CN111136383A - 一种冷挤压模具表面超快激光微织构自润滑方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种冷挤压模具表面超快激光微织构自润滑方法，首先，分析冷挤压模具成形时不同区域的金属流动状态和应力分布；然后，在金属流动阻力较大的区域设计密度较高的微织构，在金属流动阻力较小的区域设计密度较低的微织构；再根据设计好的织构形貌参数，采用超快激光加工设备制备织构化图案；最后采用氯丁橡胶作为润滑剂填充工具，在氯丁橡胶和模具织构化区域涂敷按一定比例配制的复合固体润滑剂，在压力机的作用下，通过橡胶发生膨胀变形挤压模具表面，使复合润滑剂挤入微织构中，实现模具表面的润滑性能优化分布。本发明使用超快激光设备制备微织构，并填充复合固体润滑剂，以改善金属流动状态，提高模具使用寿命和成形件质量。

Description

一种冷挤压模具表面超快激光微织构自润滑方法

技术领域

本发明属于模具表面自润滑处理领域，具体涉及一种冷挤压模具表面超快激光微织构自润滑方法。

背景技术

冷挤压是指将毛坯放入模腔内，在强大的压力和一定的速度作用下，迫使金属从模腔中挤出，从而获得所需形状、尺寸以及具有一定力学性能的挤压件。冷挤压技术作为一种高精、高效、优质低耗的先进生产工艺技术，较多应用于中小型锻件规模化生产中。与热锻、温锻工艺相比，可以节省材料30%～50%，节能40%～80%，而且能够显著提高锻件质量，改善作业环境。冷挤压金属塑性成形中绝大多数工序是在模具和变形金属相接触的情况下进行的，成形金属在模具表面滑动，模具的表面就会产生阻碍金属成形件运动的摩擦力。在冷挤压金属塑性成形过程中，接触表面间的压力非常高，接触面间结合紧密，真实接触表面比较大。在此成形过程中不但会不断增加新的接触表面，增强接触面间粘着的趋势，而且，接触面上各处的塑性流动也不尽相同，有的地方金属流动快，有的地方金属流动慢，还有些地方由于接触面间较强的分子吸引力产生局部粘结而形成金属挤压“死区”，因而，各处的摩擦也不相同。冷挤压金属塑性成形时，接触表面的单位压力很大，一般可达500MPa，甚至高达2500MPa。而机械传动零件承受载荷的工作压力一般在10MPa左右，即便是重型轧钢机轴承的工作压力也只是在20MPa～40MPa。接触面间的压力越高，接触表面间的润滑剂越容易被挤出，润滑越困难。在冷挤压加工过程中，模具和挤压件的接触表面之间通常会存在润滑剂、水以及灰尘等介质，这些介质形成一定厚度的隔离层，形成对挤压金属表面部分或者全部的屏蔽，对挤压过程中的摩擦有很重要的影响。当挤压接触表面发生滑动摩擦时，剪切将发生在这些介质内部，此剪切力是挤压摩擦阻力的一部分。因此在成形挤压件时，冷挤压模具要承受巨大的载荷，工作条件恶劣，由于模腔内的剧烈摩擦力导致模具磨损、开裂、拉伤等失效情况，严重降低冷挤压模具的使用寿命，因此模具表面润滑成为急需解决的问题。

中国专利文献CN101210325B，公开日为2010年6月9日，公开了一种用于热锻模具的纳米复合耐磨涂层组合物及其应用，通过激光熔覆的方法，在热锻模具的表面形成耐磨纳米复合涂层，可提高模具寿命约30％。该涂层耐磨性虽然较高，但后续精加工比较困难。

中国专利文献CN107413949A，公开日为2017年12月1日，公开了一种复合织构轧辊成形模具及其复合织构成形方法，主要通过微凹腔和微凸起织构控制模具表面有效成形力分布状态，改善金属流动，但没有涉及模具表面固体润滑处理问题。

因此急需寻找一种工艺简单可靠，适合企业推广的提高冷挤压模具表面自润滑性能的方法，本发明提出一种冷挤压模具表面超快激光微织构自润滑方法，结合冷挤压模具成形过程中的实际工况，在模具表面不同区域加工不同密度的微织构，填充复合固体润滑剂，优化区域摩擦性能，降低金属流动阻力，提高模具使用寿命。

