"금형 산업" 2001. 4위 합계 242 40
금형 제조에 레이저 가공 기술 적용
장쑤성 과학 기술 대학(장쑤성 진강) 212013) Zhang Ying, Zhou Jianzhong 및 Dai Yachun
[Abstract] 레이저 가공 기술이 점점 성숙해지고 산업용 고출력 레이저 장비의 가격이 점차 하락함에 따라 제품 및 금형의 제조 공정이 새로운 변화를 달성하기 위해 레이저 최적화 금형 제조 프로세스를 금형 제조, 금형 표면 강화 및 유지 관리, 금형 교체의 세 가지 측면에서 자세히 분석하고 논의했습니다.
키워드 금형 레이저 공정 최적화
[ Abstract ]레이저 가공 기술의 발전과 가격 하락으로 인해
산업의 대형 파워 레이저 장비는 그 기술을 바탕으로 제조 업체에 새로운 혁신을 가져왔습니다.
제품, 금형 및 금형은
제조, 표면 관리 및 유지 관리, 대체의 세 가지 측면에서 이루어집니다. 다양한 금형.
주요 단어 금형 및 금형, 레이저, 기술 프로세스 최적화
1 소개
치열한 시장 경쟁 제조 기업이 시장에 빠르게 대응할 수 있도록 합니다.
p>수요, 최초 제조 성공 등의 요구 사항이 점점 더 시급해지고 있습니다. 기존의 제조 시스템에서는 제품 생산에 필요한 다수의 금형을 설계, 제작, 조립, 디버깅하는 데 많은 비용이 소요될 뿐만 아니라, 더 심각하게는 생산 시간이 연장됩니다.
준비 제품 생산 시간이 길어져 신제품 개발 주기가 길어지고
제조 과정에서 병목 현상이 발생합니다. 따라서 어떻게 하면 고품질, 저비용의 금형과 제품을 빠르고 효율적으로 생산할 수 있는가가 사람들이 끊임없이 탐구하는 주제가 되었습니다. 레이저 가공 기술이 점점 성숙해지고 산업용 고출력 레이저 장비의 가격이 하락함에 따라 제품 및 금형 제조 공정에도 큰 변화가 일어나고 있습니다. 이 기사에서는 금형 제조, 금형 표면 강화 및 수리, 금형 교체의 세 가지 측면에서 금형 제조에 레이저 가공을 적용하는 방법을 설명합니다.
2 금형 제조
2.1 금형의 레이저 중첩 제조
1982년 일본 도쿄 대학의 Nakagawa 교수 등이
p>도면 금형 제작에 사용되는 박판 중첩법은 1985년 미국 캘리포니아의 한 회사가 레이저 중첩 금형 제조법을 출시해 특허를 취득한 것이다. 1. 원리는 레이저로 절단된 얇은 판을 여러 겹 겹쳐 놓고
그 모양을 점진적으로 변화시켜 최종적으로 필요한 3차원 기하학적 모양의 금형을 얻는 것입니다.
피><피> 일본은 스탬핑 다이의 레이저 중첩 제조에서 실용적인 단계에 도달했습니다. 생산된 볼록 및 오목 다이는 고품질이며 가공 치수 정확도가 높습니다.
— — — — — — — — — — — — — —
접수일자: 2000년 8월 10일
±0.01mm에 도달했고, 절단두께는 12mm입니다. 레이저 절단 후 절단면에 깊이 0.1~0.2mm, 경도 800HV의 경화층이 형성되며, 1mm 두께의 강판을 펀칭하는 데 사용됩니다. 10,000개 레이저 컷팅 후 화염소화하면 30,000~50,000개 스탬프 가능. 박판끼리의 연결이 간단하기 때문에
겹침 방식으로 금형을 제작하면 원가가 절반으로 줄어들고 생산주기도 대폭 단축될 수 있다.
복합 다이, 블랭킹 다이, 프로그레시브 다이 제조에 사용될 때 상당한 경제적 이점을 얻었습니다.
