一种塑料模具钢耐磨性能快速测试装置

1.本发明涉及模具性能测试技术领域，具体涉及到一种塑料模具钢耐磨性能快速测试装置。


背景技术：

2.模具是汽车工业中重要的工艺装备，产品的大批量生产和新产品开发都离不开模具。汽车工业中大部分的塑料零部件，都要依靠模具成型。
3.模具的服役条件一般较为恶劣苛刻，常常会在服役过程中由于原材料的磨蚀或腐蚀而造成局部模区的磨损、裂纹和变形等缺陷，导致模具无法生产出合格产品而失效。模具制件产品具有结构和外形复杂、制造材料多样、制造工艺复杂、生产周期长和生产成本高等特点，因而采用适当的方法对这些在服役或制造过程中失效的模具进行修复或再制造，不仅可延长模具的使用寿命、降低企业成本，同时还可避免资源浪费。目前通常以模具整体为强化对象，采用化学热处理强化，表面熔覆强化，高密度能表面强化和模具钢的预硬化技术等表面强化技术对模具表面进行强化处理。但是该强化技术存在明显的局限性，且增加生产成本。例如工厂为了增强模具的耐磨性、抗疲劳性及抗塑性变形的性能，会在模具表面进行渗氮处理。但是渗氮处理工艺复杂、耗时长且成本较高。虽然经过渗氮处理后会在模具表面形成质地坚硬的氮化层，但是在循环应力的作用下会加剧生成机械裂纹，导致模具报废。
4.综上所述，如何克服上述缺陷，是本领域技术人员急需解决的问题。


技术实现要素：

5.本方案针对上文提到的问题和需求，提出一种塑料模具钢耐磨性能快速测试装置，其由于采取了如下技术方案而能够解决上述技术问题。
6.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种塑料模具钢耐磨性能快速测试装置，包括：激光熔融模块、分析调节模块、摩擦磨损模块和性能评估模块；
7.所述激光熔融模块用于控制激光束在金属模具表面进行分区域连续扫描，使得金属表面的快速熔化和冷却凝固，在试样表面制备不同面积占比的条纹状、网格状和密排状仿生耦合单元体模型；
8.所述分析调节模块与所述激光熔融模块相连接，所述分析调节模块用于分析仿生耦合单元体信息，并输出激光调节参数和接收仿生耦合单元体的反馈信息；
9.所述摩擦磨损模块用于通过摩擦装置对仿生耦合模具进行摩擦磨损，并对模具表面温度场、应力场分布和磨损量进行记录；
10.所述性能评估模块用于对所述分析调节模块的检测记录信息和所述摩擦磨损模块的记录数据进行分析，根据分析结果对仿生耦合模具进行寿命评估。
11.进一步地，所述激光熔融模块包括半导体激光器、激光控制模块、机械手工作台和冷却系统，所述半导体激光器和所述激光控制模块电连接；
12.所述半导体激光器的发射波长通过光纤输出后的激光能量在试样表面呈高斯分
布，所述激光控制模块用于接收所述分析调节模块的激光调节参数，根据所述激光调节参数控制所述半导体激光器在金属模具表面进行熔融，形成仿生耦合单元体，所述激光控制模块包括用于进行电流、脉宽、频率和离焦量调节的调节模块及机械手控制模块，所述机械手控制模块用于控制所述机械手工作台上的多自由度机械手臂转动，进而带动激光器进行多维运动，改变仿生耦合单元体间距，并实现多角度加工需求，所述冷却系统与所述半导体激光器相连接，用于进行高温冷却。
13.更进一步地，所述分析调节模块包括仿生耦合单元体结构检测模块、参数优化模块和信息反馈模块；
