軸類零件激光熔覆再制造及表面強(qiáng)化用機(jī)床*

□ 丁紫陽 □ 李連榮 □ 劉永超 □ 馬宗彬

1.鄭州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 新材料工程學(xué)院 鄭州 450121 2.河南省耐磨再制造工程技術(shù)研究中心 鄭州 450001

1 設(shè)計(jì)背景

軸類零件作為機(jī)械裝備常用的件、傳遞扭矩、承受載荷等。在實(shí)際使用過程中,軸類零件常常因?yàn)槟p、腐蝕、變形、疲勞、斷裂等原因而失效,導(dǎo)致機(jī)械裝備無法正常使用。更換軸類零件,不僅消耗時(shí)間,而且降低生產(chǎn)效率,同時(shí)增加生產(chǎn)成本。換下的失效軸類零件如果直接報(bào)廢,那么既浪費(fèi)原材料,又會增加環(huán)境負(fù)擔(dān),不利于環(huán)境保護(hù)。隨著制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級,再制造技術(shù)憑借節(jié)能、節(jié)材、高效等優(yōu)勢逐漸引起各國的關(guān)注與重視。近年來,國家大力推進(jìn)節(jié)能減排,發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)。通過對失效零件再制造,不僅可以恢復(fù)零件的使用性能,延長使用壽命,而且能夠節(jié)能節(jié)材,使成本更低。由此,關(guān)于失效零件再制造的研究與應(yīng)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(yīng)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(jìn)的表面處理技術(shù),憑借熱輸入少、接合力大、操作簡單等優(yōu)勢,在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用越來越多,既可用于報(bào)廢失效零件的再制造,也能用于新品零件的表面強(qiáng)化。軸類零件加工對水平調(diào)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(guī)則,采用通用的激光熔覆機(jī)床,加工效率較低。為更加方便、快捷地實(shí)現(xiàn)軸類零件再制造與表面強(qiáng)化,筆者設(shè)計(jì)了軸類零件激光熔覆再制造及表面強(qiáng)化用機(jī)床。

2 設(shè)計(jì)方案

軸類零件激光熔覆再制造及表面強(qiáng)化用機(jī)床主要由工作臺、軸類零件驅(qū)動機(jī)構(gòu)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、激光器、控制系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、送粉系統(tǒng)等組成,工作原理如圖1所示。

圖1 機(jī)床工作原理

軸類零件驅(qū)動機(jī)構(gòu)主要包括機(jī)架、動力頭、液壓尾座等。動力頭是軸類零件旋轉(zhuǎn)的驅(qū)動系統(tǒng),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(qiáng)化過程中對精度的要求。卡盤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(qū)動系統(tǒng)的驅(qū)動下做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。驅(qū)動系統(tǒng)采用交流伺服無級調(diào)速,恒轉(zhuǎn)矩輸出,速度平穩(wěn),低速時(shí)啟動、停止動作迅捷,調(diào)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(zhí)行機(jī)構(gòu)主要包括機(jī)床執(zhí)行機(jī)構(gòu)和激光器執(zhí)行機(jī)構(gòu)。機(jī)床執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括機(jī)床控制柜、移動導(dǎo)軌、裝夾卡盤、頂緊組件等。激光器執(zhí)行機(jī)構(gòu)由立柱、縱梁,以及激光器縱向、橫向、上下調(diào)整機(jī)構(gòu)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(dǎo)體激光器、光纖激光器等,發(fā)射激光的光束質(zhì)量直接影響機(jī)床對軸類零件激光熔覆再制造及表面強(qiáng)化的效果。根據(jù)不同類型激光器的性能特點(diǎn)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(zhì)量、效率的要求,選用大功率半導(dǎo)體激光器。

控制系統(tǒng)對機(jī)床的可操作性有重要影響?？刂葡到y(tǒng)采用主流數(shù)控系統(tǒng),內(nèi)嵌開放式可編程序控制器、宏指令,并在數(shù)控系統(tǒng)中進(jìn)行二次開發(fā)。操作者只需要在數(shù)控系統(tǒng)人機(jī)操控界面中輸入軸類零件規(guī)格,包括軸的直徑和熔覆長度,并根據(jù)工件技術(shù)要求設(shè)定激光熔覆工藝參數(shù),如激光熔覆速度、螺距等,一鍵啟動,機(jī)床就會根據(jù)工藝參數(shù)自動送粉、開啟保護(hù)氣、出光,并按照設(shè)定的參數(shù)實(shí)現(xiàn)軸類零件的激光熔覆。

