CN104668778A - 热作模具表面多点组合式仿生加工设备及强化修复方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种热作模具表面多点组合式的仿生加工设备，该设备的计算机与六自由度机器人的伺服控制系统、激光器、旋转工作台的旋转伺服装置连接；激光器包含多个光纤激光头；第一激光头夹板安装固定在六自由度机器人的旋转头上；第二激光头夹板安装在旋转工作台上方。本发明可根据模具上待处理区域的形状和面积设置旋转工作台工作方式和激光头运动轨迹，根据表面材料强度要求设计激光参数，激光路数、分光方式等。激光的输出能量与输出光路数量与运动轨迹相组合，即保证了加工路径的复杂性，又保证了加工时不同位置不同能量的需求；可以单独对工作台或地面上的模具进行加工，也可以对两个模具同时进行加工，在提高效率的同时，节约了成本。

Description

热作模具表面多点组合式仿生加工设备及强化修复方法

技术领域

本发明涉及一种热作模具表面多点组合式的仿生加工设备及热作模具表面加工方法，用于处理并修复表面复杂化多样化同时在热疲劳磨损以及冲蚀磨损条件失效的热作模具。

背景技术

目前，热作模具主要用于热变形加工和压力铸造的模具。其工作特点是在再结晶温度以上使金属材料产生一定的塑性变形，或使高温的液态金属铸造成形。从而获得所需形状的零件或者精密毛坯。热作模具型腔内的磨损与冷作模具磨损的形成因素不同。热模锻的磨损主要是模具与被加工的红热金属坯料之间的摩擦得不到润滑，被红热的金属坯料氧化，型腔表面层被回火软化，而氧化又加剧了磨损，同时发生氧化磨损和粘着磨损。磨损不仅破坏模具的尺寸精度，使锻件差，也可以使模具表面出现擦伤沟槽，因而破坏锻件的表面粗糙度。此外，擦伤沟槽又是热疲劳裂纹的萌生处。由于擦伤沟槽破坏了锻件的表面粗糙度，或是由于擦伤沟槽诱发了热疲劳开裂而使模具失效。同时模具开裂也是主要的失效形式断裂和开裂失效在热锻模中约占总失效量的20％～25％，在压铸模中约占5％～10％左右。实践表明，如模块热处理后的硬度偏高，易产生早期脆断。模块硬度提高后，将降低钢的断裂韧度及冲击韧度，显著地增加脆断倾向。模块硬度提高，又使模具的冷热疲劳抗力降低，这就使模具型腔表面过早地产生热疲劳裂纹，由于钢的断裂韧度较低，使热疲劳裂纹的尺寸很小就可能达到临界尺寸，进而迅速失稳扩展导致模具脆断。目前采用激光仿生加工的方法可以大幅度的提高模具寿命，但是基于热作模具的结构复杂化，品种多样化，普通的激光仿生设备难以高效成批量的完成模具加工因此，开发一种能够高效快速多角度同时对热作模具进行加工的激光加工仿生装备，对提高热作模具寿命，提高产业生产效率有非常重要的意义。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种热作模具表面多点组合式的仿生加工设备，该设备可以利用激光熔凝和熔覆技术对单个热作模具表面进行多点组合式仿生强化处理，也可以同时对两个热作模具进行多点组合式仿生强化处理，改善其表面组织的耐磨性，工艺简单，成本低，效率高。

为了解决上述技术问题，本发明的热作模具表面多点组合式的仿生加工设备包括六自由度机器人，计算机，旋转工作台，激光器，第一激光头夹板，第二激光头夹板；所述旋转工作台包括底座，旋转伺服装置，转台；旋转伺服装置安装在底座上，转台固定在旋转伺服装置的驱动轴上；计算机与六自由度机器人的伺服控制系统、激光器、旋转工作台的旋转伺服装置连接；激光器包含多个光纤激光头；第一激光头夹板安装固定在六自由度机器人的旋转头上；第二激光头夹板位于转台上方。

本发明可以通过第一激光头夹板将多个光纤激光头装夹在六自由度机器人旋转头上，将待加工热作模具置于底面上，对其上圆形区域或其他任意形状区域进行激光处理，方便于对大型模具进行激光加工；可以通过第二激光头夹板将多个光纤激光头装夹在工作台上方，将待加工热作模具置于工作台上，对其上圆形区域或其他任意形状区域进行激光处理；可以将一个或多个光纤激光头装夹在第一激光头夹板，其余光纤激光头装夹在第二激光头夹板，同时对工作台上的热作模具进行圆形轨迹仿生单元体加工和地面上的热作模具进行任意形状单元体激光处理，以提高加工效率。