14.所述仿生耦合单元体结构检测模块包括切割装置、显微信息获取装置和第一信息记录模块，所述切割装置用于通过电火花线切割机对仿生耦合单元体进行横向切割处理得到观察试样，所述显微信息获取装置用于获取所述观察试样的图像信息，设计人员可通过所述图像信息进行进一步观察分析，还用于对仿生耦合单元体尺寸和仿生耦合单元体的显微硬度进行多次测量，并计算平均值，将平均值信息发送至所述第一信息记录模块进行记录，所述图像信息包括仿生耦合单元体横截面激光共焦照片、xrd衍射图谱、仿生耦合单元体表面环境场发射扫描电镜照片、仿生耦合单元体低倍hrtem照片和纳米颗粒表征信息；
15.所述参数优化模块用于获取仿生耦合模型，根据所述仿生耦合模型和仿生耦合单元体的反馈信息输出激光调节参数；
16.所述信息反馈模块用于接收所述仿生耦合单元体结构检测模块反馈的图像信息和所述摩擦磨损模块检测的磨损信息，所述磨损信息包括显微硬度分布曲线、磨损量对比图、对摩擦系数的影响折线图和磨损形貌图信息。
17.更进一步地，所述分析调节模块还包括仿生分布模型设计模块和仿生耦合数据库；
18.所述仿生分布模型设计模块用于根据仿生信息库中收集的仿生强化元素信息设计仿生耦合模型，将所述仿生耦合模型输入所述参数优化模块；
19.所述仿生耦合数据库用于存储基体材料、激光参数、耦合体、分布情况和仿生功能表面的信息，并进行关系关联和设置查询参数和字段。
20.更进一步地，所述摩擦磨损模块包括模拟磨损装置、磨损信息检测模块和第二信息记录模块；
21.所述模拟磨损装置用于对完成仿生耦合的仿生耦合模具进行模拟磨损，所述模拟磨损装置包括驱动电机、偏心轮、负载、摩擦副设备和磨损参数设置模块，所述驱动电机用于驱动所述偏心轮，带动所述摩擦副设备进行直线往复运动，对仿生耦合模具试样产生摩擦磨损，所述磨损参数设置模块用于设置负载重量、磨损时间、电机转速；
22.所述磨损信息检测模块用于对磨损后的仿生耦合模具试样磨损量和磨损形貌图片进行采集，还用于对模具表面温度场，应力场分布和磨损量进行实时检测，并将采集信息和检测信息发送至所述第二信息记录模块；
23.所述第二信息记录模块用于对仿生耦合模具试样的磨损前后信息进行对比关联记录，还用于对实时检测信息进行记录，并将记录信息上传至所述性能评估模块。
24.更进一步地，所述性能评估模块包括分析对比模块、模具寿命评估模块和评估报告输出模块；
25.所述分析对比模块用于对所述仿生耦合单元体结构检测模块的检测记录信息和所述摩擦磨损模块的记录数据进行分析对比，得到激光仿生耦合模型与磨损性能之间的对应关系；
26.所述模具寿命评估模块用于根据分析对比结果对不同区域进行仿生强化的仿生耦合模具进行寿命评估；
27.所述评估报告输出模块用于接收所述模具寿命评估模块得到的寿命评估结果，将所述寿命评估结果以可视化形式输出。
28.更进一步地，所述分析对比模块包括第一分析对比模块和第二对比分析模块；
29.所述第一分析对比模块用于获取多组激光加工参数、仿生耦合模型面积占比和试样单元体的显微组织特征的信息，进而得到不同疲劳温度和激光能量下仿生耦合模型对疲劳性能、磨损性能的影响规律；
30.所述第二对比分析模块用于分析模具表面分区域制备的不同的仿生耦合模型组合后的各信息，得到不同模型组合的仿生耦合表面分区域模具钢抗疲劳磨磨损性能的影响规律。
31.更进一步地，还包括缺陷检测模块，所述缺陷检测模块与所述激光熔融模块相连接，所述缺陷检测模块包括光学扫描装置和特征匹配分析模块，所述光学扫描装置用于获取仿生耦合单元体的三维扫描数据，将所述三维扫描数据发送至所述特征匹配分析模块，所述特征匹配分析模块将所述三维扫描数据与所述仿生耦合数据库中的耦合体模板特征信息进行对比，若对比结果一致，则无缺陷，否则，进行缺陷提醒和修正。
32.从上述的技术方案可以看出，本发明的有益效果是：本发明降低了模具性能优化成本，还可避免资源浪费，更好地提高模具的使用寿命，且操作灵活，节约了加工时间。
