軸類零件激光熔覆再制造及表面強化用機床*

□ 丁紫陽 □ 李連榮 □ 劉永超 □ 馬宗彬

1.鄭州職業技術學院 新材料工程學院 鄭州 450121 2.河南省耐磨再制造工程技術研究中心 鄭州 450001

1 設計背景

軸類零件作為機械裝備常用的件、傳遞扭矩、承受載荷等。在實際使用過程中,軸類零件常常因為磨損、腐蝕、變形、疲勞、斷裂等原因而失效,導致機械裝備無法正常使用。更換軸類零件,不僅消耗時間,而且降低生產效率,同時增加生產成本。換下的失效軸類零件如果直接報廢,那么既浪費原材料,又會增加環境負擔,不利于環境保護。隨著制造業轉型升級,再制造技術憑借節能、節材、高效等優勢逐漸引起各國的關注與重視。近年來,國家大力推進節能減排,發展循環經濟。通過對失效零件再制造,不僅可以恢復零件的使用性能,延長使用壽命,而且能夠節能節材,使成本更低。由此,關于失效零件再制造的研究與應用越來越多。目前,軸類零件再制造主要采用堆焊、噴涂、等離子弧焊等,這些方法雖然取得了較好的應用效果,但是仍然存在不足。例如堆焊過程熱量大,零件易變形,噴涂后涂層接合力不足,零件再制造后性能提升有限。激光熔覆作為一種先進的表面處理技術,憑借熱輸入少、接合力大、操作簡單等優勢,在工業生產中的應用越來越多,既可用于報廢失效零件的再制造,也能用于新品零件的表面強化。軸類零件加工對水平調心和配合精度要求較高,失效軸類零件圓度、圓柱度、直線度等不規則,采用通用的激光熔覆機床,加工效率較低。為更加方便、快捷地實現軸類零件再制造與表面強化,筆者設計了軸類零件激光熔覆再制造及表面強化用機床。

2 設計方案

軸類零件激光熔覆再制造及表面強化用機床主要由工作臺、軸類零件驅動機構、執行機構、激光器、控制系統、冷卻系統、送粉系統等組成,工作原理如圖1所示。

圖1 機床工作原理

軸類零件驅動機構主要包括機架、動力頭、液壓尾座等。動力頭是軸類零件旋轉的驅動系統,主軸采用前后軸承支撐,以保證具有良好的剛性,滿足軸類零件激光熔覆再制造和表面強化過程中對精度的要求?？ūP和主軸前端連接盤連接在一起,通過卡盤夾持軸類零件,在驅動系統的驅動下做旋轉運動。驅動系統采用交流伺服無級調速,恒轉矩輸出,速度平穩,低速時啟動、停止動作迅捷,調整速度范圍廣,可以滿足多種軸類零件激光熔覆速度的需要。

執行機構主要包括機床執行機構和激光器執行機構。機床執行機構包括機床控制柜、移動導軌、裝夾卡盤、頂緊組件等。激光器執行機構由立柱、縱梁,以及激光器縱向、橫向、上下調整機構等組成。

激光器的類型眾多,常用的有二氧化碳激光器、釔鋁石榴石晶體激光器、半導體激光器、光纖激光器等,發射激光的光束質量直接影響機床對軸類零件激光熔覆再制造及表面強化的效果。根據不同類型激光器的性能特點及軸類零件激光熔覆對光斑尺寸、激光功率密度、激光熔覆質量、效率的要求,選用大功率半導體激光器。

控制系統對機床的可操作性有重要影響?？刂葡到y采用主流數控系統,內嵌開放式可編程序控制器、宏指令,并在數控系統中進行二次開發。操作者只需要在數控系統人機操控界面中輸入軸類零件規格,包括軸的直徑和熔覆長度,并根據工件技術要求設定激光熔覆工藝參數,如激光熔覆速度、螺距等,一鍵啟動,機床就會根據工藝參數自動送粉、開啟保護氣、出光,并按照設定的參數實現軸類零件的激光熔覆。

