CN104550134A - 一种清除滚塑模具内腔锈蚀的装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种清除滚塑模具内腔锈蚀的装置及方法，所述的装置包括激光加载系统、清洗系统、控制系统、实时反馈系统、辅助系统。激光加载系统由纳秒激光器、激光控制器、可弯曲光纤组成；清洗系统由清洗工作头组成；控制系统由计算机、反应式步进电机、丝杠导轨、旋转平台、平台控制器组成，可以控制纳秒激光器工作状态、旋转平台运动状态及显示采集到的声波信号；实时反馈系统由信号处理板声、前置放大器、声发射传感器组成；辅助系统由输气管、气体流量计、调节阀、惰性气体源组成。本发明能够有效清除滚塑成型所用模具内腔锈蚀，提高制品的成型精度，同时，模具受到激光辐照，表面性能得到改善，清洗改性，一举两得。

Description

一种清除滚塑模具内腔锈蚀的装置及方法

技术领域

本发明涉及一种清除滚塑模具内腔锈蚀的装置及方法，尤其是涉及到激光除锈技术，属于激光加工与应用领域。

技术背景

滚塑成型又称旋塑、旋转成型等，其工艺流程是先将塑料原料加入模具中，然后模具沿两垂直轴不断旋转并使之加热，模内的塑料原料在重力和热能的作用下，逐渐均匀地涂布、熔融粘附于模腔的整个表面上，成型为所需要的形状，再经冷却定型而成制品。与其他成型工艺相比，滚塑工艺具有投资成本低，制品壁厚易控制等优点，因此成为生产大中型中空制品的首选方法。

   滚塑工艺所用模具材料一般为低碳钢，因长期使用或暴露于空气中，模具内腔极易氧化，产生锈蚀（主要成分是α-Fe₂O₃ ·H₂O、γ-Fe₂O₃ ·H₂O）。这些锈蚀影响着制品的成型精度，使制品表面坑洼不平，甚至出现废品等现象。

传统的滚塑模具内腔锈蚀清洗方法是化学清洗法。申请号为201110349284.1的中国发明专利申请公布了一种用于清洗金属模具内腔的除锈剂。该除锈剂主要成分是磷酸、柠檬酸等无机酸性溶剂。由于使用到酸性溶剂，在处理锈蚀的时候，会带来很多副作用。溶剂不仅腐蚀模具，降低模具周期寿命，更会对环境产生破坏污染。

与传统的化学清洗相比，激光清洗是一种新型的表面处理技术。由于激光清洗属于干洗，不需溶剂，没有废液排放，残渣很少，不会造成环境污染问题。能有效清除其它方法难以去除吸附在物体表面的亚微米粒子（0.5 μm以下）。该技术具有可控性好、易于选区定位精密清洗，清洗度高等特点。此外，在激光清洗锈蚀的过程中，激光热扫描技术产生的热效应可使基体表面相变硬化，从而改善材料的表面性能，提高基体的硬度和抗腐蚀能力，清洗改性一举两得。

  申请号为201210536238.7 的中国发明专利申请公布了一种基于激光毛化技术的激光除锈装置和方法，该发明利用激光毛化技术，能够实现除锈的目的，但是，对于整个除锈过程缺乏监控系统，无法了解实时清洗进度，不便于实现自动化；申请号为201010290352.7的中国发明专利申请公布了一种激光除锈装置，该发明利用激光的热效应，虽然实现了对筒形金属内壁特殊表面除锈，但该装置忽略了清除掉的锈蚀去向问题，高温的锈蚀物很容易飞溅并黏附于基体表面，会造成二次污染。

  针对上述装置存在的问题，本发明专利提出一种新型激光除锈装置，该装置加入声发射传感器，能够实时采集除锈过程中的声波信号，进而监控清洗进度，此外，该装置还引入辅助系统（惰性气体保护装置），能够有效防止清洗过程中基体发生二次氧化。

发明内容     

本发明的目的是针对目前金属模具内腔的传统除锈法（化学除锈法）存在污染大，易对模具精度和寿命造成影响的问题，发明一种无需化学试剂的快速绿色清洗法（激光除锈法）。为了实现激光除锈，本发明还设计了一种按预置路线自动化清除滚塑模具内腔锈蚀的装置，能实现高清洁度、绿色化清洗。