33.除了上面所描述的目的、特征和优点之外，下文中将结合附图对实施本发明的最优实施例进行更详尽的描述，以便能容易地理解本发明的特征和优点。
附图说明
34.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下文将对本发明实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，其中，附图仅仅用于展示本发明的一些实施例，而非将本发明的全部实施例限制于此。
35.图1为本发明一种塑料模具钢耐磨性能快速测试装置的组成结构示意图。
36.图2为本发明中激光熔融模块的组成结构示意图。
37.图3为本发明中分析调节模块的组成结构示意图。
38.图4为本发明中摩擦磨损模块的组成结构示意图。
39.图5为本发明中性能评估模块的组成结构示意图。
40.图6为本实施例中耐磨性能快速测试过程的流程示意图。
具体实施方式
41.为了使得本发明的技术方案的目的、技术方案和优点更加清楚，下文中将结合本发明具体实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。附图中相同的附图标记代表相同的部件。需要说明的是，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不
是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
42.本技术利用激光熔凝技术和生物耐磨结构的形态特征，针对常见汽车塑料模具钢p20模具钢的使用性能，选取具有抗疲劳磨损的仿生耦合模型，在模具表面分区域强化模具的抗疲劳磨损性能，分析不同模型组合的仿生耦合表面分区域模具钢抗疲劳磨磨损性能的影响，可降低模具性能优化成本和延长模具使用寿命。
43.如图1至图6所示，该塑料模具钢耐磨性能快速测试装置包括：激光熔融模块、分析调节模块、摩擦磨损模块和性能评估模块。
44.所述激光熔融模块用于控制激光束在金属模具表面进行分区域连续扫描，使得金属表面的快速熔化和冷却凝固，在试样表面制备不同面积占比的条纹状、网格状和密排状仿生耦合单元体模型，其中，将熔凝后的组织称作单元体，并且与基体构成软硬相间的仿生耦合结构，其可使得材料表面的抗疲劳磨损性能得到良好的改善。
45.具体地，所述激光熔融模块包括半导体激光器、激光控制模块、机械手工作台和冷却系统，所述半导体激光器和所述激光控制模块电连接；所述半导体激光器的发射波长通过光纤输出后的激光能量在试样表面呈高斯分布，所述激光控制模块用于接收所述分析调节模块的激光调节参数，根据所述激光调节参数控制所述半导体激光器在金属模具表面进行熔融，形成仿生耦合单元体，所述激光控制模块包括用于进行电流、脉宽、频率和离焦量调节的调节模块及机械手控制模块，所述机械手控制模块用于控制所述机械手工作台上的多自由度机械手臂转动，进而带动激光器进行多维运动，改变仿生耦合单元体间距，并实现多角度加工需求，所述冷却系统与所述半导体激光器相连接，用于进行高温冷却。
46.所述分析调节模块与所述激光熔融模块相连接，所述分析调节模块用于分析仿生耦合单元体信息，并输出激光调节参数和接收仿生耦合单元体的反馈信息。