所述第一激光头夹板上加工有一个长条形孔或者多个通孔，各光纤激光头通过开口套和锁紧螺母安装固定在激光头夹板长条形孔或者通孔处。

或者，所述第一激光头夹板上加工有沟槽且沿沟槽方向加工长条形孔；各光纤激光头通过开口套和锁紧螺母安装固定在第一激光头夹板长条形孔上；可以根据加工需要调整各光纤激光头之间的距离。

所述第二激光头夹板上加工有长条形孔，各光纤激光头通过开口套和锁紧螺母安装固定在第二激光头夹板长条形孔处；支架固定于旋转工作台的底座上或地面上；第二激光头夹板安装在支架上，可绕支架转动。

本发明的有益效果：

1.本发明可以针对热作模具表面易产生疲劳裂纹的部位以及已报废模具的磨损部位，设计加工路径，采用不同分光方式的光路组合与不同运动轨迹的加工方式组合的多元化组合式加工方法，由6自由度机械手带激光头加工方法和激光头固定，模具在转台做旋转运动加工方式，同时也可以采取两种方式同时加工的方法对模具进行表面处理。根据不同的路径参数，选定激光头的个数、每个激光头的出光功率在模具表面加工出深浅不一，不同形状的仿生单元体。

2.热作模具大多具有表面规则不确定，多样性的特点，无法批量化，程式化大规模加工。很难在加工的同时保证加工效率，为了进一步提高热作模具处理效率，需要采用组合式加工设备满足热作模具复杂的加工路径要求。

3.在热作模具表面，根据其失效形式，采用激光熔凝和熔敷的方法制备类似生物体中硬质单元体，在热作模具表面，不同区域的失效形式不同，加工手段也不尽相同，同样采用激光处理，不同位置的激光参数，处理区域的处理形状都千差万别。组合式激光加工设备是采用光路数量、移动轨迹、激光参数的多种相关加工条件的多元组合，使热作模具在加工时可以一次性完成加工，不需要多次调整参数。

4.在用激光加工的方式处理热作模具时，激光的加工轨迹采用组合式运动方式来完成不同的失效部位其仿生加工是不同的，针对多种失效方式组合式激光仿生加工可以同时对多个部位进行同时加工。并且每个处理部位的单元体深度，大小，形状均不相同，对于一个模具的多个加工路径，机械手和伺服回转平台可以根据加工表面的复杂程度，加工面积大小共同组合运动，机械手在复杂表面带动激光头运动进行加工，伺服转台匀速转动便于圆形模具加工，同时多路激光同时工作，可以同时完成大面积区域的处理加工，避免了模具的反复装卡，以及激光参数的反复调整。

5.根据模具激光处理时需要的时的表面材料强度，设计激光参数。包括处理面积的大小，决定采用几路激光进行处理，预设1-4路激光，每个激光头可以单独工作，也可以同时工作。根据激光所需能量不同采用时间分光和能量分光两种方法，时间分光每路光依次按时间先后顺序从各路光纤输出，每路激光能量在0-1200W之间；能量分光每路激光能量相同，最多可分为4路，如果4路光同时输出，4路激光输出能量总和在0-1200W之间。激光的输出能量与输出光路数量与运动轨迹相组合，即保证了加工路径的复杂性，又保证了加工时不同位置不同能量的需求，在提高效率的同时，节约了成本，使模具的使用寿命较普通激光加工还有所提高。

6.组合式加工设备，是指在一套热作模具加工时，需要处理的位置不同，所需的激光能量也不同，所需的激光能量也不同，在同一路径上由电脑控制激光参数和移动轨迹，机器人和伺服转台分别可配4跟光纤，根据现场加工需要进行分配，同时在加工路径上根据加工位置分配加光光路数量和能量，根据加工路径选择机器人或者伺服转台的组合方式。

利用上述热作模具表面多点组合式的仿生加工设备对热作模具表面进行加工的方法，可以采用下述三种技术方案。

技术方案一

利用上述热作模具表面多点组合式的仿生加工设备对热作模具表面进行强化修复的方法，包括下述步骤：

一、将A热作模具固定于旋转工作台上，B热作模具置于地面上，根据A热作模具和B热作模具表面各待加工处理区域的形状、尺寸确定加工路径并确定装夹在第一激光头夹板和第二激光头夹板上的光纤激光头数量；

二、根据步骤一确定的各待加工处理区域的加工路径、表面材料强度要求设置加工各区域所需的激光器出光路数、光纤激光头之间的间距、单个光纤激光头出光能量、各光纤激光头的分光方式、旋转工作台工作参数、以及六自由度机器人运动参数；

三、调整六自由度机器人的姿态使第一激光头夹板位于B热作模具上方，并且各光纤激光头的光轴垂直于B热作模具待加工处理区域的表面；调整第二激光头夹板位置使其位于A热作模具上方；