그림 1 레이저 중첩 금형 제조 공정 흐름
금형 CAD와 레이저 절단이 결합되어 완전한 금형 CAD/CAM 시스템을 형성합니다
판금 가공 실현 절단 FMS는 다양한 품종의 소량 생산에 적합합니다. 레이저로 절단된 얇은 판을 사용하여
임의의 3차원 표면을 합성하는 제조 시스템은 플라스틱 가공 및 금형 분야에서 FMS 구현에 대한 아이디어를 제공할 뿐만 아니라
내부용으로도 사용 가능
>
구멍, 메조 기공, 복잡한 냉각 파이프 등 내부 구조가 복잡한 금형 제작
또한 금형을 빠르고 경제적으로 제작하는 효과적인 방법입니다.
그리고 고체상 확산과 같은 다른 기술의 개발을 촉진할 수 있습니다.
2.2 신속한 금형 제작
금형 CAD
3차원 디자인
2차원 형상
NC 프로그램
레이저
절단
제거
단계
상처 수준
마무리
성형
금형
조립
조립
시트
링크
p>
마무리
NC 프로그램
금형 제조 기술 "금형 산업" 2001. 4위 합계 242 41
RPM(Rapid Prototyping Manufacturing Technology)은 1980년대 후반에 등장한 제조 기술로, 현재 RPM 기술은 12가지 이상의 공정 방법을 개발했습니다. RPM 기술을 기반으로 금형을 빠르게 제작하는 방법은 대부분 간접성형 방식, 즉 RPM 프로토타입을 이용하여 간접적으로 금형을 제작하는 방식이 대부분이다.
(1) 연질 단순 금형(예: 자동차 패널 금형) 생산
실리콘 고무, 저융점 합금 등을 사용하여 프로토타입을 금형에 정확하게 복사하거나
금속 분사 또는 물리적 증발 증착을 사용하여
프로토타입 표면을 코팅합니다. 주형을 만들기 위한 극도로 낮은 융점의 재료 합금 층. 이러한 단순 금형의 수명은 50~5,000개입니다. 제조 비용이 저렴하고 생산 주기가 짧기 때문에 특히 제품의 시험 생산 단계에서 소량 생산에 적합합니다.
생산.
(2) 강철 금형 생산.
RPM 프로토타입 — — — 3차원 연삭 휠
— — — 일체형 흑연 전극 — — — 중간 크기의 비교적 복잡한 전극인 강철 금형은 일반적으로 4~8시간 내에 완성될 수 있습니다. 미국 Ford Motor Company
이 기술을 사용하여 자동차 패널 금형을 제조하는 것은 만족스러운 결과를 얻었습니다.
전통적인 기계 금형 가공에 비해 신속한 금형 제조는 신속한 금형 제조가 필요하지 않습니다. 금형 제조
시간이 많이 걸리고 비용이 많이 드는 CNC 가공이 제거되고 가공 비용과 주기가 크게 줄어들며
적용 가능성이 넓습니다.
3 금형 표면 강화 및 수리
금형의 수명을 늘리려면 금형 표면을 강화해야 하는 경우가 많습니다
. 일반적으로 사용되는 금형 표면 강화 처리 공정에는 화학적 처리(예: 침탄, 탄질화 등), 표면 복합 처리(예: 오버레이 용접, 용사, 전기 도금 등) 스파크 표면 강화, PVD 및 CVD 등이 포함됩니다. 표면처리 강화처리(숏피닝 등) 이러한 방법의 대부분은 공정이 복잡하고 가공 주기가 길며 가공 후 큰 변형이 발생합니다. 레이저 기술은 금형을 강화하고 수리하는 데 사용됩니다. 유연성이 뛰어나고 표면 경도가 높으며 공정주기가 짧고 작업 환경이 깨끗하다는 장점이 있어 생명력이 강합니다.
3.1 레이저 상변화 경화
레이저 상변화 경화(레이저 담금질)는 레이저를 조사하여 금속 표면을 매우 높게 만드는 것입니다. 가열 속도는 상 변태 온도(그러나 용융 온도보다 낮음)에 도달하여 오스테나이트를 형성합니다. 레이저 빔이 떠날 때
열전도를 이용하여 자발적인 오스테나이트가 발생합니다. 금속 표면 자체를 담금질하면 금속 표면의 마르텐사이트 변태가 발생하여 경도와 내마모성이 높은 표면층이 형성되어 금속 표면이 강화됩니다. 사용된 장비는 3축 CNC 레이저 가공기입니다.