本发明的技术方案之一是：

    一种清除滚塑模具内腔锈蚀的装置，其特征是它包括：

一激光加载系统，该激光加载系统在控制系统控制下提供清洗所需的激光；它主要由激光控制器2、纳秒激光器3和可弯曲光纤4组成，激光控制器2控制纳秒激光器3发出激光光束并通过可弯曲光纤4传送；

一清洗系统、该清洗系统用于将激光加载系统发出的激光通过清洗工作头10照射到滚塑模具内腔进行激光清洗；

一控制系统，该控制系统主要由计算机1、反应式步进电机8，18、丝杠导轨20、旋转平台21和平台控制器23组成，反应式步进电机18在计算机控制下通过旋转平台带动模具回转，反应式步进电机8在计算机控制下通过丝杠导轨20带动模具清洗工作头10上下移动，从而实现对模具内腔的全方位清洗，计算机1还根据实时反馈系统的信号反馈控制纳秒激光器3的工作状态并显示实时反馈系统采集到的声波信号；

一实时反馈系统，它用于采集清洗过程中采集的清洗表面的声波反射信号以便及时通过控制系统控制纳秒激光器3的工作状态，它主要由信号处理板5、前置放大器6和声发射传感器16组成，声发射传感器16采集的信号经前置放大器放大后送入信号处理板5再送入计算机产生控制信号；所述的声发射传感器16固定安装在所述的夹装清洗工作头10的夹具9上，平具9安装在所述的丝杠导轨20上。

一辅助系统，该辅助系统用于向激光清洗工作表面输送保护性气体以防止表面氧化，它主要由输气管12、气体流量计13、调节阀14、惰性气体源15组成，惰性气体源15内装氩气，气体流量计13和调节阀14分别显示和控制氩气的流速和压力。

所述清洗工作头10设有传输光纤接口1001和激光发射通道1006，可弯曲光纤4的输出端插入传输光纤接口1001中，在传输光纤接口1001和激光发射通道1006之间安装有扩束镜输入镜1002、扩束镜输出镜1003和保护平面镜1004，惰性气体接管口1005与激光发射通道1006垂直相通；可弯曲光纤4传输的激光束11经扩束镜输入镜1002和扩束镜输出镜1003整形后垂直辐照于待处理滚塑模具7的表面。

所述声发射传感器16带宽为25KHz~750KHz。

所述滚塑模具7为成型全塑储罐所用半圆形模具，滚塑模具7内径D为600~2000 mm。

所述扩束镜输入镜1002和扩束镜输出镜1003对激光的透过率大于99%。

 本发明的技术方案之二是：

    一种清除滚塑模具内腔锈蚀的方法，包括以下具体步骤：

   A.将待清洗滚塑模具7置于工作台22上方，使其轴心与工作台22的Z向回转轴心重合，并用衬套夹具17紧固，然后利用磁吸座将声发射传感器16吸附于清洗工作头夹具9的下底面；

    B.将清洗工作头10完全定位于清洗工作头夹具9上，然后调节清洗工作头夹具9的高度，使清洗工作头10垂直指向滚塑模具7待清洗区域的起始位置；

    C.旋转调节阀14控制惰性气体的流速，保持气体流量计13流速显示值在10~15 m/s之间，压力显示值在0.3~0.5 MPa之间，惰性气体进入清洗工作头10后，垂直吹向待清洗滚塑模具7内腔表面；

    D.设置激光束11参数，主要包括：波长、脉宽、脉冲重复频率、光斑直径d和激光功率；

E.在计算机1人机界面上设置激光束11扫描路径，开启纳秒激光器3，激光束11开始扫描第一个位置，当实时反馈系统的声发射传感器16检测到脉冲信号峰值电压小于40 mv时，计算机1向激光控制器2发出指令，纳秒激光器3停止，接着向平台控制器23发出指令，控制旋转平台21向逆时或顺时针方向旋转N°，N=360*d/(π*D)，激光束11到达下一个清洗位置，计算机1再次向激光控制器2发出指令，纳秒激光器3发出脉冲激光对滚塑模具内腔进行扫描，当实时反馈系统的声发射传感器16再次检测到脉冲信号峰值电压小于40 mv时，计算机1再向激光控制器2发出指令，纳秒激光器3停止，接着向平台控制器23发出指令，控制旋转平台21向逆时或顺时针方向旋转N°，N=360*d/(π*D)，激光束11到达下一个清洗位置，计算机1再次向激光控制器2发出指令，纳秒激光器3发出脉冲激光对滚塑模具内腔进行扫描，如此循环，直到满足循环次数即完成对滚塑模具一圈或半圈清洗；