四、对于B热作模具上首先要加工处理的i区域，根据步骤一、二确定的该i区域加工路径调整第一激光头夹板上光纤激光头的位置；调整A热作模具使其上圆形的待加工的j区域中心对准工作台旋转中心，并根据该j区域圆形加工路径调整第二激光头夹板上光纤激光头的位置；

五、按照步骤二确定的加工B热作模具上i区域和A热作模具上j区域所需单个光纤激光头出光能量以及各光纤激光头的分光方式，通过计算机控制激光器工作；通过计算机按照步骤二确定的旋转工作台工作参数控制旋转工作台以设定转速运转，同时根据六自由度机器人运动参数控制六自由度机器人运动，使第一激光头夹板上的各出光光纤激光头按照步骤一确定的加工路径移动，同时在B热作模具上i区域和A热作模具上j区域制备仿生单元体；

六、重复步骤四、五，在B热作模具和A热作模具上待加工处理区域表面制备仿生单元体，直至完成热作模具表面激光仿生强化处理。

技术方案二、

利用上述热作模具表面多点组合式的仿生加工设备对热作模具表面进行强化修复的方法，包括下述步骤：

一、将热作模具置于地面上，根据热作模具表面各待加工处理区域的形状、尺寸确定加工路径；

二、根据步骤一确定的各待加工处理区域的加工路径、表面材料强度要求设置加工各区域所需的激光器出光路数、光纤激光头之间的间距、单个光纤激光头出光能量、各光纤激光头的分光方式、以及六自由度机器人运动参数；

三、调整六自由度机器人的姿态使第一激光头夹板位于热作模具上方，并且各光纤激光头的光轴垂直于热作模具待加工处理区域的表面；

四、根据步骤一、二确定的该区域加工路径和所需激光器出光路数调整第一激光头夹板上光纤激光头的位置；

五、通过计算机按照步骤二确定的加工该区域所需激光器出光路数、单个光纤激光头出光能量以及各光纤激光头的分光方式控制激光器工作；同时通过计算机根据六自由度机器人运动参数控制六自由度机器人运动，使各出光光纤激光头按照步骤一确定的该区域加工路径移动，在该区域表面制备仿生单元体；

六、重复步骤四、五，在其他待加工处理区域表面制备仿生单元体，直至完成热作模具表面激光仿生强化处理。

技术方案三

利用上述热作模具表面多点组合式的仿生加工设备对热作模具表面进行强化修复的方法，包括下述步骤：

一、将热作模具固定于旋转工作台上，根据热作模具表面各待加工区域的形状、尺寸确定加工路径；

二、根据步骤一确定的各待加工区域的加工路径、表面材料强度要求设置加工各区域所需的激光器出光路数、光纤激光头之间的间距、单个光纤激光头出光能量、各光纤激光头的分光方式、旋转工作台工作参数、以及六自由度机器人运动参数；若待加工处理区域为圆形则设置工作台的转速，否则设置工作台转速为零；

三、若加工路径为圆形，则调整将光纤激光头装夹于第二激光头夹板上，并调整第二激光头夹板位置使其位于待加工区域上方；若加工路径为除圆形之外的其他形状时，则将光纤激光头装夹于第一激光头夹板上，并调整六自由度机器人的姿态使第一激光头夹板位于待加工区域上方，并且各光纤激光头的光轴垂直于热作模具待加工区域的表面；

四、根据步骤一、二确定的该区域加工路径和加工该区域所需激光器出光路数调整光纤激光头的位置；

五、通过计算机按照步骤二确定的加工该区域所需光纤激光器出光路数、单个光纤激光头出光能量以及各光纤激光头的分光方式控制激光器工作；当加工路径为圆形时，通过计算机根据步骤二确定的旋转工作台工作参数控制旋转工作台以设定转速运转，在该区域表面制备圆形仿生单元体；当加工路径为除圆形之外的其他形状时，根据六自由度机器人运动参数控制六自由度机器人运动，使各出光光纤激光头按照步骤一确定的该区域加工路径移动，在该区域表面制备仿生单元体；