发明内容

本发明针对冷挤压模具成形过程中，坯料与挤压凹模表面剧烈摩擦，产生巨大的的剪切力易导致挤压凹模表面发生粘结、脱落等问题，从而损坏冷挤压模具。本发明提出了一种冷挤压模具表面超快激光微织构自润滑方法，通过发挥用超快激光的“冷加工”特点，加工出形貌良好的微凹坑织构，并在微织构中填充复合固体润滑剂制备自润滑模具表面，从而提高成形件质量和冷挤压模具的使用寿命。实现本发明目的的技术方案如下：

具体地，一种冷挤压模具表面超快激光微织构自润滑方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

步骤（1）、软件分析：

在冷挤压模具成形过程中，采用金属成形仿真软件分析金属流动状态和模具表面区域的应力分布；

步骤（2）、确定织构化区域：

在凹模倒角处及其他金属流动缓慢且应力较大区域加工较高密度的微织构，在凹模内壁和其它区域加工较低密度的微织构；

步骤（3）、加工微凹坑织构：

采用超快激光器在冷挤压模具表面的不同区域根据设计好的织构参数加工不同密度的凹坑织构；

步骤（4）、制备润滑剂：

将自润滑材料在100℃~140℃温度下烘干2小时，按一定比例混合自润滑材料制备复合固体润滑剂；

步骤（5）、清洗模具表面并烘干；

步骤（6）、选择填充工具：

选用易变形材料作为润滑剂填充工具；

步骤（7）、形成自润滑表面：

在凹模织构化区域和填充工具表面涂敷复合固体润滑剂，并将填充工具放入凹模1中，压力机下行带动凸模挤压坯料，填充材料发生形变并膨胀，从而挤压凹模内表面使得复合固体润滑剂嵌入微织构中形成区域优化自润滑表面。

进一步地，步骤（3）中微凹坑织构参数为直径50um~100um，深度为4um~15um，密度为5%~40%。

进一步地，步骤（3）中超快激光器加工参数设为，脉宽为10fs~10ps，频率为10mHZ~250kHZ，激光功率为4mW~12w，脉冲个数为1~10。

进一步地，在凹模倒角处区域加工较高密度织构20%~40%；其它区域加工较低密度织构5%~20%。

进一步地，步骤（6）中采用氯丁橡胶类易变形的高弹性橡胶作为润滑剂填充工具。

进一步地，将氯丁橡胶类易变形的高弹性橡胶加工成与挤压件结构类似的形状，与凹模内壁保持0.5mm~1mm的间隙。

进一步地，步骤（4）中复合固体润滑剂按质量百分比配方组成：粒径≤2um，纯度为98%的石墨粉：80%~85%；粒径≤1um，纯度为98%的二硫化钼：15%~20%；添加剂：0~10%。

进一步地，步骤（7）中，填充复合固体润滑剂时，压力机载荷设为200KN~400KN，压力机带动凸模下行，挤压氯丁橡胶坯料，使其膨胀变形挤压凹模内壁，迫使复合固体润滑剂嵌入凹模织构化区域，在凹模内壁形成区域自润滑表面。

有益效果：

本发明针对冷挤压模具成形过程中，传统润滑效果不佳、区域润滑难以控制等润滑难点导致模具使用寿命短暂，成形件质量差的问题，提出一种冷挤压模具表面超快激光微织构自润滑方法，降低冷挤压模具表面摩擦系数，获得区域优化自润滑表面，降低成形载荷，提高成形质量和模具使用寿命。其有益效果在于：

1.本发明所述的超快激光加工工艺，具有加工效率高、加工形貌好、加工深度精准可控、对环境无污染等优势。

2.本发明所述的在不同区域加工不同密度的微织构，充分考虑到冷挤压模具结构和金属流动状态，较高密度（20%~40%）的微织构可以填充较多的润滑剂，较低密度（5%~20%）的微织构可以填充较少的润滑剂，合理分配区域织构密度可以降低金属流动阻力，提高成形质量。

3.本发明所述的复合固体润滑剂，采用二硫化钼、石墨粉和添加剂的最优组合，充分发挥二硫化钼能降低磨损的性能和石墨粉的优异减摩润滑的性能。

4.本发明所述的润滑剂填充方法，通过挤压氯丁橡胶使其变形膨胀，从而产生巨大的压力将润滑剂嵌入织构中，可以提高冷挤压模具自润滑表面的摩擦学性能和使用寿命。

5.本发明所述的微织构自润滑方法，在模具多次使用后，当润滑效果不佳时，可以重复使用橡胶坯料重新添加复合固体润滑剂，可以避免模具因润滑不佳而失效，同时无需在模具表面再次加工微织构，降低了生产成本并提高了模具的使用寿命。