47.具体地，所述分析调节模块包括仿生耦合单元体结构检测模块、参数优化模块和信息反馈模块；所述仿生耦合单元体结构检测模块包括切割装置、显微信息获取装置和第一信息记录模块，所述切割装置用于通过电火花线切割机对仿生耦合单元体进行横向切割处理得到观察试样，所述显微信息获取装置用于获取所述观察试样的图像信息，设计人员可通过所述图像信息进行进一步观察分析，还用于对仿生耦合单元体尺寸和仿生耦合单元体的显微硬度进行多次测量，并计算平均值，将平均值信息发送至所述第一信息记录模块进行记录，所述图像信息包括仿生耦合单元体横截面激光共焦照片、xrd衍射图谱、仿生耦合单元体表面环境场发射扫描电镜照片、仿生耦合单元体低倍hrtem照片和纳米颗粒表征信息，所述纳米颗粒表征信息包括tem表征和能谱曲线图等；所述参数优化模块用于获取仿生耦合模型，根据所述仿生耦合模型和仿生耦合单元体的反馈信息输出激光调节参数；所述信息反馈模块用于接收所述仿生耦合单元体结构检测模块反馈的图像信息和所述摩擦磨损模块检测的磨损信息，所述磨损信息包括显微硬度分布曲线、磨损量对比图、对摩擦系数的影响折线图和磨损形貌图信息。
48.在本实施例中，所述显微信息获取装置可采用电子显微镜、光学显微镜和显微硬度计等。
49.所述分析调节模块还包括仿生分布模型设计模块和仿生耦合数据库；所述仿生分布模型设计模块用于根据仿生信息库中收集的仿生强化元素信息设计仿生耦合模型，将所
述仿生耦合模型输入所述参数优化模块；所述仿生耦合数据库用于存储基体材料、激光参数、耦合体、分布情况和仿生功能表面的信息，并进行关系关联和设置查询参数和字段。
50.在本实施例中，所述模具基体材料包括吸收率、热导率、热扩散系数、粗糙度、热处理状态和化学组成，所述激光参数包括环境温度、扫描速度、平均峰值功率、电流、离焦量、能量、脉宽、频率、光斑直径和气压，所述耦合体包括形貌卷度、凸起高度、下凹深度、平均硬度、横截面积、结构深度、结构宽度等，所述分布情况包括间距和角度，仿生功能表面的信息包括抗拉强度、延伸率和屈服强度等。
51.所述摩擦磨损模块用于通过摩擦装置对仿生耦合模具进行摩擦磨损，并对模具表面温度场、应力场分布和磨损量进行记录。所述摩擦磨损模块包括模拟磨损装置、磨损信息检测模块和第二信息记录模块；所述模拟磨损装置用于对完成仿生耦合的仿生耦合模具进行模拟磨损，所述模拟磨损装置包括驱动电机、偏心轮、负载、摩擦副设备和磨损参数设置模块，所述驱动电机用于驱动所述偏心轮，带动所述摩擦副设备进行直线往复运动，对仿生耦合模具试样产生摩擦磨损，所述磨损参数设置模块用于设置负载重量、磨损时间、电机转速；所述磨损信息检测模块用于对磨损后的仿生耦合模具试样磨损量和磨损形貌图片进行采集，还用于对模具表面温度场，应力场分布和磨损量进行实时检测，并将采集信息和检测信息发送至所述第二信息记录模块；所述第二信息记录模块用于对仿生耦合模具试样的磨损前后信息进行对比关联记录，还用于对实时检测信息进行记录，并将记录信息上传至所述性能评估模块。
52.所述性能评估模块用于对所述分析调节模块的检测记录信息和所述摩擦磨损模块的记录数据进行分析，根据分析结果对仿生耦合模具进行寿命评估。
53.所述性能评估模块包括分析对比模块、模具寿命评估模块和评估报告输出模块；所述分析对比模块用于对所述仿生耦合单元体结构检测模块的检测记录信息和所述摩擦磨损模块的记录数据进行分析对比，得到激光仿生耦合模型与磨损性能之间的对应关系；所述模具寿命评估模块用于根据分析对比结果对不同区域进行仿生强化的仿生耦合模具进行寿命评估；所述评估报告输出模块用于接收所述模具寿命评估模块得到的寿命评估结果，将所述寿命评估结果以可视化形式输出，其中，所述分析对比模块包括第一分析对比模块和第二对比分析模块；所述第一分析对比模块用于获取多组激光加工参数、仿生耦合模型面积占比和试样单元体的显微组织特征的信息，进而得到不同疲劳温度和激光能量下仿生耦合模型对疲劳性能、磨损性能的影响规律，而通过控制热疲劳温度，激光能量和耦合仿生模型的单一变量总结影响模具疲劳磨损性能的主次因素；所述第二对比分析模块用于分析模具表面分区域制备的不同的仿生耦合模型组合后的各信息，得到不同模型组合的仿生耦合表面分区域模具钢抗疲劳磨磨损性能的影响规律。