冷卻系統是機床的重要組成部分,主要用于激光器及激光控制單元的冷卻。激光器在工作過程中會產生大量熱量,需要通過熱交換將所產生的熱量導出,以保證激光器穩定工作。冷卻系統采用國產高端雙循環水冷機,確保機床在對軸類零件激光熔覆再制造和表面強化時長周期穩定運行。

精確、穩定的送粉系統是保證軸類零件激光熔覆再制造及表面強化效果的關鍵。送粉系統主要包括送粉器、送粉嘴,以及用于調整送粉嘴與軸類零件距離的橫向、縱向、上下移動機構。

3 結構

在設計軸類零件激光熔覆再制造及表面強化用機床結構之前,對市場上的激光熔覆機床進行全面調研。針對現有激光熔覆機床對軸類零件激光熔覆過程中存在的裝夾調心不便、設備操作復雜、粉末利用率低、適用尺寸有限、加工效率低等不足,結合軸類零件激光熔覆再制造及表面強化生產過程中對機床的要求,進行結構設計。軸類零件激光熔覆再制造及表面強化用機床結構如圖2所示。

圖2 機床結構

4 功能特點

(1) 操作方便。機床主要用于軸類零件激光熔覆再制造及表面強化,解決通用激光熔覆機床在對軸類零件激光熔覆時裝夾不方便、操作復雜等問題。使用時,只需將軸類零件裝夾在機床上,在送粉器中預先裝入所需的激光熔覆粉末,通過操作機床控制面板,即可方便快捷地實現激光熔覆參數調整,以及機床冷卻系統、送粉系統、執行機構、激光器等的全面控制,自動化程度高,易于操作。

(2) 便于裝夾。機床在設計時,綜合考慮結構、制造難度、操作便捷性等因素,使設計的機床更加簡單、合理。為便于軸類零件的裝夾,設計了頂緊組件。頂緊組件包含頂緊控制箱、電機、支撐座、頂緊軸、頂尖等。通過齒輪與齒條的嚙合運動,實現頂緊組件與旋轉卡盤之間水平距離的調整。通過頂緊控制面板,實現對電機及頂緊軸的控制,使頂尖將軸類零件頂緊,方便快捷地完成軸類零件的裝夾。

(3) 加工范圍大,效率高。機床采用臥式四軸結構,選用大尺寸旋轉卡盤,增大縱梁高度,延長工作臺長度,可加工軸類零件的最大直徑為800 mm,最大長度為3 500 mm,基本上能滿足常用機械裝備軸類零件激光熔覆再制造及表面強化的需求。選用大功率半導體激光器,光斑設置為大尺寸矩形光斑,以獲得大的激光熔覆道寬,提升機床對軸類零件的激光熔覆加工效率。各種尺寸的軸類零件在機床上裝夾完畢后,可以通過機床控制面板控制橫向、縱向、上下移動機構,快速調整送粉嘴與軸類零件之間的距離,不僅有利于提升機床的激光熔覆質量,而且大大提高機床的工作效率。

(4) 粉末利用率高,節約成本。一方面,機床采用高精度送粉器,實現機床對軸類零件激光熔覆時粉末輸送的精確控制,從源頭上盡可能避免粉末浪費。另一方面,在機床工作臺移動導軌上設計了拆卸與固定方便的粉末回收盤。在機床對軸類零件激光熔覆再制造及表面強化過程中,不可避免地存在部分未完全反應粉末,通過粉末回收盤,可以對這些粉末進行回收,提高粉末利用率,節約生產成本。

(5) 應用前景廣闊。機床可應用行業多,可以對機械、冶金、煤礦、電力、石油、汽車等行業常用裝備的軸類零件進行激光熔覆再制造及表面強化,包括機械行業中的破碎機主軸、掘進機軸,冶金行業中的軋機傳動軸、軋輥,煤礦行業中的液壓支架立柱、運輸機齒輪軸,冶金行業中的電機主軸、水輪機軸,石油行業中的抽油桿、鉆柱,汽車行業中的曲軸、汽車輪軸等。在國家大力推進節能減排,發展循環經濟,制造業轉型升級的背景下,軸類零件激光熔覆再制造及表面強化用機床具有廣闊的應用前景。