F.计算机1向平台控制器23发出指令，首先，清洗工作头10沿丝杠导轨20 Z轴向下移动，移动量大小为光斑直径d，接着旋转平台21顺时针或逆时针旋转，实现第二个一圈或半圈扫描；激光束依“逆时针或顺时针回转-向下移动-顺时针或逆时针回转-向下移动-逆时针或顺时针回转”的路线完成滚塑模具7的清洗；激光清洗完毕后，关闭纳秒激光器3，拧紧惰性气体调节阀14。

所述的纳秒激光器3为电光晶体调Q Nd:YAG激光器，激光束波长1064/532 nm可选，脉宽为10~100 ns，脉冲重复频率为10~30 Hz，激光束功率范围为10⁴~10⁶ W最佳，光斑直径d范围为2~5 mm最佳。

 本发明的有益效果是：

    1.本发明采用脉冲激光清除滚塑模具内腔的锈蚀，具有无污染、清洁度高等特点。

2.本发明采用氩气为惰性气体，在激光清洗过程中，向清洗工件吹氩气，不仅可以吹走已气化的锈蚀，还可以带走清洗过程中产生的热量，防止表面再次氧化。

3.本发明采用声发射仪设备对清洗进度进行实时反馈，在计算机终端声波分析软件上直接显示采集到的声波信号强度，使得清洗过程更加明了，便于自动化控制。

4.本发明在清除锈蚀的同时，模具基体受到激光的热效应发生相变硬化，表面性能得到改善，硬度和抗腐蚀能力也得到提高，清洗改性一举两得。

附图说明

 图1是本发明的激光清除滚塑模具内腔锈蚀系统结构示意图。

  图2是本发明的清洗工作头内部结构示意图。

 图3是本发明的滚塑模具与衬套夹具装配示意图。

 图4是本发明的激光清洗S型路线图。

 图5是本发明的不同脉冲下产生的声波图像。

 图中：1、计算机；2、激光控制器；3、纳秒激光器；4、可弯曲光纤；5、信号处理板；6、前置放大器；7、滚塑模具；8、反应式步进电机； 9、工作头夹具； 10、清洗工作头； 11、激光束；12、输气管；13、气体流量计；14、调节阀；15、惰性气体源；16、声发射传感器；17、衬套夹具；18、反应式步进电机； 19、蜗轮蜗杆传动副；20、丝杠导轨； 21、旋转平台； 22、工作台；23、平台控制器；1001、传输光纤接口；1002、扩束镜输入镜；1003、扩束镜输出镜；1004、保护平面镜；1005、惰性气体接管口；1006、激光通道。

具体实施方式

 下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。

  实施例一。

如图1-3所示。

  一种清除滚塑模具内腔锈蚀的装置，它包括激光加载系统、清洗系统、控制系统、实时反馈系统、辅助系统五部分，如图1所示。

  其中：

激光加载系统由激光控制器2、纳秒激光器3、可弯曲光纤4。清洗系统由清洗工作头10组成。其中，清洗工作头10内部结构如图2所示，它设有传输光纤接口1001和激光输出通道1006、在传输光纤接口1001和激光输出通道1006之间安装有扩束镜输入镜1002、扩束镜输出镜1003和保护平面镜1004，惰性气体接管口1005与激光输出通道1006垂直相通。由纳秒激光器3发出的激光束11经可弯曲光纤4传输后，进入清洗工作头10的传输光纤接口10012，再经扩束镜输入镜1002和扩束镜输出镜1003整形后，沿激光通道1006垂直辐照于待清洗滚塑模具7内腔表面。滚塑模具7通过衬套夹具17定位，，衬套夹具17又通过螺栓连接完全定位于工作台22，如图3所示，图3中的滚塑模具7为半圆形结构。清洗工作头10紧固于工作头夹具9上，并可沿丝杠导轨20上下移动。通过组合选用具有不同焦距的扩束镜输入镜1002和扩束镜输出镜1003可以调节激光束11的输出光斑直径。