六、重复步骤四、五，在各待加工区域表面制备仿生单元体，直至完成热作模具表面激光仿生强化处理。

所述激光器包括1200W额定功率的主机，该主机配4通道激光出光光源；配4通道激光加工光纤激光头。

所述步骤二中，若所需激光器出光路数为2，且单个光纤激光头所需激光能量超过总能量的50％，则采用时间分光，即通过调整光纤激光头出光时间，使得每路光依次按时间先后顺序从各路光纤激光头输出，对热作模具表面进行激光加工，平均每个光纤激光头出光时间在1ms-5ms之间；若单个光纤激光头所需激光能量低于总能量的50％则采取能量分光的方式，即多路光纤激光头同时出光，每路能量相同；若所需激光器出光路数为3，且单个光纤激光头所需激光能量超过总能量的50％则采用时间分光，即通过调整光纤激光头出光时间，使得每路光依次按时间先后顺序从各路光纤激光头输出，对热作模具表面进行激光加工，平均每个光纤激光头出光时间在1ms-5ms之间，若单个光纤激光头所需激光能量低于总能量的50％则采取能量分光方式或能量分光与时间分光组合的方式；若所需激光器出光路数为4，且单个光纤激光头所需激光能量超过总能量的50％则采用时间分光，即通过调整光纤激光头出光时间，使得每路光依次按时间先后顺序从各路光纤激光头输出，对热作模具表面进行激光加工，平均每个光纤激光头出光时间在1ms-5ms之间，若单个光纤激光头所需激光能量低于总能量的50％则采取能量分光方式或能量分光与时间分光组合的方式。

本发明根据模具表面需要处理部位的工作和失效情况进行加工路径设定，其中包括加工区域的面积，激光仿生耦合加工形状，密度，以及加工运动轨迹等。路径进行设定后，根据路径经过区域选择激光加工的光纤激光头数量、单个光纤激光头出光能量、以及分光方式。最终是依靠光路数量、单体激光能量，以及携带光纤激光头的运动部件的多设备组合加工，一次性完成对热作模具表面的激光处理。

本发明可以在热作模具表面加工出仿生耦合单元体，既改变了热作模具表面材料的性质，由于被加工表面的材料发生了变化，因此在热作模具表面的加工位置和未加工位置形成了软硬相间的新结构。这种材料和结构双重的变化使热作模具表面的耐磨性大大提高。通过实验表面，处理后的热作模具使用寿命可以提高一到三倍。本发明同时针对热作模具形状多变，种类繁多的特点，设计多点组合加工装置，可以针对各类热作模具，进行个性化处理。多点组合，多个激光头同时运动加工。满足被加工模具的加工效率的需求。本发明提供的仿生加工设备，自动化程度高，可以大幅度提高热作模具的加工效率。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

图1是本发明的热作模具表面多点组合式的仿生加工设备结构示意图。

图2是第一激光头夹板主视图。

图3是图2的俯视图

图4是图2的A-A向剖视图。

图5是第二激光头夹板的俯视图。

图6是实施例1中生产某汽车零件的一套锻造模具局部照片。

图7是实施例2中某汽车盘式零件生产模具照片。

图8是实施例3中某汽车连杆零件制造模具照片。

具体实施方式

如图1所示，本发明的热作模具表面多点组合式的仿生加工设备包括六自由度机器人，计算机，旋转工作台，激光器3，第一激光头夹板5，第二激光头夹板5；所述旋转工作台包括底座21，旋转伺服装置22，工作台23；旋转伺服装置22安装在底座21上，工作台23固定在旋转伺服装置22的驱动轴上；计算机与六自由度机器人的伺服控制系统、激光器3、旋转工作台的旋转伺服装置22连接；激光器3包含多个光纤激光头4；第一激光头夹板5安装固定在六自由度机器人的旋转头16上；如图2、3、4所示，第一激光头夹板5上加工有沟槽51，且沿沟槽方向加工有一个长条形孔52，各光纤激光头4通过开口套53和锁紧螺母54安装固定在第一激光头夹板5的长条形孔52上，调整六自由度机器人姿态可使各光纤激光头4位于工作台23的上方。如图5所示，第二激光头夹板6上加工有一个长条形孔62或者多个通孔，各光纤激光头通过开口套63和锁紧螺母安装固定在第二激光头夹板长条形孔62或者通孔处；支架7固定于旋转工作台的底座21上或地面上；第二激光头夹板6安装在支架7上，可绕支架7转动。

所述第一激光头夹板5还可以采用如下结构：

第一激光头夹板5上加工有一个长条形孔，各光纤激光头4通过开口套和锁紧螺母安装固定第一激光头夹板长条形孔处。

第一激光头夹板5上加工有多个通孔，各光纤激光头4通过开口套和锁紧螺母分别安装固定第一激光头夹板的各通孔处。

如图1所示，所述六自由度机器人包括第一旋转轴11、第一摆臂12、第二摆臂13、第二旋转轴14、摆腕15和旋转头16；第一旋转轴11安装在工作台23上，其旋转轴线垂直于水平面；第一摆臂12的一端通过转轴与第一旋转轴的上端铰接，另一端通过球头与第二摆臂12连接，第二摆臂12可相对于第一摆臂12摆动，且其另一端与第二旋转轴14连接；第二旋转轴14可绕自身轴线旋转且其另一端通过球头与摆腕15连接；摆腕15可相对于第二旋转轴14摆动；摆腕15的另一端与旋转头16连接，旋转头16可相对于摆腕15旋转。

