轴类零件激光熔覆再制造及表面强化用机床*

2024-01-09丁紫阳李连荣刘永超马宗彬

装备机械 2023年4期

□ 丁紫阳 □ 李连荣 □ 刘永超 □ 马宗彬

1.郑州职业技术学院新材料工程学院郑州 450121 2.河南省耐磨再制造工程技术研究中心郑州 450001

1 设计背景

轴类零件作为机械装备常用的件、传递扭矩、承受载荷等。在实际使用过程中,轴类零件常常因为磨损、腐蚀、变形、疲劳、断裂等原因而失效,导致机械装备无法正常使用。更换轴类零件,不仅消耗时间,而且降低生产效率,同时增加生产成本。换下的失效轴类零件如果直接报废,那么既浪费原材料,又会增加环境负担,不利于环境保护。随着制造业转型升级,再制造技术凭借节能、节材、高效等优势逐渐引起各国的关注与重视。近年来,国家大力推进节能减排,发展循环经济。通过对失效零件再制造,不仅可以恢复零件的使用性能,延长使用寿命,而且能够节能节材,使成本更低。由此,关于失效零件再制造的研究与应用越来越多。目前,轴类零件再制造主要采用堆焊、喷涂、等离子弧焊等,这些方法虽然取得了较好的应用效果,但是仍然存在不足。例如堆焊过程热量大,零件易变形,喷涂后涂层接合力不足,零件再制造后性能提升有限。激光熔覆作为一种先进的表面处理技术,凭借热输入少、接合力大、操作简单等优势,在工业生产中的应用越来越多,既可用于报废失效零件的再制造,也能用于新品零件的表面强化。轴类零件加工对水平调心和配合精度要求较高,失效轴类零件圆度、圆柱度、直线度等不规则,采用通用的激光熔覆机床,加工效率较低。为更加方便、快捷地实现轴类零件再制造与表面强化,笔者设计了轴类零件激光熔覆再制造及表面强化用机床。

2 设计方案

轴类零件激光熔覆再制造及表面强化用机床主要由工作台、轴类零件驱动机构、执行机构、激光器、控制系统、冷却系统、送粉系统等组成,工作原理如图1所示。

图1 机床工作原理

轴类零件驱动机构主要包括机架、动力头、液压尾座等。动力头是轴类零件旋转的驱动系统,主轴采用前后轴承支撑,以保证具有良好的刚性,满足轴类零件激光熔覆再制造和表面强化过程中对精度的要求。卡盘和主轴前端连接盘连接在一起,通过卡盘夹持轴类零件,在驱动系统的驱动下做旋转运动。驱动系统采用交流伺服无级调速,恒转矩输出,速度平稳,低速时启动、停止动作迅捷,调整速度范围广,可以满足多种轴类零件激光熔覆速度的需要。

执行机构主要包括机床执行机构和激光器执行机构。机床执行机构包括机床控制柜、移动导轨、装夹卡盘、顶紧组件等。激光器执行机构由立柱、纵梁,以及激光器纵向、横向、上下调整机构等组成。

激光器的类型众多,常用的有二氧化碳激光器、钇铝石榴石晶体激光器、半导体激光器、光纤激光器等,发射激光的光束质量直接影响机床对轴类零件激光熔覆再制造及表面强化的效果。根据不同类型激光器的性能特点及轴类零件激光熔覆对光斑尺寸、激光功率密度、激光熔覆质量、效率的要求,选用大功率半导体激光器。

控制系统对机床的可操作性有重要影响。控制系统采用主流数控系统,内嵌开放式可编程序控制器、宏指令,并在数控系统中进行二次开发。操作者只需要在数控系统人机操控界面中输入轴类零件规格,包括轴的直径和熔覆长度,并根据工件技术要求设定激光熔覆工艺参数,如激光熔覆速度、螺距等,一键启动,机床就会根据工艺参数自动送粉、开启保护气、出光,并按照设定的参数实现轴类零件的激光熔覆。