레이저 강도에 영향을 미치는 주요 요인은 레이저 출력, 스폿 크기
스캐닝 속도입니다. 강화 공정 중에 이러한 매개변수를 최적화해야 하며
특정 재료에 적합한 레이저 가공 매개변수를 선택해야 합니다. 일반적인 금형 재료의 경우
CrWMn, Cr12MoV, Cr12, T10A 및 Cr-Mo 주철 등은 레이저 처리 후 구조적 특성이 상대적으로 정상입니다.
일반 열처리는 일반적으로 개선되었습니다. 예를 들어, CrWMn 강을 기존 방식으로 가열하면 오스테나이트 결정립계에 네트워크 2차 탄화물이 쉽게 형성되어 가공물의 취성이 크게 증가하고 금형 절삭날이나 키의 수명이 낮아집니다. 부분품. 레이저 담금질 후 미세한 마르텐사이트 및 분산된 탄화물 입자를 얻을 수 있고, 네트워크를 제거할 수 있으며, 최대 경화층 깊이와 최대 경도 1 017.2HV를 얻을 수 있습니다. 가벼운 담금질 후 Cr12MoV 강의 경도, 소성 변형 저항성 및 접착 마모 저항성은 기존 열처리에 비해 향상되었습니다.
T8A강 펀치와 Cr12Mo강 다이의 경우 레이저 경화 깊이가 0.12mm, 경도가 1200HV로 수명이 20,000개에서 100,000개로 4~6배 증가합니다. 140,000.
T10 강철의 경우 레이저 담금질 후 경도 1024HV 및 깊이 0.55mm의 경화층을 얻을 수 있으며, Cr12의 경우 레이저 담금질 후 경도 1000HV 및 깊이 0을 얻을 수 있습니다. /p>
서비스 수명이 크게 향상되었습니다.
3.2 레이저 코팅
레이저 코팅은 레이저를 사용하여 특정 특성을 지닌 코팅 재료의 얇은 층으로 기판 표면을 덮는 것입니다.
이러한 재료는 금속이나 합금, 비금속, 화합물 및 그 혼합물일 수 있습니다.
코팅 과정에서 코팅층은 레이저의 작용으로 융합을 통해 기판 표면과 빠르게 결합됩니다. 레이저 합금과 레이저 합금의 주요 차이점은 레이저 작용 후에도 코팅의 화학적 조성이 기본적으로 변하지 않고 매트릭스의 구성 요소가 기본적으로 코팅에 들어 가지 않는다는 것입니다. 레이저 코팅 기술에는 저탄소강, 합금강, 주철, 니켈-크롬-티타늄 내열합금 등 다양한 실용소재가 연구되고 있습니다. 연구 추가되는 소재로는 코발트계 합금, 철 등이 있습니다. 기반 합금 및 니켈 기반 합금.
파우더 피더가 있는 2kW CO2 레이저의 레이저 기술을 사용하여
4Cr5MoV1Si 강철 기판의 표면은 니켈 기반 고온 합금 층으로 코팅됩니다.
WC + W2C 입자로 구성된 고온 내마모 합금 분말
레이저 출력 P = 1500W에서 분말 공급량은 10g/min, 공작물 이동 속도는 2 Under ~3mm/s의 조건에서 다중 패스 중첩 대면적 고온 내마모 합금이 얻어졌습니다. 시험온도가 600℃일 때 경도는 550~580HV0.2이고, 온도가 950℃일 때 경도는 100~200HV0.2이다. 약 1000℃의 고온에서도 코팅층은 여전히 높은 인성을 가지며 이상적인 고온 금형 내마모 합금임을 알 수 있습니다
. 또한 마모된 펀치 다이와 드로잉 다이를 수리하기 위해 레이저 코팅 방법을 사용하면 금형의 수명을 크게 연장하고 금형 사용 비용을 줄일 수 있습니다
.