本发明的热作模具表面多点组合式的仿生加工设备不限于上述结构，例如还可以采用其他结构形式的六自由度机器人，只要能够实现姿态的任意六自由度调整即可，第一激光头夹板5和第二激光头夹板6也可以采用其他结构形式，例如，上面还可以加工多个相互错开的矩形孔，每个光纤激光头装夹在对应的矩形孔中，只要能够根据需要灵活调整各光纤激光头间距即可。

本发明提供的热作模具表面多点组合工作的激光仿生强化方法包括以下步骤：步骤1，针对热作模具表面易磨损部位，设计各个部位的仿生加工路径，确定仿生单元体的大小与形状。步骤2，根据仿生加工路径确定光纤激光头的个数，模具和工作台的配合方式。步骤3，利用激光加工的方式制备仿生单元体。

为了实现上述目的，本发明提供的热作模具表面多点组合工作激光仿生强化装备包括1200W额定功率激光器主机，配4通道激光出光光源，配通道激光加工光源光纤激光头：用于对热作模具表面进行激光加工。应用时，根据模具表面需要处理部位的工作和失效情况进行加工路径设定，其中包括加工区域的面积，激光仿生耦合加工形状，密度，以及加工运动轨迹等。路径进行设定后，根据路径经过区域选择激光加工的光纤激光头数量、单个光纤激光头出光能量、以及分光方式。最终是依靠光路数量、单体激光能量，以及携带光纤激光头的运动部件的多设备组合加工，一次性完成对热作模具表面的激光处理。

下面针对本发明进行具体详细说明。

实施例1

本发明装置实施例在制造表面具有仿生强化单元体的热作模具时，根据热作模具表面工作应力和热疲劳的分布情况，对其易于发生磨损的部位进行表面激光仿生强化。如图6所示是生产某汽车零件的一套锻造模具，在其表面，我们根据其受力和失效形式，对其表面上的5个部位进行仿生激光处理。图中区域Ⅰ位置主要受到轻度的冲击磨损和热疲劳影响，因此在处理时选择光纤激光器出光路数为1路，光纤激光头装夹在第一激光头夹板5上，模具可以放置于地面上或工作台23上(加工时工作台23静止)，选择参数为电流100A，脉宽10ms，频率5HZ，离焦量4.5mm的激光束垂直扫描模具表面，光纤激光头移动速度1mm/s、光纤激光头距模具表面距离110mm，单点能量密度为200J；形成的单元体的宽度2mm、深度0.5mm的表面网状仿生单元体结构。加工路径编辑时，第一步根据其加工面积为不规则形状，采用机械手试教的方式，在处理前对加工路径进行编程和规划，利用计算机控制六自由度机器人使光纤激光头按照设定的路径移动，即可完成该区域的处理。区域Ⅱ和区域Ⅲ位置为圆形面积，处理时，将一路光纤激光头固定在第二激光头夹板6上，另一路光纤激光头固定在第一激光头夹板5上，模具放置在工作台23上；需要加工的路径为圆形时，调整第二激光头夹板6的位置使其位于工作台上方，采用控制工作台23旋转而光纤激光头不动的加工方式完成处理；需要加工的路径为沿径向延伸的直线形时，控制工作台静止，调整第一激光头夹板5的位置使其位于工作台上方，通过计算机控制六自由度机器人带动第一激光头夹板移动对其进行激光加工。由于区域Ⅱ和区域Ⅲ位置略高于区域Ⅰ，因此受到冲击力更大，采用单点能量密度为300J的1路激光束垂直扫描模具表面形成网状仿生单元体结构。最外层的区域Ⅳ位置为整个模具的边缘部，承受的冲击磨损最大，因此主要强化处理其内侧部分，也是采用机械手运动试教的模式，进行不规则形状的编程。光纤激光头装夹在第一激光头夹板5上，模具可以放置于地面上或工作台23上(工作台静止)，同时采用单点能量500J的1路激光束垂直扫描模具表面形成网状仿生单元体结构。经试验测试，模具的耐磨性，抗热疲劳性都大大增强，模具的各个位置的使用寿命均有不同程度的提升，大大提升了模具使用寿命的一致性，减少了其使用过程中的短板效应，使整个模具的寿命提升了1.5倍。

对该模具进行加工时，可以将一个模具放置在地面上，另一个放在工作台23上，用装夹在第一激光头夹板5上光纤激光头对地面上模具的区域Ⅰ、区域Ⅳ进行激光加工，同时用装夹在第二激光头夹板6上的光纤激光头对工作台上的模具的区域Ⅱ和区域Ⅲ进行圆形路径的加工；然后再用第一激光头夹板5上的光纤激光头对区域Ⅱ和区域Ⅲ进行径向直线路径的加工。