 控制系统由计算机1、反应式步进电机8、反应式步进电机18、丝杠导轨20、旋转平台21、平台控制器23组成。计算机1经传输线与信号处理板5相连，显示清洗过程中的声波信号强度；经传输线与激光控制器2相连，调节激光束11参数。

 平台控制器23与计算机1利用RS232串口相连，其预置的软件模块可以控制反应式步进电机8及反应式步进电机18运动状态，从而实现激光束11按预设S型路线扫描，扫描路线如图4所示。控制原理具体为：反应式步进电机8驱动丝杠螺母副，将旋转运动转换成直线运动，实现工作头夹具9沿丝杠导轨20 Z向运动；反应式步进电机18驱动蜗轮蜗杆副19，实现旋转平台21的旋转，进而完成激光束11的回转扫描。此平台控制系统平移精度为±0.02mm，回转精度为±0.01°。

 实时反馈系统有信号处理板5、前置放大器6、声发射传感器16三部分组成。声发射传感器16通过磁吸座固定于工作头夹具9下底面，其带宽为25KHz~750KHz。声发射传感器16采集到的声波信号经前端放大器6放大后，通过阻抗为50Ω的同轴电缆传输到信号处理板5，信号处理板5再将声波信号进行A/D转换，然后传送到与之相连的计算机1，最后，通过计算机1上的声波分析软件所显示的声波信号强度来了解清洗进度。

 实时反馈系统通过声发射传感器16测定所扫描区域锈蚀层是否除净，所用原理是滚塑模具7基体与锈蚀的成分不同导致了其密度的不同，因此激光束11作用到锈和基体时，在很短的时间内产生强烈的振动冲击波信号也不同，该信号强度和频率等参数与基底清洗程度有关。如图4所示，在固定的激光强度冲击下，前三次激光脉冲发出的声音信号的幅度比较明显，最大峰值电压达300 mv，从第四次脉冲开始声音信号幅度逐渐减小并趋于稳定，到第六次脉冲声音信号强度非常微弱，最终趋于一条直线，且最大峰值电压小于40 mv，说明此次脉冲激光已直接辐照基体本身，因此可以确定第六次脉冲己经把滚塑模具7内壁锈蚀层清除干净。计算机1向激光控制器2发出指令，激光束11停止扫描，接着向平台控制器23发出指令，激光束11移动到下一目的区域进行清洗。

辅助系统由输气管12、气体流量计13、调节阀14、惰性气体源15组成。惰性气体源15内装氩气，气体流量计13和调节阀14分别显示、调节氩气的流速。向基体表面吹氩气，不仅可以带走除掉的锈蚀，更能防止二次氧化。

  实施例二：

 一种清除滚塑模具内腔锈蚀的方法，以清洗容积为4 m³的立式平底塑料储罐半圆形模具（模具内径D=1600 mm，长度为2000 mm，壁厚为12 mm内腔锈蚀为例，其锈蚀平均厚度为0.22 mm，锈蚀表面积为5.02 m²，其方法步骤如下：

    A.将待清洗滚塑模具7置于工作台22上方，使其轴心与工作台22的Z向回转轴心重合，并用衬套夹具17紧固，然后利用磁吸座将声发射传感器16吸附于工作头夹具9下底面。

    B.将清洗工作头10完全定位于工作头夹具9上，然后调节工作头夹具9的高度，使清洗工作头10垂直指向滚塑模具7右侧待清洗区域的起始位置。

    C.旋转调节阀14控制惰性气体的流速，保持气体流量计13流速显示值在12 m/s之间，压力显示值在0.4 MPa之间。惰性气体进入清洗工作头10后，垂直吹向待清洗滚塑模具7内腔表面。