3.3 레이저 표면처리
일부 자동차 패널 펀칭 및 트리밍 다이의 경우 서비스 수명을 향상하고 고품질 금형 재료를 절약하기 위해 칼날 입은 열악한
기본 재료 위에 우수한 특성을 지닌 합금 층을 채택하는 경우가 많습니다. 과거에는 클래딩 용접에 인공산소-아세틸렌 화염 표면처리 공법이 주로 사용되었지만, 이 공법은 장비비가 저렴하지만, "금형산업" 2001. No. 4 합계 242 42
그러나 전력밀도가 낮다. 높지 않습니다(10
2
~10
3
W/cm 2
). 정밀한 제어가 어려워 클래딩 용접의 품질과 생산성이 낮습니다. 1970년대부터
플라즈마 분말 클래딩 기술이 성공적으로 개발되었습니다.
더 높은 출력 밀도와 더 나은 제어 성능을 가지기 때문에 성공적으로 개발되었습니다
널리 사용되었습니다. 그러나 플라즈마 클래딩은 전극 수명이 짧고, 클래딩층 모재 금속의 희석률이 높은 등의 문제점이 있다. 1980년대부터 등장한 레이저 클래딩 방식은 같은 소재를 사용한 산소-아세틸렌 화염 표면처리 방식에 비해 구조가 더 미세하고 치밀하며 불량률도 1/10에 불과하다. 이전의. 레이저 클래딩의 속도는 빠르고 생산성은 산소-아세틸렌 화염 클래딩보다 1.75배 높으며 클래딩에 사용되는 재료의 양은 1/2에 불과합니다. 또한, 레이저 클래딩 층의 실온 경도는 산소-아세틸렌 화염 클래딩의 실온 경도보다 약 50HV 더 높습니다. 레이저 클래딩의 품질은 레이저의 빔 모드, 전력 및 클래딩 속도와 같은 요소와 관련이 있습니다.
4 레이저 가공은 금형 스탬핑 가공을 대체합니다.
4. 1 레이저 절단은 박판 부품의 펀칭 금형을 대체합니다.
레이저 절단은 판금 부품 및 자동차 차체 제조를 대체합니다. 펀칭 및 트리밍 다이는 엄청난 잠재력을 갖고 있습니다.
3차원 레이저 절단 기술은 가공의 유연성과 품질 보증으로 인해 1980년대부터 자동차 차체 제조에 사용되기 시작했습니다. 절단 시 작업물을 지지하기 위해 직선 지지 블록만 사용하면 되므로 고정 장치 생산이 저렴할 뿐만 아니라 빠릅니다.
CAD/CAM 기술과의 결합으로 절단 공정
제어가 쉽고 연속 생산 및 병렬 처리가 가능해
고효율 절단 생산이 가능합니다.
판 절단에 사용되는 레이저에는 두 가지 주요 유형, 즉
CO2 레이저와 Nd:YA G 레이저가 있으며 출력 범위는 100에서 1,500까지입니다.
W, 출력이 1500W 미만인 레이저의 진동 모드는 단일 모드이기 때문에 슬릿 폭이 0.1 ~ 0.2mm이고 절단 표면도 매우 깨끗하며 출력이 1500W보다 크면 출력이 레이저의 진동 모드는 다중 모드이고 슬릿 폭은 거의 1mm이며 절단 표면 품질이 좋지 않습니다. 왜냐하면 Nd:
YA G의 레이저는 광섬유를 통해 전송될 수 있어 더욱 유연하고 편리합니다.
정확한 작동을 위해 프로그램 제어가 가능한 레이저 노즐을 보유한 로봇에 적합합니다
p>
작업이므로 주로 3차원 절단에 사용됩니다. 레이저 절단 공작물의 품질에 영향을 미치는 주요 요인은 절단 속도, 초점 위치, 보조 가스 압력, 레이저 출력 및 모드입니다.
미국의 포드와 제너럴모터스(GM)는 물론 일본의 토요타, 닛산 등 자동차 회사들은 일반적으로 자동차 생산라인에 레이저 커팅 기술을 사용한다.
다양한 사양의 금형을 사용하여
여러 형상의 블랭크를 빠르고 편리하게 절단할 뿐만 아니라, 사양 차이로 인해 변경이 필요한 대량의 부품을 절단 가공하는 데에도 사용됩니다. 자동차 로고 조명, 차량 프레임, 차체 양쪽 장식 라인 등 구멍 위치 General Motors에서 생산하는 트럭에는 문에만 20가지 유형의 구멍이 있으며 직경은 <2.8~<39mm
입니다. 이 회사는 Rofin-Sinar의 500W 레이저를 사용하여 통과합니다.
p>
광섬유를 통해 로봇에 장착된 용접 헤드에 연결하면
구멍의 가장자리가 1분 안에 완료됩니다. 매끄럽고 뒷면은 매끄러워요.