实施例2

本发明装置实施例在制造表面具有仿生强化单元体的热作模具时，根据热作模具表面工作应力和热疲劳的分布情况，对其易于发生磨损的部位进行表面激光仿生强化。图7中的模具为锻造模具中典型的汽车盘式零件生产模具，根据实验总结数据，用电流120A、脉宽8ms、频率4HZ、离焦量5.5mm的单点能量密度为350J的3路激光束垂直扫描导轨表面，3路光纤激光头装夹在第二激光头夹板6上，模具放置在工作台23上，光纤激光头与工作台之间的相对速度约0.7mm/s，光纤激光头距模具表面距离110mm；形成的单元体的宽度1.8mm、深度0.7mm的表面圆形条纹状仿生单元体结构；然后将一路激光头装夹在第一激光头夹板5上，并将其调整至工作台上方，工作台23静止，通过计算机控制机器人工作，在模具上加工出沿径向延伸的条状仿生单元体结构。从图中可见，区域Ⅰ、区域Ⅱ两部分的加工面积较大，且加工形状为均匀的圆环形面积，因此，在加工时采用多路时间分光的方式，平均每根光纤激光头出光时间在1ms-5ms之间，三路循环出光，一次在加工表面形成三条激光加工路径，大大缩短了所需的加工时间。经试验测试，模具的耐磨性，抗热疲劳性都大大增强，模具的使用寿命比强化前提高了2倍。

对该模具进行加工时，可以将一个模具放置在地面上，另一个放在工作台23上，用装夹在第一激光头夹板5上光纤激光头对地面上模具的区域Ⅰ、区域Ⅳ进行径向加工，同时用装夹在第二激光头夹板6上的光纤激光头对工作台上的模具进行圆形路径的加工，然后将两个模具位置互换后再进行加工。

实施例3

本发明装置实施例在制造表面具有仿生强化单元体的热作模具时，根据热作模具表面工作应力和热疲劳的分布情况，对其易于发生磨损的部位进行表面激光仿生强化。图8中的模具为锻造模具中汽车连杆零件制造模具，从图中看到这个零件需要加工的部分分为4个部分，位置各不相同，同时高度也有较大差别。四个部位的受力和磨损情况也不尽相同，在加工时，按以下步骤进行加工：

1.根据零件的受破坏方式，选定4个区域作为激光加工的处理区域，分别为图中所示的区域Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ。根据4个区域的磨损方式不同，选定4个区域的加光参数也不同，选用电流150A，脉宽15ms，频率4HZ，离焦量4.5mm、光纤激光头扫描速度0.4mm/s、激光头距模具表面距离110mm，单点能量密度分别为300J，600J,400J,800J的激光束垂直扫描导轨表面；形成不同深度和宽度的表面网状仿生单元体结构。

2.根据编号的先后顺序进行激光仿生强化处理，区域Ⅰ为规则圆形，选择出光光路数目为1路，单点能量密度为300J,将模具固定在工作台23上，光纤激光头装夹在第二激光头夹板上，配合激光器出光频率完成圆形条纹状仿生单元体结构，加工时工作台23转动，光纤激光头不动；加工径向延伸的条状仿生单元体结构时，将光纤激光头装夹在第一激光头夹板上，工作台不动，利用计算机控制机器人工作使光纤激光头按照设定的路径移动，制备径向延伸的条状仿生单元体。

3.区域Ⅱ为矩形区域，将光纤激光头固定在第一激光头夹板上，固定模具，同时选择出光光路为2路出光，分光方式为能量分光，单点能量密度为600J,光纤激光头沿加工区域的平行方向移动一次形成两条激光加工路径，调整移动速度，配合激光器出光频率完成规则矩形面积上网格状仿生单元体结构的加工。

4.Ⅲ、Ⅳ区域分别为不规则形状的加工面积，而且Ⅲ、Ⅳ区域的高度明显不同，因此我们将模具固定在工作台23上，但工作台不工作，由六自由度机器人的旋转头16带动光纤激光头运动，选择出光光路为1路出光，(加工Ⅲ区域时单点能量密度400J,加工Ⅳ区域时单点能量密度800J)完成模具表面网格状仿生单元体的加工。经试验测试，模具的耐磨性，抗热疲劳性都大大增强，模具的使用寿命比强化前提高了2.5倍。

本发明根据模具的尺寸，形状，待加工部位，预先对模具的加工进行设定，同时在激光器光路、运动方式、激光能量、以及加工方式等多方面的组合，一次性完成复杂模具的仿生激光处理。