冷卻系統(tǒng)是機(jī)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(chǎn)生大量熱量,需要通過熱交換將所產(chǎn)生的熱量導(dǎo)出,以保證激光器穩(wěn)定工作。冷卻系統(tǒng)采用國產(chǎn)高端雙循環(huán)水冷機(jī),確保機(jī)床在對軸類零件激光熔覆再制造和表面強(qiáng)化時(shí)長周期穩(wěn)定運(yùn)行。

精確、穩(wěn)定的送粉系統(tǒng)是保證軸類零件激光熔覆再制造及表面強(qiáng)化效果的關(guān)鍵。送粉系統(tǒng)主要包括送粉器、送粉嘴,以及用于調(diào)整送粉嘴與軸類零件距離的橫向、縱向、上下移動機(jī)構(gòu)。

3 結(jié)構(gòu)

在設(shè)計(jì)軸類零件激光熔覆再制造及表面強(qiáng)化用機(jī)床結(jié)構(gòu)之前,對市場上的激光熔覆機(jī)床進(jìn)行全面調(diào)研。針對現(xiàn)有激光熔覆機(jī)床對軸類零件激光熔覆過程中存在的裝夾調(diào)心不便、設(shè)備操作復(fù)雜、粉末利用率低、適用尺寸有限、加工效率低等不足,結(jié)合軸類零件激光熔覆再制造及表面強(qiáng)化生產(chǎn)過程中對機(jī)床的要求,進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。軸類零件激光熔覆再制造及表面強(qiáng)化用機(jī)床結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 機(jī)床結(jié)構(gòu)

4 功能特點(diǎn)

(1) 操作方便。機(jī)床主要用于軸類零件激光熔覆再制造及表面強(qiáng)化,解決通用激光熔覆機(jī)床在對軸類零件激光熔覆時(shí)裝夾不方便、操作復(fù)雜等問題。使用時(shí),只需將軸類零件裝夾在機(jī)床上,在送粉器中預(yù)先裝入所需的激光熔覆粉末,通過操作機(jī)床控制面板,即可方便快捷地實(shí)現(xiàn)激光熔覆參數(shù)調(diào)整,以及機(jī)床冷卻系統(tǒng)、送粉系統(tǒng)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、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(jī)床在設(shè)計(jì)時(shí),綜合考慮結(jié)構(gòu)、制造難度、操作便捷性等因素,使設(shè)計(jì)的機(jī)床更加簡單、合理。為便于軸類零件的裝夾,設(shè)計(jì)了頂緊組件。頂緊組件包含頂緊控制箱、電機(jī)、支撐座、頂緊軸、頂尖等。通過齒輪與齒條的嚙合運(yùn)動,實(shí)現(xiàn)頂緊組件與旋轉(zhuǎn)卡盤之間水平距離的調(diào)整。通過頂緊控制面板,實(shí)現(xiàn)對電機(jī)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(jī)床采用臥式四軸結(jié)構(gòu),選用大尺寸旋轉(zhuǎn)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(jī)械裝備軸類零件激光熔覆再制造及表面強(qiáng)化的需求。選用大功率半導(dǎo)體激光器,光斑設(shè)置為大尺寸矩形光斑,以獲得大的激光熔覆道寬,提升機(jī)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(jī)床上裝夾完畢后,可以通過機(jī)床控制面板控制橫向、縱向、上下移動機(jī)構(gòu),快速調(diào)整送粉嘴與軸類零件之間的距離,不僅有利于提升機(jī)床的激光熔覆質(zhì)量,而且大大提高機(jī)床的工作效率。

(4) 粉末利用率高,節(jié)約成本。一方面,機(jī)床采用高精度送粉器,實(shí)現(xiàn)機(jī)床對軸類零件激光熔覆時(shí)粉末輸送的精確控制,從源頭上盡可能避免粉末浪費(fèi)。另一方面,在機(jī)床工作臺移動導(dǎo)軌上設(shè)計(jì)了拆卸與固定方便的粉末回收盤。在機(jī)床對軸類零件激光熔覆再制造及表面強(qiáng)化過程中,不可避免地存在部分未完全反應(yīng)粉末,通過粉末回收盤,可以對這些粉末進(jìn)行回收,提高粉末利用率,節(jié)約生產(chǎn)成本。

(5) 應(yīng)用前景廣闊。機(jī)床可應(yīng)用行業(yè)多,可以對機(jī)械、冶金、煤礦、電力、石油、汽車等行業(yè)常用裝備的軸類零件進(jìn)行激光熔覆再制造及表面強(qiáng)化,包括機(jī)械行業(yè)中的破碎機(jī)主軸、掘進(jìn)機(jī)軸,冶金行業(yè)中的軋機(jī)傳動軸、軋輥,煤礦行業(yè)中的液壓支架立柱、運(yùn)輸機(jī)齒輪軸,冶金行業(yè)中的電機(jī)主軸、水輪機(jī)軸,石油行業(yè)中的抽油桿、鉆柱,汽車行業(yè)中的曲軸、汽車輪軸等。在國家大力推進(jìn)節(jié)能減排,發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì),制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級的背景下,軸類零件激光熔覆再制造及表面強(qiáng)化用機(jī)床具有廣闊的應(yīng)用前景。