표면도 매끄러워요. <2.8mm 구멍의 공차는 0.03~0.08mm이고, <12mm 구멍의 공차는 -0.25mm~+0.03mm입니다. 이 회사의 트럭과 버스에는 구멍 직경과 구멍 구성이 서로 다른 89개의 섀시가 있습니다
. 최적화된 설계 후에는 5개의 서로 다른 섀시에만 스탬프를 찍으면 됩니다.
그런 다음 섀시는 레이저 절단됩니다. 다양한 구성의 구멍이 있어 프로세스가 단순화되고
효율성이 향상되며 비용이 절감됩니다.
1997년 우리나라 국립자연과학재단에서는 고출력 CO2와 YA G 레이저 3차원 용접 및 절단 이론과 기술에 중점을 두었습니다
국립산학연레이저기술센터 연구팀은 이에 대해 체계적인 연구를 진행하여 우리나라 자동차 차체 제조산업에 3차원 레이저 가공기술을 적용할 수 있도록 권고한 바가 크다.
/p>
. 이 센터는 Hongqi 확장형 세단 커버 제조 공정을 위한 3차원 레이저 개발을 포함하여 FAW Car Company 및 Baoshan Iron and Steel Company와 같은 대규모 국유 기업의 기술 변혁을 위한 주요 엔지니어링 프로젝트 연구를 수행했습니다. p>
이 기술은 우리나라 자동차 생산에 처음으로 사용됩니다. 자동차용 얇은
두꺼운 강판의 레이저 대형 패널 접합 공정에 대한 실험 연구에서 레이저 절단이 정밀 절단 기술을 대체하기 위해 처음으로 사용되었으며 좋은 기술 경험을 얻었습니다
경제적 효과. 3차원 레이저 커팅은 러기지 랙 고정 구멍, 루프 슬라이드 레일 구멍, 안테나 설치 구멍 열기, 휠 펜더 모양 수정 등 차체 조립 후 가공에도 매우 유용합니다. 신차 시험생산 시 윤곽 절단 및 수정에 사용되며, 시험 생산 주기를 단축할 뿐만 아니라 금형을 절약해 레이저 절단 가공의 장점을 충분히 구현합니다.
4. 2 레이저 마킹은 다이 마킹을 대체합니다.
기업에서는 생산하는 부품에 자체 로고나 특정 로고를 삽입해야 하는 경우가 많습니다.
기호 및 숫자의 경우 , 이전 방식은
다이 마킹이나 몰딩을 사용하는 것이었지만 마킹 품질이 높지 않았습니다. 마킹에 CNC 레이저 기계를 사용하면 속도가 빠를 뿐만 아니라 다이 마킹에서 흔히 발생하는 버, 날카로운 모서리 및 왜곡을 극복할 수 있습니다. 컴퓨터 제어를 사용하므로
어떠한 복잡한 패턴도 생산할 수 있으므로 금형 설계, 제조 및 디버깅이 필요 없으며 제품 개발 및 제조 시간이 크게 단축됩니다.
p>
사이클을 유지하는 동시에 비용도 절감합니다. 레이저 마킹기는 저전력, 저비용, 아름다운 마킹을 요구하기 때문에 현재 대부분의 기업에서 사용하고 있습니다.
4.3 벤딩 다이 성형 대신 레이저 성형
금속판의 레이저 성형 기술은 집속된 빔을 이용해 금속판을 일정한 속도로 스캔하는 방식이다. 재료의 표면(스캔 속도는 표면이 녹는 것을 방지할 수 있을 만큼 빨라야 함)으로 인해 가열 영역의 재료에 명백한 온도 구배가 발생하여 열 응력이 불균일하게 분포되어 시트를 소성 변형시키는 방법
. 레이저성형 "금형산업" 2001. No. 4 합계 242 43
기존 성형방법에 비해 레이저성형은 많은 장점을 가지고 있다. ① 무형성형이며 생산주기가 짧고 유연성이 있다
대형, 가공 환경에 제약을 받지 않고, 열 작용 면적과 열 응력 분포를 정확하게 제어함으로써 금형 없이 판금을 성형할 수 있습니다. 금형을 사용하지 않고 열응력에만 의존하여 시트를 변형시키는 플라스틱 가공방식이므로 외력 없이 성형됩니다. ③ 비접촉 성형이므로 변형이 없습니다. 금형 제작, 마모, 윤활 등의 문제가 없으며, 금형 고착이나 스프링백 현상이 없으며, 성형 정확도가 높습니다.