若所需激光器出光路数为2且单个光纤激光器所需激光能量超过总能量的50％则采用时间分光，即通过调整光纤激光头出光时间，使得每路光依次按时间先后顺序从各路光纤激光头输出，对热作模具表面进行激光加工，平均每个光纤激光头出光时间在1ms-5ms之间，若单个光纤激光头所需激光能量低于总能量的50％则采取能量分光的方式，即多路光纤激光头同时出光，每路能量相同。若所需激光器出光路数为3且单个光纤激光头所需激光能量超过总能量的50％则采用时间分光，即通过调整光纤激光头出光时间，使得每路光依次按时间先后顺序从各路光纤激光头输出，对热作模具表面进行激光加工，平均每个光纤激光头出光时间在1ms-5ms之间；如果单个激光头所需能量超过总能量的34％而低于总能量的50％，则不能单独采用能量分光方式，可以采用能量分光和时间分光组合的形式，即其中两个激光头采用时间分光方式，与剩余一路之间采用能量分光方式；若所需激光器出光路数为4且单个光纤激光头所需激光能量超过总能量的50％则采用时间分光，即通过调整光纤激光头出光时间，使得每路光依次按时间先后顺序从各路光纤激光头输出，对热作模具表面进行激光加工，平均每个光纤激光头出光时间在1ms-5ms之间；如果单个激光头所需能量超过总能量的25％而低于总能量的50％，则不能单独采用能量分光方式，可以采用能量分光和时间分光组合的形式，即四个激光头分为两组，两组激光头之间采用能量分光方式，每组中的两个激光头采用时间分光方式。

本发明提供一种针对热作模具表面形态复杂化，无序化，多元化的特点，设计一种多点组合运动的激光仿生强化以及修复装置。该装置针对不同热作模具表面易磨损部位以及报废磨热作模具的失效部位，实现多通道多路径同时组合处理及修复的高效模式。通过计算机主控激光器、机械手和伺服转台的运动方式，以及从时间和能量两种分光形式实现激光的光路组合。在模具加工时，不同光路数量、能量与不同加工运动形式的组合可使加工效率达到最高。根据模具表面不同的失效情况，设计加工路径，在同一加工路径上根据路径尺寸和形状设计激光头运动方式，激光头数量，以及分光方式和单个光路能量，如果加工部位需要激光处理时的能量高超过总能量50％则采用时间分光，即通过调整激光光纤出光时间，平均每根光纤出光时间在1ms-5ms之间；如加工部位所需激光处理时的能量低于50％则可以采取能量分光的方式，两路光纤同时出光，每路能量相同。这样根据模具的不同失效部位可以实现一次处理，多处激光一次性完成对热作模具的表面仿生处理或者修复，减少了激光处理模具的时间，同时针对不同模具部位的处理更有效，不用因模具表面需加工的部位不同而频繁的更改激光参数。采用激光熔凝(敷)的方法，在模具表面上易磨损部位处，制备按一定规律分布、具有碳化物组织、高硬度和母体呈冶金结合的圆柱形和网格形单元体，这种组合式的加工方法大大适应了模具表面多样性、复杂性的特点，使激光处理模具的效率大为提高，同时激光处理后的模具表面形成了软硬相间的结构，这种软硬相间的仿生表层，增大了模具表面的耐冲击磨损性能。使模具服役的时间和使用频次大幅度提高，同时，也大大简化生产工艺，降低了生产成本，提高了生产效率。

Claims (8)

1.热作模具表面多点组合式的仿生加工设备，其特征在于包括六自由度机器人，计算机，旋转工作台，激光器(3)，第一激光头夹板(5)，第二激光头夹板(6)；所述旋转工作台包括底座(21)，旋转伺服装置(22)，转台(23)；旋转伺服装置(22)安装在底座(21)上，转台(23)固定在旋转伺服装置(22)的驱动轴上；计算机与六自由度机器人的伺服控制系统、激光器(3)、旋转工作台的旋转伺服装置(22)连接；激光器包含多个光纤激光头(4)；第一激光头夹板(5)安装固定在六自由度机器人的旋转头(16)上；第二激光头夹板(6)位于转台(23)上方。

2.根据权利要求1所述的热作模具表面多点组合式的仿生加工设备，其特征在于所述第一激光头夹板(5)上加工有沟槽(51)且沿沟槽(51)方向加工长条形孔(52)，各光纤激光头(4)通过开口套(53)和锁紧螺母(54)安装固定在长条形孔(52)上。

3.根据权利要求1所述的热作模具表面多点组合式的仿生加工设备，其特征在于所述第二激光头夹板(6)上加工有长条形孔(62)，各光纤激光头通过开口套和锁紧螺母安装固定在第二激光头夹板长条形孔(62)处；支架(7)固定于旋转工作台的底座(21)上或地面上；第二激光头夹板(6)安装在支架(7)上，可绕支架(7)转动。

4.一种利用如权利要求1所述热作模具表面多点组合式的仿生加工设备对热作模具表面进行强化修复的方法，包括下述步骤：

一、将A热作模具固定于旋转工作台上，B热作模具置于地面上，根据A热作模具和B热作模具表面各待加工处理区域的形状、尺寸确定加工路径并确定装夹在第一激光头夹板和第二激光头夹板上的光纤激光头数量；

