汽車模具激光熱處理工藝降本

相比美國OEM制造商，對于完全相同的汽車模具，歐洲各地的汽車模具OEM制造商正在以更快的速度，更高的質(zhì)量和更低的成本提供。其原因是激光熱處理（見圖1），該工藝在歐洲已經(jīng)接近主流，但在美國幾乎沒有實踐過。

圖1：整流罩側(cè)汽車沖壓模具的激光熱處理。

激光熱處理在歐洲的應(yīng)用已經(jīng)普遍成功，美國OEM制造商采用這種技術(shù)是必然的。美國汽車模具OEM制造商接受激光熱處理的障礙，包括這種技術(shù)在美國仍然沒有得到很好的理解的事實。關(guān)于激光熱處理的成本節(jié)約、質(zhì)量和進度改善的數(shù)據(jù)尚未轉(zhuǎn)移到美國的決策者；而且在美國，可靠的激光熱處理加工車間很少。但顯然，激光熱處理有望在美國OEM業(yè)內(nèi)被迅速采用。

什么是激光熱處理？

激光熱處理工藝中，典型光斑尺寸在0.5×0.5英寸和2×2英寸之間的激光束照射金屬部件的表面，作為向其傳遞熱量的手段。以這樣的方式輸送激光能量，以便將金屬表面和熱影響區(qū)（HAZ）的溫度升高到其冶金轉(zhuǎn)變溫度以上。當(dāng)移除激光熱源時，金屬的熱量通過傳導(dǎo)熱移除提供加熱區(qū)域的快速淬火，從而產(chǎn)生所需的硬度?？梢跃氄{(diào)接激光束運行的細節(jié)，以便對硬化過程的所有方面進行精確控制。根據(jù)幾何形狀，激光熱處理還允許通過視距處理其他方式難以到達的區(qū)域。激光熱處理有時也稱為激光硬化。

激光熱處理的益處

與傳統(tǒng)的熱處理技術(shù)如感應(yīng)、熔爐和火焰熱處理相比，激光熱處理的益處是：

一致的硬度深度  通過精確控制輸送到金屬本身的能量，包括毫秒級反饋控制，激光能量的特性意味著激光熱處理可以產(chǎn)生嚴(yán)格規(guī)格的HAZ，從而在非常嚴(yán)格的公差范圍內(nèi)實現(xiàn)一致的硬度深度。

大多數(shù)汽車模具不需要硬銑削  除了前面提到的精確控制之外，激光能量本身的固有特性，意味著對任何給定的HAZ尺寸，激光熱處理可自動為處理的模具提供盡可能小的總能量。在大多數(shù)汽車模具中，該工藝的內(nèi)置功能可自動實現(xiàn)零畸變。傳統(tǒng)的熱處理方法需要在熱處理之后研磨額外的材料，與之不同，激光熱處理是在將模具切割成最終形狀之后進行的。這樣可以避免在材料硬時額外的加工操作從而節(jié)省成本。

硬度更高  由于激光熱處理中熱處理區(qū)域的快速自淬火，在正確的工藝條件下，該工藝實現(xiàn)的典型硬度往往比火焰或感應(yīng)工藝高幾個點。

精確地將光束能量應(yīng)用于工作點  火焰或線圈需要不緊靠工作區(qū)域。激光熱處理有更大的能力僅將熱量施加到預(yù)期區(qū)域，相鄰區(qū)域的加熱最小甚至為零。

可激光熱處理的材料

碳含量為0.2％或更高的任何鋼都是可以熱處理的（見圖2）。通常，激光熱處理模具的硬度與使用傳統(tǒng)技術(shù)獲得的相比硬度相當(dāng)或更好。

圖2：S7140合金鋼中激光熱處理模具的冶金橫截面。

一些汽車應(yīng)用的常見可激光處理材料包括：

D6510球墨鑄鐵

S7140合金鋼

G2500灰鑄鐵

G25HP灰鑄鐵

G3500灰鑄鐵

D4512球墨鑄鐵

S0030非合金鋼

S0050A合金鋼

A2工具鋼

D2工具鋼

S7工具鋼

M2工具鋼

4140合金鋼

4340合金鋼

節(jié)約成本

激光熱處理在汽車模具的制造和維護中節(jié)省的成本，主要來自于免除了后硬化尺寸恢復(fù)過程。為了說明激光熱處理的潛力，請參考來自一家本地OEM模具供應(yīng)商的以下案例研究。