5 制造要求

軸類零件激光熔覆再制造及表面強(qiáng)化用機(jī)床制造時(shí)需要注意四個(gè)方面。

(1) 由于機(jī)床的機(jī)架為型鋼和鋼板組焊結(jié)構(gòu),因此為了保證機(jī)床工作過程中的穩(wěn)定性,機(jī)架焊后要進(jìn)行消除應(yīng)力處理。

(2) 激光器是機(jī)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(diào)整機(jī)構(gòu),在行程的極限位置除了設(shè)置電氣限位開關(guān),還必須設(shè)計(jì)機(jī)械限位。

(3) 為了保證機(jī)床對軸類零件激光熔覆動作的準(zhǔn)確性和精度,用于激光器調(diào)整的滑座安裝在縱梁上設(shè)置的精密線性導(dǎo)軌上。滑座通過伺服電機(jī)、精密行星減速機(jī)、齒輪齒條副構(gòu)成的傳動鏈驅(qū)動。在機(jī)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(diào)節(jié),滿足螺旋熔覆的需要。

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

6 應(yīng)用效果

將軸類零件激光熔覆再制造及表面強(qiáng)化用機(jī)床接通電源,把待加工的軸類零件按照裝夾要求在機(jī)床上裝夾完畢,并在機(jī)床控制面板上設(shè)置好激光熔覆相關(guān)參數(shù),執(zhí)行激光熔覆命令,即可實(shí)現(xiàn)軸類零件的激光熔覆。

軸類零件激光熔覆工作現(xiàn)場如圖3所示。

圖3 軸類零件激光熔覆工作現(xiàn)場

機(jī)床在對軸類零件激光熔覆過程中結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,運(yùn)行可靠。機(jī)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(qiáng)化,應(yīng)用效果可以從兩個(gè)方面進(jìn)行分析。

為檢驗(yàn)機(jī)床對軸類零件激光熔覆再制造的應(yīng)用效果,選取軸類零件液壓支架立柱,采用機(jī)床對其進(jìn)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(bào)廢的液壓支架立柱經(jīng)激光熔覆再制造后,已經(jīng)磨損、腐蝕的表面被均勻的激光熔覆層所覆蓋,激光熔覆時(shí)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(fù)軸類零件的表面性能,實(shí)現(xiàn)液壓支架立柱的再制造。

為檢驗(yàn)機(jī)床對軸類零件激光熔覆表面強(qiáng)化的應(yīng)用效果,選取軸類零件液壓支架中缸進(jìn)行表面強(qiáng)化。礦井下復(fù)雜的環(huán)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(jìn)行表面強(qiáng)化。采用機(jī)床對液壓支架中缸進(jìn)行激光熔覆表面強(qiáng)化,液壓支架中缸激光熔覆表面強(qiáng)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(qiáng)化前后對比

由圖5可知,新品液壓支架中缸進(jìn)行激光熔覆表面強(qiáng)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(shí)選擇耐腐蝕性優(yōu)良的粉末,可以顯著提升液壓支架中缸表面的耐腐蝕性,實(shí)現(xiàn)液壓支架中缸的激光熔覆表面強(qiáng)化。

7 結(jié)束語

針對機(jī)械裝備中軸類零件失效報(bào)廢現(xiàn)象,結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)中軸類零件再制造及表面強(qiáng)化的大量需求及缺少專用機(jī)床的現(xiàn)狀,設(shè)計(jì)了一種軸類零件激光熔覆再制造及表面強(qiáng)化用機(jī)床。這一機(jī)床結(jié)構(gòu)簡單,便于裝夾,操作方便,粉末利用率高,適用于多個(gè)行業(yè)多種尺寸軸類零件的加工,具有廣闊的應(yīng)用前景。

在機(jī)床中設(shè)計(jì)了由頂緊控制箱、電機(jī)、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(jī)床采用精密線性導(dǎo)軌,保證了機(jī)床的運(yùn)動精度。

機(jī)床經(jīng)過實(shí)際測試,在對軸類零件加工時(shí)穩(wěn)定可靠。采用機(jī)床對軸類零件激光熔覆再制造,應(yīng)用效果顯著,激光熔覆再制造的失效軸類零件恢復(fù)了使用性能。對軸類零件表面強(qiáng)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(shè)計(jì)的軸類零件激光熔覆再制造及表面強(qiáng)化用機(jī)床取得了良好的應(yīng)用效果。