钢表面粗糙度下降了60%且表面的裂纹得到了有效控制。CHOW等研究了不同离焦量对激光抛光效果的影响，得出通过改变离焦量可以改变激光作用在材料表面的能量密度的结论。

本文作者采用波长为1 080 nm的光纤激光器对9CrWMn模具钢进行单道抛光试验。研究激光功率、扫描速度、离焦量对激光单道扫描抛光后工件表面产生的单道扫描宽度的影响，并分析试验现象。

1 激光抛光金属的作用机制

金属材料激光切割是去除表面而激光抛光则是移动的激光光束辐照金属材料表面，使表面材料重熔然后快速凝固。在此过程中，重熔的表面凸起会由于表面张力的影响而重新分布，激光光束离开熔融区域后，固液界面随着激光光束移动，从而使表面平复。RAMOS-GREZ和BOURELL认为，根据表面重熔深度的不同，激光抛光机制可进一步分为表面浅熔(SSM)机制和表面过熔(SOM)机制。

SSM机制如图1所示，当激光束聚焦在金属表面上时，它在材料表面作用较短时间或较小能量，金属材料表面上的高峰部分则达到熔点温度，开始熔化。其作用类似于“削峰填谷”，在不平整的待加工表面上，熔融的为表面高凸的部分，而低凹的部分则在金属熔融物的重力作用下得到填平，最终得到趋于光滑的金属表面。

图1 SSM作用机制

SOM机制如图2所示，在激光抛光中，选择低速扫描或使用的能量密度ED过大，金属材料表面的熔融将持续较长时间。此时，熔融层将不会只在材料浅层，而会向深处发散，这将导致材料的加工表面形貌和力性能变差。在激光光斑照射内的金属表面材料全都进入熔融状态随后蒸发，激光光斑扫描时会因熔池和凝固区之间的温度差而产生质量流动现象，且熔池的表面张力随着温度的升高而减小，会产生将熔融液体从激光光斑的中心向凝固区推动的力，而熔池曲面和重力阻碍了液体的流动，从而在表面形成空间频率较低的微小波动，所以作用在熔池表面的力的持续时间大于熔池本身的凝固时间，其表面粗糙度因此增加。

图2 SOM作用机制

2 试验设备及方法

2.1 试验材料及设备

选取9CrWMn模具钢作为研究对象，其成分如表1所示，试验前将工件磨平，并使用砂纸进行进一步打磨。相对于陶瓷材料和玻璃，金属的热导率较高、熔点较低，当激光光束辐照金属表面时，除了会造成熔融区域外，还会形成热影响区，同时也会使残余热应力增大。

表1 9CrWMn模具钢成分

采用波长为1 080 nm的光纤连续激光器，产生的激光谐振腔发出的基模辐射场横截面的振幅分布遵守高斯函数，如图3所示。

图3 高斯激光束

采用的试验装置以及抛光原理如图4所示。激光头部自带保护气体喷嘴防止氧化，保护气体为氮气。在常压下，氮气在很高的温度下才会分解，试验中使样品表面熔化的温度相比使氮气发生化学反应的温度低，因此样品表面的熔融过程几乎不受氮气的影响。

图4 试验装置及原理简图

2.2 影响激光抛光的工艺参数

总体来说，功率、离焦量和扫描速度是影响激光抛光效果的3个主要因素。合理地选择3个参数，是获得良好表面的关键。离焦量是指激光焦点位置与样品表面的距离，如图5所示。当焦点在样品表面时，离焦量为0；当焦点在样品表面以上时，离焦量为正；当焦点在样品表面以下时，离焦量为负。试验中使用的激光为高斯激光，离焦量与光斑直径之间的关系如公式(1)(2)所示：

图5 不同离焦量z作用在工件表面

(1)

(2)

其中：为光斑直径；为离焦量，为瑞利长度；为激光波长。

连续激光光束与表面的作用时间和扫描速度有关，平均能量密度由公式(3)确定：

(3)

其中：为激光功率；为光斑直径；为激光光斑在样品表面停留的时间，在连续激光中，=；为光斑面积，在高斯激光中，=π4；为扫描速度。

2.3 抛光工艺参数选取

在激光抛光中，过低的扫描速度会使抛光时间大幅度延长。对于单道抛光，单次抛光虽然可以在几秒内完成，但进行面抛光时，其累积的加工用时将大大增加，也将耗费大量的氮气，不利于试验的经济性。而过高的速度也会降低激光的平均能量密度。因此，经过前期预试验和查阅文献，选定扫描速度为2.5～4.5 m/min。

