自動車金型へのレーザークエンチング技術の応用

レーザー焼入れは硬化層が均一で、硬度が高く、ワークピースの変形が小さく、加熱層の深さと加熱経路の制御が容易で、自動化が容易で、高周波焼入れ、特にレーザー焼入れのようなさまざまな部品サイズに対応するインダクターを設計する必要がありません。 、ワークの変形はほとんど無視できるため、高精度が要求される部品の表面処理に特に適しています。 数年の技術研究を経て、現在ではレーザー焼入れというキーテクノロジーを習得し、自動車のパネル金型の表面処理に応用しています。

1. レーザークエンチングの原理


レーザークエンチングの主な原理は、金属材料の自由電子がレーザー光子エネルギーを吸収し、温度が共晶点以上、融点以下に上昇し、固相変化反応が起こることです。部品表面の限られた深さで発生するマトリックスの熱伝達 固相変化のプロセス。

図１に当社のレーザー三次元二段焼入れ装置を示します。主な構成は高出力レーザー、6軸ロボット、レーザー送信・集光システム、光加工ヘッド、制御システムです。光源は業界最先端のレーザーを採用し、ビームカプラーで結合し、フレキシブル光ファイバー伝送を採用し、ビーム波長は970~1070nm、ビーム品質は約4.3mm・mrad、装置の出力は2000 ~6000W、出力スポット径は0.2~4mm、ビーム幅は約20mm。光学系はコリメーション、フォーカシング、ビーム整形、モニタリング系などで構成され、工作機械は6軸ロボットと補助機構（リニアガイドレール）で構成され、軌道ストロークは4m、マニピュレーターの移動径は約8m。オフライン プログラミング システム、ティーチング プログラミング、エキスパート プログラミングなどの方法を使用して、複雑な形状の部品の 3 次元軌道計画、プログラミング、およびモーション プログラムの生成を完了することができます。

2. 金型焼入れにレーザー焼入れを適用

(1) 絞りダイスの焼入れ
絞りダイスの成形特性上、板金に接する凸状のR位置や、板金の流動が多い面には、高い耐摩耗性、つまり高硬度が必要です。図2に示すように、一般的に描画モデル表面の凸Rは急冷する必要があります。


従来の火炎焼入れや高周波焼入れでは、焼き入れ面積が大きいため、ワークの熱変形が大きくなり、金型の精度を保証することができなくなり、それを保証するための技術的手段を追加する必要があり、必然的に問題が発生します。金型加工サイクルが長く発生しやすい 硬度が不安定そこで、レーザー焼入れ方式に変更することで、加工物の変形が非常に小さい、または変形することなく、他の技術的手段を追加することなく品質要件を満たすことができるようになりました。図3と表1に示すように、ある車種のドアインナパネルをレーザー焼入れ方式で焼き入れ、ブルーライトスキャンにより焼き入れ前後の形状変化を検出すると、モールド形状がレーザー焼入れ後は、精度要件を満たすことができます。


(2) インサートの表面焼入れ
自動車金型のインサートの表面焼入れは、図4に示すように、主にトリミングダイの刃先の焼き入れと成形金型の成形部の焼き入れを指します。


トリミングインサートやシェーピングインサートの場合、従来の火炎焼入れではインサートの変形が大きく、焼入れ後の変形の二次加工が必要となり、ワークの生産サイクルが長く、焼入れ硬さの管理が困難です。特に成形用インサートは、成形面を焼入れする必要があるため、焼入れ面積が大きく、焼き戻しがしやすいため、表面硬度が不十分です。

研究と実践の結果、レーザー焼入れがインサートの変形と不適切な硬度の問題を効果的に制御できることがわかりました。図5にトリミングインサートとシェーピングインサートのレーザー焼入れ硬度と変形を示します.この図から分かるように、インサートはレーザー焼き入れ後の硬度が安定しており、変形が小さく、仕上げ後の焼入れ製造を実現しています.処理効率と処理コストを節約します。




(3) 金型加工技術の最適化のためのレーザー焼入れの適用
従来の火炎焼入れと比較して、レーザー焼入れの使用は金型加工技術を最適化し、それにより効果的に製造サイクルを短縮し、製造コストを削減します.以下は、火炎焼入れとレーザー焼入れのプロセス フローの比較です。

火炎焼入れ金型加工工程：粗面加工、中仕上げ加工→火炎焼入れ→変形を取り除く加工→フィッター組立→表面仕上げ→デバッグ、調査、部品の流通。

レーザー焼入れ金型加工工程：粗面加工、中仕上げ加工→フィッター組立→表面仕上げ→レーザー焼き入れ→デバッグ、調査、部品配布。

レーザー焼入れ金型を使用することにより、焼入れ前にプロファイル表面を所定の位置に仕上げることで、変形加工手順を回避するだけでなく、仕上げの効率を向上させます。工作機械を例にとると、火炎焼入れ法とレーザー焼き入れ法による金型仕上げのパラメータを表2に示しますが、レーザー焼き入れ法は火炎焼き入れ法に比べて金型加工の効率が30%以上向上しています。
表 2 金型仕上げパラメータ


(4) 金型表面のレーザー焼入れ
品質への影響 従来の焼入れ法に比べ、レーザー焼入れ法は金型表面の変形が少なく、硬度も均一であるため、工程内で金型表面を仕上げてから焼き入れます。図 6 は、火炎焼き入れとレーザー焼き入れ方法を使用した金型プロファイルの断面を示しています。

図6より、火炎焼入れ加工品は変形量が大きく取り代むらが大きく、変形量の大きい部分は焼き入れ硬度が不足しており、制御できない状態になっていることが分かります。



レーザー硬化後のワークは変形がほとんどなく、硬度も均一で制御可能であるため、所定の位置に仕上げてから焼入れします。

火炎焼入れは、焼入れしてから仕上げる方法であるため、図7に示すように、プロファイルに硬さのばらつきがある部分があり、工具は切削時に力が不均一で摩耗しやすく、プロファイルの加工品質が低下します。


図 7 から、金型の火炎焼きが終了した後、プロファイルに段差があり、プロファイルの品質が保証されていないことがわかります。位置仕上げ後にレーザー焼入れする方法を採用する金型の場合、仕上げ時に硬さを持たないため、加工中に図7の状況は現れず、位置仕上げ後にレーザー焼き入れを行い、焼き入れ後の変形を行います。金型の表面品質は、図8に示すように、金型の表面品質に対する顧客の要求を満たしています。


三、おわりに


世界の産業は「インダストリー4.0」の時代を迎えようとしており、自動車業界は製品の情報化、インテリジェンス、パーソナライゼーション、エンドユーザーからの環境保護への多くのニーズに直面している. . 品質要件はますます高くなります。レーザー焼入れ技術は、安定した焼入れ硬度と品質を確保しながら、金型の製造サイクルを効果的に短縮し、製造コストを削減すると同時に、従来の熱処理プロセスでは解決できなかった多くの問題を解決します。そのため、自動車の金型にレーザー焼入れ技術がますます広く使われるようになるでしょう。