5 制造要求

軸類零件激光熔覆再制造及表面強化用機床制造時需要注意四個方面。

(1) 由于機床的機架為型鋼和鋼板組焊結構,因此為了保證機床工作過程中的穩定性,機架焊后要進行消除應力處理。

(2) 激光器是機床的核心部件,為了保證激光器的安全性,對于激光器三維調整機構,在行程的極限位置除了設置電氣限位開關,還必須設計機械限位。

(3) 為了保證機床對軸類零件激光熔覆動作的準確性和精度,用于激光器調整的滑座安裝在縱梁上設置的精密線性導軌上?；ㄟ^伺服電機、精密行星減速機、齒輪齒條副構成的傳動鏈驅動。在機床工作過程中,滑座帶動激光器做縱向移動,移動速度可交流伺服無級調節,滿足螺旋熔覆的需要。

(4) 機床的各種控制電纜和管道設置在專設的電纜拖鏈內,不僅可以保護電纜、管道,延長使用壽命,而且可以使機床整體布局整齊、美觀。

6 應用效果

將軸類零件激光熔覆再制造及表面強化用機床接通電源,把待加工的軸類零件按照裝夾要求在機床上裝夾完畢,并在機床控制面板上設置好激光熔覆相關參數,執行激光熔覆命令,即可實現軸類零件的激光熔覆。

軸類零件激光熔覆工作現場如圖3所示。

圖3 軸類零件激光熔覆工作現場

機床在對軸類零件激光熔覆過程中結構穩定,運行可靠。機床既可以用于軸類零件再制造,也可以用于軸類零件表面強化,應用效果可以從兩個方面進行分析。

為檢驗機床對軸類零件激光熔覆再制造的應用效果,選取軸類零件液壓支架立柱,采用機床對其進行激光熔覆再制造,液壓支架立柱激光熔覆再制造前后對比如圖4所示。

圖4 液壓支架立柱激光熔覆再制造前后對比

由圖4可見,失效報廢的液壓支架立柱經激光熔覆再制造后,已經磨損、腐蝕的表面被均勻的激光熔覆層所覆蓋,激光熔覆時選用耐磨耐蝕性好的激光熔覆粉末,即可在軸類零件表面形成性能較好的激光熔覆層,恢復軸類零件的表面性能,實現液壓支架立柱的再制造。

為檢驗機床對軸類零件激光熔覆表面強化的應用效果,選取軸類零件液壓支架中缸進行表面強化。礦井下復雜的環境對液壓支架中缸具有腐蝕作用,要提升液壓支架中缸的性能,在使用前可以進行表面強化。采用機床對液壓支架中缸進行激光熔覆表面強化,液壓支架中缸激光熔覆表面強化前后對比如圖5所示。

圖5 液壓支架中缸激光熔覆表面強化前后對比

由圖5可知,新品液壓支架中缸進行激光熔覆表面強化,可以在表面獲得一層組織致密的激光熔覆層。激光熔覆時選擇耐腐蝕性優良的粉末,可以顯著提升液壓支架中缸表面的耐腐蝕性,實現液壓支架中缸的激光熔覆表面強化。

7 結束語

針對機械裝備中軸類零件失效報廢現象,結合實際生產中軸類零件再制造及表面強化的大量需求及缺少專用機床的現狀,設計了一種軸類零件激光熔覆再制造及表面強化用機床。這一機床結構簡單,便于裝夾,操作方便,粉末利用率高,適用于多個行業多種尺寸軸類零件的加工,具有廣闊的應用前景。

在機床中設計了由頂緊控制箱、電機、支撐座、頂緊軸、頂尖等組成的頂緊組件,可以簡單快速地將軸類零件裝夾固定。機床采用精密線性導軌,保證了機床的運動精度。

機床經過實際測試,在對軸類零件加工時穩定可靠。采用機床對軸類零件激光熔覆再制造,應用效果顯著,激光熔覆再制造的失效軸類零件恢復了使用性能。對軸類零件表面強化,可以在新品軸類零件表面制備激光熔覆層,提升軸類零件的表面性能。綜合而言,所設計的軸類零件激光熔覆再制造及表面強化用機床取得了良好的應用效果。