激光功率选取过小，工件表面不会出现明显的单道抛光痕迹，选取功率过大又会造成表面过熔，因此选择最低功率为50 W、最高功率为130 W。针对激光抛光，能量密度随离焦量增加而减小，则选择离焦量为-2～2 mm。

正交试验设计是研究多因素多水平的又一种设计方法，它是根据正交性从全面试验中挑选部分有代表性的点进行试验，这些有代表性的点具备“均匀分散，齐整可比”的特点。对3种工艺参数进行正交试验设计，如表2所示，共进行25次试验。

表2 正交试验

3 试验现象与分析

按表2进行试验后，使用无水乙醇擦拭如图6所示的工件表面，随后使用金相显微镜测量并记录激光单道抛光后的宽度，结果如表3所示。

表3 激光单道抛光宽度

图6 激光单道抛光后工件样貌

25组抛光宽度如图7所示。可以看出：在扫描速度相同的试验中，单次激光抛光的宽度随着功率的提高、离焦量从负到正的改变呈现出相同的变化趋势，即宽度由窄变宽。

图7 单道抛光宽度

在25次试验中，单次抛光的最小间距出现在切割速度、功率以及离焦量均最小的试验1中，为76.4 μm；最大间距出现在扫描速度最小、功率最大、离焦量最大的试验5中，为372 μm。试验1与试验5同属于扫描速度最小(2.5 m/min)的一批。

如图8所示，在试验1中，虽然经过抛光区域表面呈现出平整、光洁的状态，但是单道抛光间距与未处理表面的分界不明显，这是因为功率过小，抛光力度弱。其抛光的作用机制为SSM机制。如图9所示，在试验5中，由于功率较高且离焦量较大，工件表面单道抛光的宽度明显增加，且表面形貌发生了变化，波纹状熔池均匀地散布在整个加工面内，且与未处理表面有了明显的分界。其抛光的作用机制为SOM机制。

图8 试验1表面金相图

图9 试验5表面金相图

通过观察剩余试验，发现如试验2，在低速、低功率、负离焦量的单道抛光情况下，抛光机制为SSM，材料表面的大部分区域得到抛光去除，但是还有部分表面材料存在均匀分布的未去除残余部分，如图10所示。

图10 试验2表面金相图

如试验9，在低速、高功率、正离焦量的单道抛光情况下，材料表面出现过熔(SOM)现象，如图11所示。这是因为激光光束作用在材料表面时间较长或能量密度过大，导致材料表面熔融范围过大，而熔池的冷却速度非常快，所以作用在熔池表面的力的持续时间大于熔池本身的凝固时间，以至于熔融材料还未停止振荡就已经凝固，生成新的不平整表面，出现过熔现象。这种情况大多是由于功率过大引发的。在试验中，大功率、低速度时，容易出现这种现象。为减少过熔现象的发生，应尽可能避免较低速度、过大功率以及大离焦量的情况。

图11 试验9表面金相图

如试验22，在高速、低功率、负离焦量的单道抛光情况下，抛光机制为SSM，材料表面基本得到抛光且更加平整，如图12所示，虽然进行一次单道抛光并没有将表面全部抛光去除，但是相比试验2，实验22试件表面的未去除残余部分明显减少，可见适当提高抛光速度与功率可提高抛光后的表面平整程度。

图12 试验22表面金相图

4 结论

本文作者阐述了在激光抛光过程中，金属材料表面被去除时，根据表面重熔深度的不同所划分的表面浅熔(SSM)和表面过熔(SOM)2种机制，以及功率、扫描速度、离焦量对激光抛光的影响。通过试验得到不同抛光机制下的工件表面。结果表明：在模具钢的单道抛光过程中，使用大功率(130 W)、较低扫描速度以及正离焦量的工艺组合虽然可使单道抛光的区域宽度明显提高，但是会出现表面过熔现象，其表面平整程度比在高速、低功率(70 W)、负离焦量的情况下得到的差；在负离焦量的情况下，提高抛光速度、适当降低功率可提高抛光后的表面平整程度。