冷却系统是机床的重要组成部分,主要用于激光器及激光控制单元的冷却。激光器在工作过程中会产生大量热量,需要通过热交换将所产生的热量导出,以保证激光器稳定工作。冷却系统采用国产高端双循环水冷机,确保机床在对轴类零件激光熔覆再制造和表面强化时长周期稳定运行。

精确、稳定的送粉系统是保证轴类零件激光熔覆再制造及表面强化效果的关键。送粉系统主要包括送粉器、送粉嘴,以及用于调整送粉嘴与轴类零件距离的横向、纵向、上下移动机构。

3 结构

在设计轴类零件激光熔覆再制造及表面强化用机床结构之前,对市场上的激光熔覆机床进行全面调研。针对现有激光熔覆机床对轴类零件激光熔覆过程中存在的装夹调心不便、设备操作复杂、粉末利用率低、适用尺寸有限、加工效率低等不足,结合轴类零件激光熔覆再制造及表面强化生产过程中对机床的要求,进行结构设计。轴类零件激光熔覆再制造及表面强化用机床结构如图2所示。

图2 机床结构

4 功能特点

(1) 操作方便。机床主要用于轴类零件激光熔覆再制造及表面强化,解决通用激光熔覆机床在对轴类零件激光熔覆时装夹不方便、操作复杂等问题。使用时,只需将轴类零件装夹在机床上,在送粉器中预先装入所需的激光熔覆粉末,通过操作机床控制面板,即可方便快捷地实现激光熔覆参数调整,以及机床冷却系统、送粉系统、执行机构、激光器等的全面控制,自动化程度高,易于操作。

(2) 便于装夹。机床在设计时,综合考虑结构、制造难度、操作便捷性等因素,使设计的机床更加简单、合理。为便于轴类零件的装夹,设计了顶紧组件。顶紧组件包含顶紧控制箱、电机、支撑座、顶紧轴、顶尖等。通过齿轮与齿条的啮合运动,实现顶紧组件与旋转卡盘之间水平距离的调整。通过顶紧控制面板,实现对电机及顶紧轴的控制,使顶尖将轴类零件顶紧,方便快捷地完成轴类零件的装夹。

(3) 加工范围大,效率高。机床采用卧式四轴结构,选用大尺寸旋转卡盘,增大纵梁高度,延长工作台长度,可加工轴类零件的最大直径为800 mm,最大长度为3 500 mm,基本上能满足常用机械装备轴类零件激光熔覆再制造及表面强化的需求。选用大功率半导体激光器,光斑设置为大尺寸矩形光斑,以获得大的激光熔覆道宽,提升机床对轴类零件的激光熔覆加工效率。各种尺寸的轴类零件在机床上装夹完毕后,可以通过机床控制面板控制横向、纵向、上下移动机构,快速调整送粉嘴与轴类零件之间的距离,不仅有利于提升机床的激光熔覆质量,而且大大提高机床的工作效率。

(4) 粉末利用率高,节约成本。一方面,机床采用高精度送粉器,实现机床对轴类零件激光熔覆时粉末输送的精确控制,从源头上尽可能避免粉末浪费。另一方面,在机床工作台移动导轨上设计了拆卸与固定方便的粉末回收盘。在机床对轴类零件激光熔覆再制造及表面强化过程中,不可避免地存在部分未完全反应粉末,通过粉末回收盘,可以对这些粉末进行回收,提高粉末利用率,节约生产成本。

(5) 应用前景广阔。机床可应用行业多,可以对机械、冶金、煤矿、电力、石油、汽车等行业常用装备的轴类零件进行激光熔覆再制造及表面强化,包括机械行业中的破碎机主轴、掘进机轴,冶金行业中的轧机传动轴、轧辊,煤矿行业中的液压支架立柱、运输机齿轮轴,冶金行业中的电机主轴、水轮机轴,石油行业中的抽油杆、钻柱,汽车行业中的曲轴、汽车轮轴等。在国家大力推进节能减排,发展循环经济,制造业转型升级的背景下,轴类零件激光熔覆再制造及表面强化用机床具有广阔的应用前景。