6.本发明所述的冷挤压模具表面超快激光微织构自润滑方法适用于轴类、法兰、齿轮等冷挤压模具表面润滑处理，具有绿色润滑、无污染优势，避免采用传统润滑方式对环境产生破坏。

下面通过附图和具体实施方式对本发明的技术方案作进一步的详细说明。

附图说明

图1为复合固体润滑剂填充示意图。

图2为连接杆冷挤压模具凹模织构化示意图。

图3为连接杆冷挤压模具自润滑示意图。

图4为起动齿轮冷挤压模具齿形凹模织构化示意图。

图5为起动齿轮冷挤压模具自润滑示意图。

图中：1、6顶杆；2、连接杆凹模；3、复合固体润滑剂；4、9氯丁橡胶；5、连接杆凸模；7、垫板；8、齿形凹模；10、导向模；11、起动齿轮凸模。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明公共的实施方式作进一步详细描述。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、 “上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。因此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

参照图1-5所示，结合图3和图5，根据冷挤压成形模具结构，分析金属流动状态，在冷挤压模具的凹模表面分区域加工不同密度的凹坑微织构，采用超快激光器在金属流动较慢的地方制备较高密度的凹坑织构，在金属流动较快的地方制备较低密度的凹坑织构，然后采用适当的填充方式将复合固体润滑剂填入凹坑微织构中形成冷挤压模具自润滑表面，从而优化凹模表面摩擦学性能，提高挤压件成形质量和模具使用寿命，复合固体润滑剂填充示意图如图1所示。

下面以具体实施例进一步说明本发明。

所用加工设备：皮秒激光器、飞秒激光器、PG-2抛光机、超声波清洗机、电子天平。

实例一：某连接杆冷挤压模具表面自润滑处理

本发明具体实施其步骤为：

步骤（1）、软件分析：

在冷挤压模具成形过程中，采用金属成形仿真软件分析金属流动状态和模具表面区域的应力分布，发现连接杆凹模倒角处金属流动缓慢，且应力较大。

步骤（2）、确定织构化区域：

在凹模倒角区域设计较高密度的凹坑微织构，密度为40%；其它区域设计较低密度的凹坑微织构，密度为15%，所有凹坑微织构直径为9um，深度为15um。

步骤（3）、加工微凹坑织构:

采用PG-2抛光机对冷挤压模具进行15min抛光处理，选用皮秒激光器的最大输出功率为50W，最大单脉冲能量为200μJ，脉冲频率范围0-1000kHz，激光波长为双波长1064+532nm，脉冲宽度为9ps，光束质量M2≤1.5。设置激光器加工参数，脉宽为6ps，频率为150kHZ，激光功率为9W，脉冲个数为5。根据连接杆冷挤压凹模表面的凹坑微织构设计要求进行加工，如图2所示。

步骤（4）、制备润滑剂：

将自润滑材料在100℃温度下烘干2小时，采用电子天平按照石墨粉：二硫化钼：添加剂（17：3：0）比例换算，称取单一固体润滑剂和添加剂，然后混合成复合固体润滑剂。

步骤（5）、清洗模具表面并烘干：

采用超声波清洗机清洗织构化模具，去除凹坑织构内杂质，并烘干。

步骤（6）、选择填充工具：

选择氯丁橡胶作为填充工具，将氯丁橡胶材料加工成与挤压件结构相似橡胶坯料，与凹模保持0.5mm的间隙，如图3所示。

步骤（7）、形成自润滑表面：

填充复合固体润滑剂，采用坯料挤压法，在橡胶坯料与织构化凹模表面初步涂敷复合固体润滑剂，然后将橡胶坯料放入模腔中，启动压力机，挤压力设置为300KN，在压力机作用下，带动凸模5挤压橡胶坯料使其发生膨胀变形，从而变形坯料4挤压凹模内壁，产生巨大压力，从而使复合固体润滑剂3紧紧嵌入织构化凹模2中，获得连接杆冷挤压模具自润滑表面，如图3所示。

实例二：某起动齿轮冷挤压模具表面自润滑处理

本发明具体实施其步骤为：

步骤（1）、软件分析：

分析起动齿轮冷挤压模具结构和金属流动方向，由于齿形凹模的齿形端面对金属流动阻力较大，导致齿形凹模齿根处金属流动缓慢。

步骤（2）、确定织构化区域：

在凹模齿根区域设计较高密度的凹坑微织构，密度为30%；其它区域设计较低密度的凹坑微织构，密度为10%，所有凹坑微织构直径为80um，深度为10um。

步骤（3）、加工微凹坑织构:

采用PG-2抛光机对冷挤压模具进行15min抛光处理，飞秒激光器加工参数设为，脉宽为15fs，频率为10mHZ，激光功率为5mW，脉冲个数为2。

步骤（4）、制备润滑剂：

将自润滑材料在110℃温度下烘干2小时，采用电子天平按照石墨粉：二硫化钼：添加剂（16：3：1）比例换算，称取单一固体润滑剂和添加剂，然后混合成复合固体润滑剂。

步骤（5）、清洗模具表面并烘干：

采用超声波清洗机清洗织构化模具，去除凹坑织构内杂质，并烘干。

步骤（6）、选择填充工具：

选择氯丁橡胶作为填充工具，将氯丁橡胶材料加工成与挤压件结构相似橡胶坯料，与凹模保持1mm的间隙，如图5所示

步骤（7）、形成自润滑表面：

填充复合固体润滑剂，采用坯料挤压法，在橡胶坯料与织构化凹模表面初步涂敷复合固体润滑剂，然后将橡胶坯料放入模腔中，启动压力机，挤压力设置为350KN，在压力机作用下，带动凸模11挤压橡胶坯料使其发生膨胀变形，从而变形坯料9挤压凹模内壁，产生巨大压力，从而使复合固体润滑剂紧紧嵌入织构化凹模8中，获得起动齿轮冷挤压模具自润滑表面，如图5所示。

以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (8)

1.一种冷挤压模具表面超快激光微织构自润滑方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

步骤（1）、软件分析：

在冷挤压模具成形过程中，采用金属成形仿真软件分析金属流动状态和模具表面区域的应力分布；

步骤（2）、确定织构化区域：

在凹模倒角处及其他金属流动缓慢且应力较大区域加工较高密度的微织构，在凹模内壁和其它区域加工较低密度的微织构；

步骤（3）、加工微凹坑织构：

采用超快激光器在冷挤压模具表面的不同区域根据设计好的织构参数加工不同密度的凹坑织构；

步骤（4）、制备润滑剂：

将自润滑材料在100℃~140℃温度下烘干2小时，按一定比例混合自润滑材料制备复合固体润滑剂；

步骤（5）、清洗模具表面并烘干；

步骤（6）、选择填充工具：

选用易变形材料作为润滑剂填充工具；

步骤（7）、形成自润滑表面：

在凹模织构化区域和填充工具表面涂敷复合固体润滑剂，并将填充工具放入凹模1中，压力机下行带动凸模挤压坯料，填充材料发生形变并膨胀，从而挤压凹模内表面使得复合固体润滑剂嵌入微织构中形成区域优化自润滑表面。

2.根据权利要求1所述的一种冷挤压模具表面超快激光微织构自润滑方法，其特征在于，步骤（3）中微凹坑织构参数为直径50um~100um，深度为4um~15um，密度为5%~40%。

3.根据权利要求1所述的一种冷挤压模具表面超快激光微织构自润滑方法，其特征在于，步骤（3）中超快激光器加工参数设为，脉宽为10fs~10ps，频率为10mHZ~250kHZ，激光功率为4mW~12W，脉冲个数为1~10。

4.根据权利要求1或2所述的一种冷挤压模具表面超快激光微织构自润滑方法，其特征在于，在凹模倒角处区域加工较高密度织构20%~40%；其它区域加工较低密度织构5%~20%。

5.根据权利要求1所述的一种冷挤压模具表面超快激光微织构自润滑方法，其特征在于，步骤（6）中采用氯丁橡胶类易变形的高弹性橡胶作为润滑剂填充工具。

6.根据权利要求5中所述的一种冷挤压模具表面超快激光微织构自润滑方法，其特征在于，将氯丁橡胶类易变形的高弹性橡胶加工成与挤压件结构类似的形状，与凹模内壁保持0.5mm~1mm的间隙。

7.根据权利要求1所述的一种冷挤压模具表面超快激光微织构自润滑方法，其特征在于，所述步骤（4）中复合固体润滑剂按质量百分比配方组成：粒径≤2um，纯度为98%的石墨粉：80%~85%；粒径≤1um，纯度为98%的二硫化钼：15%~20%；添加剂：0~10%。

8.根据权利要求1所述的一种冷挤压模具表面超快激光微织构自润滑方法，其特征在于，步骤（7）中，填充复合固体润滑剂时，压力机载荷设为200KN~400KN，压力机带动凸模下行，挤压氯丁橡胶坯料，使其膨胀变形挤压凹模内壁，迫使复合固体润滑剂嵌入凹模织构化区域，在凹模内壁形成区域自润滑表面。

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