圖3：OEM供應(yīng)商使用的汽車裝飾模具的示例；該模具尺寸為177×95×54英寸，重93000磅。

該研究涉及汽車內(nèi)飾/成型模具的新零件制造。一家中型OEM制造商通常每年生產(chǎn)40至100個這樣的模具。模具的重量范圍從8000至95000磅（見圖3）。對于這項工藝，以重量約為42000磅的中型裝飾模具為例，計算產(chǎn)品加工的時間成本和每個步驟的日歷天數(shù)。圖4總結(jié)顯示了結(jié)果，并在表中進行了詳細說明。

STEP/DEscriptION步驟/描述

COSTS AND TIMES成本和時間

Conventional heat treatment常規(guī)熱處理

Laser heat treatment激光熱處理

Hours小時

Days天

Step 1: Programming 第1步：編程

In this step, the various machines are programmed. 在此步驟中，對各種機器進行編程。

Step 2: 2D base machining 第2步：二維基座加工

The base of the assembly is milled flat, a precursor for all other processes 組件的基座加工平坦，是所有其他工藝的前序。

Step 3: Rough/semi (finish) 3D machining第3步：粗/半（完成）3D加工

The 3D portions of the assemblies are machined. For laser heat treatment, this includes finish machining since this process will not cause distortion. 組件的3D部分是機加工的。對于激光熱處理，這步包括完成加工，因為該工藝不會導(dǎo)致變形。

Travel to heat treating subcontractor 送至熱處理分包商處

Self-explanatory不需加以說明

Step 4: Heat treating第4步：熱處理

Return trip from heat treating subcontractor：從熱處理分包商處返回

With laser heat treating, parts go direct to assembly facility; with conventional heat treating, parts go to machining facility 采用激光熱處理，零件直接進入組裝線；采用傳統(tǒng)熱處理，零件進入加工線

Step 5: 2D base re-machining第5步：2D基座再加工

This operation is not required with laser heat treating 激光熱處理不需要該操作

Step 6: 3D finish re-machining第6步：3D完成再加工

Travel to OEM's assembly facility前往OEM的組裝線

This only applies to conventionally heat-treated parts這僅適用于傳統(tǒng)的熱處理部件

Step 7: Final assembly第7步：最終裝配

Totals：總計

Unit cost (UC) is computed at $50/hour單位成本（UC）以每小時50美元計算

Yearly cost (YC) is computed for 40 dies年度成本（YC）以40個模具計算

圖4還給出了模具制造中涉及的各個步驟。使用常規(guī)熱處理方法（例如感應(yīng)和火焰加熱）生產(chǎn)的模具是粗加工的，留下額外的原料達到0.020英寸，以應(yīng)對由于熱處理過程引起的變形。然后將經(jīng)過熱處理的模具硬磨至最終尺寸。切割硬質(zhì)材料需要更長的時間，并且需要昂貴得多的工具。為簡單起見，本案例研究未考慮硬銑削操作所需的額外工具支出。

圖4：該示意圖顯示了模具制造中涉及的各個步驟。

另一方面，激光熱處理避免了熱處理后加工和相關(guān)步驟，從而降低了生產(chǎn)的成本和總時間。

總結(jié)

采用激光熱處理將該產(chǎn)品線的年成本從44.2萬美元降至32萬美元，節(jié)省了27.6％。交貨時間從17天減少到13天，凈增速為23.5％。預(yù)計通過減少工具費用可以進一步節(jié)省開支。總能源使用量減少，這里未計算數(shù)量，如果碳信用額成為財務(wù)領(lǐng)域的一部分，可能會有未來的節(jié)約。