    D.设置激光束11参数：波长1.064 μm，脉宽10 ns，脉冲重复频率为20 Hz,光斑直径d为5mm，搭接率为0%，激光功率为5.0×10⁵ W。

E.在计算机1人机界面上设置激光束11扫描路径，开启纳秒激光器3，激光束11开始扫描第一个位置，当实时反馈系统检测到脉冲信号峰值电压小于40 mv时，计算机1向激光控制器2发出指令，纳秒激光器3停止，接着向平台控制器23发出指令，控制旋转平台21逆时钟旋转角度N°，N=360*d/(π*D)=0.36，激光束到达下一个位置，计算机1再次向激光控制器2发出指令，纳秒激光器3发出脉冲激光继续扫描。

F.设旋转平台21逆时针旋转次数为n，当n达到(π*D)/2*d=500次时，即完成第一个半圆周扫描，计算机1向平台控制器23发出指令，首先，清洗工作头10沿丝杠导轨20 Z轴向下移动5 mm，接着旋转平台21顺时针旋转，实现第二个半圆周扫描。就这样激光束依“逆时针回转-向下移动-顺时针回转-向下移动-逆时针回转”S路线完成滚塑模具7的清洗。激光清洗完毕后，关闭纳秒激光器3，拧紧惰性气体调节阀14。具体实施时还可先顺时针转动再逆时针转动。

   清洗上述滚塑模具内腔锈蚀，共用时92 min，清洗速率为3.27m²/h。清洗前锈蚀颗粒呈团簇状，颗粒平均尺寸5μm，清洗后模具表面只有少量亚微米级颗粒（0.5μm以下。选取200*100 mm长弧形区域，采用Nikon D800数码相机获取该区域清洗前后的图像，在分析软件Image-Pro Plus中处理发现，清洗前选定区域图像RGB三基色均值阀值为[166,12,35],说明锈迹成红褐色，清洗后RGB三基色均值阀值为[207,214,204]，已接近白色,然后将清洗前后的图像均转换为灰度图像，亮度阀值统一为232，进行逐一比较，清洗干净区域像素为682347，总像素为736340，清洗率达92.67%。结果表明该装置及方法能快速、高清洁度地清除滚塑模具内腔锈蚀。

    本发明未涉及部分与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims (7)

1.一种清除滚塑模具内腔锈蚀的装置，其特征是它包括：

一激光加载系统，该激光加载系统在控制系统控制下提供清洗所需的激光；它主要由激光控制器（2）、纳秒激光器（3）和可弯曲光纤（4）组成，激光控制器（2）控制纳秒激光器（3）发出激光光束并通过可弯曲光纤（4）传送；

一清洗系统、该清洗系统用于将激光加载系统发出的激光通过清洗工作头（10）照射到滚塑模具内腔进行激光清洗；

一控制系统，该控制系统主要由计算机（1）、反应式步进电机（8，18）、丝杠导轨（20）、旋转平台（21）和平台控制器（23）组成，反应式步进电机（18）在计算机控制下通过旋转平台带动模具回转，反应式步进电机（8）在计算机控制下通过丝杠导轨（20）带动模具清洗工作头（10）上下移动，从而实现对模具内腔的全方位清洗，计算机（1）还根据实时反馈系统的信号反馈控制纳秒激光器（3）的工作状态并显示实时反馈系统采集到的声波信号；

一实时反馈系统，它用于采集清洗过程中采集的清洗表面的声波反射信号以便及时通过控制系统控制纳秒激光器（3）的工作状态，它主要由信号处理板（5）、前置放大器（6）和声发射传感器（16）组成，声发射传感器（16）采集的信号经前置放大器放大后送入信号处理板（5）再送入计算机产生控制信号；所述的声发射传感器（16）固定安装在所述的夹装清洗工作头（10）的夹具（9）上，平具（9）安装在所述的丝杠导轨（20）上；

一辅助系统，该辅助系统用于向激光清洗工作表面输送保护性气体以防止表面氧化，它主要由输气管（12）、气体流量计（13）、调节阀（14）、惰性气体源（15）组成，惰性气体源（15）内装氩气，气体流量计（13）和调节阀（14）分别显示和控制氩气的流速和压力。