54.本发明还包括缺陷检测模块，所述缺陷检测模块与所述激光熔融模块相连接，所述缺陷检测模块包括光学扫描装置和特征匹配分析模块，所述光学扫描装置用于获取仿生耦合单元体的三维扫描数据，将所述三维扫描数据发送至所述特征匹配分析模块，所述特征匹配分析模块将所述三维扫描数据与所述仿生耦合数据库中的耦合体模板特征信息进行对比，若对比结果一致，则无缺陷，否则，进行缺陷提醒和修正。进行缺陷检测有利于剔除缺陷试样，提高性能测试的准确性。
55.激光熔凝技术是一种激光表面强化技术，它利用功率密度很高的激光束在金属表
面进行连续扫描，激光与金属产生交互作用使金属表面瞬时被加热到很高的温度，从而使得金属表面的快速熔化，由于熔化的金属表面与冷基体之间存在了很大的温度梯度，激光束离开后，金属表面的熔化层以极大的速度冷却凝固，使金属表面产生了一种特殊的微观结构。
56.激光仿生耦合技术是高功率密度激光在极短时间内与金属相互作用的加工方法。在激光加工系统的数控控制下，在基体表面指定位置形成一层熔融层，与基体金属形成良好的冶金结合，相互稀释程度很小。然后，在液态金属基体的吸热和透射作用下，模具表面金属与基体材料发生完全不同的快速凝固过程，可以保持熔融层独特的性能。这可以完全改变材料的表面特性，使其具有极高的耐磨性、耐腐蚀性、耐高温性等。
57.金属经过激光熔凝处理后，会在其表面形成一层晶粒较细的近均质改性层，微观结构与基体内部组织差别较大，可以提高材料耐磨性能。
58.在本实施例中，经过激光仿生强化可在p20塑料模具钢表面获得组织致密，晶粒细化，深度大，与基体结合牢固的强化层，采用激光仿生强化对模具表面进行强化，将大大提高模具的使用寿命。经过激光仿生强化层硬度600hv0.3以上，试样的耐磨损性能比预硬化的基材提高25％以上。
59.如图6所示，本发明耐磨性能快速测试的过程如下：
60.s1：激光熔融模块和分析调节模块利用激光仿生耦合技术采用不同激光参数和能量，在试样表面制备不同面积占比的条纹状、网格状和密排状仿生耦合模型，然后分析仿生耦合单元体微观组织，物相组成以及显微硬度分布，调节激光参数和输出能量进行分析，研究不同激光参数和输出能量对仿生耦合单元体截面形态的影响；
61.s2：对试样进行摩擦磨损，分析仿生耦合单元体对热疲劳裂纹的萌生与扩展和摩擦磨损机理，推断影响磨损性能的主要因素，得到激光仿生耦合模型与磨损性能之间的对应关系，推断出性能优异的仿生耦合模；
62.s3：利用ansys19.0软件对模具表面温度场，应力场分布和磨损量进行分析，根据所得激光仿生耦合模型与磨损性能之间的对应关系，在模具表面匹配加工出适当仿生耦合模型组合，并进行实际生产实验；
63.s4：通过对比具有仿生耦合模型组合的模具与未处理模具之间的表面磨损量，对仿生耦合模具进行寿命评估，输出寿命评估报告。
64.在加工制造行业中，对大型锻造模具表面进行分区域强化，增强模具的表面抗疲劳磨损性能，提升模具的精度和延长使用寿命具有巨大的应用价值和重要的实际意义。
65.应当说明的是，本发明所述的实施方式仅仅是实现本发明的优选方式，对属于本发明整体构思，而仅仅是显而易见的改动，均应属于本发明的保护范围之内。