4 판금을 다음과 같이 성형할 수 있습니다. 복합 성형을 통한 복잡한 형상 특수 형상 부품(예: 구형 부품, 원추형 부품, 포물선 부품 등)
레이저 성형 메커니즘의 핵심은 벤딩 메커니즘이다. 레이저가 시트를 가열하면 한편으로는 레이저 작용 영역 안팎에 열응력이 발생하고 동시에 가열된 영역에서 시트의 항복극이 감소하므로
열 응력 영역의 뜨거운 재료가 불균일한 소성 변형을 일으키도록 하여
시트의 굽힘 및 성형을 실현합니다. 테스트에 따르면 레이저 스캐닝을 통과할 때마다 금속 시트가 1°에서 5°까지 구부러질 수 있으며 스캐닝 궤적과 공정 매개변수의 다양한 조합으로 다양한 변형 정도를 통해 다양한 성형 효과를 생성할 수 있는 것으로 나타났습니다.
다양하고 복잡한 형상의 공작물을 얻을 수 있습니다. 그림 2의 표는 공정 변수가 레이저 속도 출력 1.5kW, 레이저 빔 직경 5.4mm, 재질 SUS304, 두께 1mm, 탄소 코팅 표면일 때의 조건을 보여줍니다< /p >
아래는 레이저 스캐닝 속도와 재료 굽힘 각도 사이의 변화하는 관계입니다.
그림 2 레이저 스캐닝 속도가 굽힘 각도에 미치는 영향
세계 많은 국가에서 많은 인력과 물적 자원을 투자했습니다.
레이저 성형에 대한 특별 프로젝트 기술 연구 및 예비 산업 응용이 일부 분야에서 시작되었습니다.
폴란드 기초 기술 연구소의 HFrackiewicz 교수는 레이저 성형을 사용하여 원통형 부품, 구형 부품, 주름진 튜브 및 금속 튜브를 연속적으로 제조하고 이를 팽창 및 수축시키고 구부려 성형합니다.
등, 독일 학자 MGeiger 등은 자동차 제조 산업의 다른 가공 공정과 레이저 성형을 결합하여 유연한 레벨링 및 기타 자동차 패널 성형을 수행했습니다. 성형된 부품과 굽힘 성형 공정의 컴퓨터 폐쇄 루프 제어를 통해 성형 정확도가 향상됩니다.
독일 회사인 Trumpf는 1997년에 상업용 레이저 성형 다목적 공작 기계 Trumat ic L 3030을 개발했습니다. 연구의 심화와 기타 관련 기술의 개발로 인해 레이저 성형 기술은 점차 성숙해지고 실용화 단계에 진입할 것으로 믿어집니다.
5 결론
레이저 가공기술은 첨단가공기술로서 국내외 다양한 산업분야에서 널리 활용되고 있으며 우리나라 기계산업에서도 상위권에 꼽혔다. '9차 5개년 계획' 기간 동안의 10가지 기술. 중국국가자연과학재단도
레이저 가공 기술 및 레이저 가공 장비에 대한 연구를 핵심 연구 프로젝트로 지원하고 주요 응용 분야를 명확하게 지적하고 있습니다.
해당 분야는 다음과 같습니다. 자동차 제조업에서. 도구로서 금형의 생산주기, 품질, 비용은 제품의 제조공정과 판매에 직접적인 영향을 미칩니다. 범용 가공 도구로서 레이저는 금형 제조 장비를 줄이고 금형 제조 주기를 단축하며 제조 비용을 절감하고 금형 품질을 보장하는 데 큰 이점을 가지고 있습니다. 레이저 가공 기술을 실제 생산에 어떻게 적용하여 금형 제조 공정을 최적화하고, 전통적인 금형 제조 공정을 개선 및 결합하려면
지속적인 노력이 필요합니다
.
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