2.根据权利要求1所述的清除滚塑模具内腔锈蚀的装置，其特征在于：所述清洗工作头（10）设有传输光纤接口（1001）和激光发射通道（1006），可弯曲光纤（4）的输出端插入传输光纤接口（1001）中，在传输光纤接口（1001）和激光发射通道（1006）之间安装有扩束镜输入镜（1002）、扩束镜输出镜（1003）和保护平面镜（1004），惰性气体接管口（1005）与激光发射通道（1006）垂直相通；可弯曲光纤（4）传输的激光束（11）经扩束镜输入镜（1002）和扩束镜输出镜（1003）整形后垂直辐照于待处理滚塑模具（7）的表面。

3.根据权利要求1所述的清除滚塑模具内腔锈蚀的装置，其特征在于：所述声发射传感器（16）带宽为25KHz~750KHz。

4.根据权利要求1所述的清除滚塑模具内腔锈蚀的装置，其特征在于：所述滚塑模具（7）为成型全塑储罐所用半圆形模具，滚塑模具（7）内径D为600~2000 mm。

5.根据权利要求2所述的清除滚塑模具内腔锈蚀的装置，其特征在于：所述扩束镜输入镜（1002）和扩束镜输出镜（1003）对激光的透过率大于99%。

6.一种清除滚塑模具内腔锈蚀的方法，其特征在于它包括如下步骤：

    A.将待清洗滚塑模具（7）置于工作台（22）上方，使其轴心与工作台（22）的Z向回转轴心重合，并用衬套夹具（17）紧固，然后利用磁吸座将声发射传感器（16）吸附于清洗工作头夹具（9）的下底面；

    B.将清洗工作头（10）完全定位于清洗工作头夹具（9）上，然后调节清洗工作头夹具（9）的高度，使清洗工作头（10）垂直指向滚塑模具（7）待清洗区域的起始位置；

    C.旋转调节阀（14）控制惰性气体的流速，保持气体流量计（13）流速显示值在10~15 m/s之间，压力显示值在0.3~0.5 MPa之间，惰性气体进入清洗工作头（10）后，垂直吹向待清洗滚塑模具（7）内腔表面；

    D.设置激光束（11）参数，主要包括：波长、脉宽、脉冲重复频率、光斑直径d和激光功率；

E.在计算机（1）人机界面上设置激光束（11）扫描路径，开启纳秒激光器（3），激光束（11）开始扫描第一个位置，当实时反馈系统的声发射传感器（16）检测到脉冲信号峰值电压小于40 mv时，计算机（1）向激光控制器（2）发出指令，纳秒激光器（3）停止，接着向平台控制器（23）发出指令，控制旋转平台（21）向逆时或顺时针方向旋转N°，N=360*d/(π*D)，激光束（11）到达下一个清洗位置，计算机（1）再次向激光控制器（2）发出指令，纳秒激光器（3）发出脉冲激光对滚塑模具内腔进行扫描，当实时反馈系统的声发射传感器（16）再次检测到脉冲信号峰值电压小于40 mv时，计算机（1）再向激光控制器（2）发出指令，纳秒激光器（3）停止，接着向平台控制器（23）发出指令，控制旋转平台（21）向逆时或顺时针方向旋转N°，N=360*d/(π*D)，激光束（11）到达下一个清洗位置，计算机（1）再次向激光控制器（2）发出指令，纳秒激光器（3）发出脉冲激光对滚塑模具内腔进行扫描，如此循环，直到满足循环次数即完成对滚塑模具一圈或半圈清洗；

F.计算机（1）向平台控制器（23）发出指令，首先，清洗工作头（10）沿丝杠导轨（20） Z轴向下移动，移动量大小为光斑直径d，接着旋转平台（21）顺时针或逆时针旋转，实现第二个一圈或半圈扫描；激光束依“逆时针或顺时针回转-向下移动-顺时针或逆时针回转-向下移动-逆时针或顺时针回转”的路线完成滚塑模具（7）的清洗；激光清洗完毕后，关闭纳秒激光器（3），拧紧惰性气体调节阀（14）。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：所述的纳秒激光器（3）为电光晶体调Q Nd:YAG激光器，激光束波长1064/532 nm可选，脉宽为10~100 ns，脉冲重复频率为10~30 Hz，激光束功率范围为10⁴~10⁶ W，光斑直径d范围为2~5 mm。