二、根据步骤一确定的各待加工处理区域的加工路径、表面材料强度要求设置加工各区域所需的激光器出光路数、光纤激光头之间的间距、单个光纤激光头出光能量、各光纤激光头的分光方式、旋转工作台工作参数、以及六自由度机器人运动参数；

三、调整六自由度机器人的姿态使第一激光头夹板位于B热作模具上方，并且各光纤激光头的光轴垂直于B热作模具待加工处理区域的表面；调整第二激光头夹板位置使其位于A热作模具上方；

四、对于B热作模具上首先要加工处理的i区域，根据步骤一、二确定的该i区域加工路径调整第一激光头夹板上光纤激光头的位置；调整A热作模具使其上圆形的待加工的j区域中心对准工作台旋转中心，并根据该j区域圆形加工路径调整第二激光头夹板上光纤激光头的位置；

五、按照步骤二确定的加工B热作模具上i区域和A热作模具上j区域所需单个光纤激光头出光能量以及各光纤激光头的分光方式，通过计算机控制激光器工作；通过计算机按照步骤二确定的旋转工作台工作参数控制旋转工作台以设定转速运转，同时根据六自由度机器人运动参数控制六自由度机器人运动，使第一激光头夹板上的各出光光纤激光头按照步骤一确定的加工路径移动，同时在B热作模具上i区域和A热作模具上j区域制备仿生单元体；

六、重复步骤四、五，在B热作模具和A热作模具上待加工处理区域表面制备仿生单元体，直至完成热作模具表面激光仿生强化处理。

5.一种利用如权利要求1所述热作模具表面多点组合式的仿生加工设备对热作模具表面进行强化修复的方法，包括下述步骤：

一、将热作模具置于地面上，根据热作模具表面各待加工处理区域的形状、尺寸确定加工路径；

二、根据步骤一确定的各待加工处理区域的加工路径、表面材料强度要求设置加工各区域所需的激光器出光路数、光纤激光头之间的间距、单个光纤激光头出光能量、各光纤激光头的分光方式、以及六自由度机器人运动参数；

三、调整六自由度机器人的姿态使第一激光头夹板位于热作模具上方，并且各光纤激光头的光轴垂直于热作模具待加工处理区域的表面；

四、根据步骤一、二确定的该区域加工路径和所需激光器出光路数调整第一激光头夹板上光纤激光头的位置；

五、通过计算机按照步骤二确定的加工该区域所需激光器出光路数、单个光纤激光头出光能量以及各光纤激光头的分光方式控制激光器工作；同时通过计算机根据六自由度机器人运动参数控制六自由度机器人运动，使各出光光纤激光头按照步骤一确定的该区域加工路径移动，在该区域表面制备仿生单元体；

六、重复步骤四、五，在其他待加工处理区域表面制备仿生单元体，直至完成热作模具表面激光仿生强化处理。

6.一种利用如权利要求1所述热作模具表面多点组合式的仿生加工设备对热作模具表面进行强化修复的方法，包括下述步骤：

一、将热作模具固定于旋转工作台上，根据热作模具表面各待加工区域的形状、尺寸确定加工路径；

二、根据步骤一确定的各待加工区域的加工路径、表面材料强度要求设置加工各区域所需的激光器出光路数、光纤激光头之间的间距、单个光纤激光头出光能量、各光纤激光头的分光方式、旋转工作台工作参数、以及六自由度机器人运动参数；若待加工处理区域为圆形则设置工作台的转速，否则设置工作台转速为零；

三、若加工路径为圆形，则调整将光纤激光头装夹于第二激光头夹板上，并调整第二激光头夹板位置使其位于待加工区域上方；若加工路径为除圆形之外的其他形状时，则将光纤激光头装夹于第一激光头夹板上，并调整六自由度机器人的姿态使第一激光头夹板位于待加工区域上方，并且各光纤激光头的光轴垂直于热作模具待加工区域的表面；

四、根据步骤一、二确定的该区域加工路径和加工该区域所需激光器出光路数调整光纤激光头的位置；

五、通过计算机按照步骤二确定的加工该区域所需光纤激光器出光路数、单个光纤激光头出光能量以及各光纤激光头的分光方式控制激光器工作；当加工路径为圆形时，通过计算机根据步骤二确定的旋转工作台工作参数控制旋转工作台以设定转速运转，在该区域表面制备圆形仿生单元体；当加工路径为除圆形之外的其他形状时，根据六自由度机器人运动参数控制六自由度机器人运动，使各出光光纤激光头按照步骤一确定的该区域加工路径移动，在该区域表面制备仿生单元体；

六、重复步骤四、五，在各待加工区域表面制备仿生单元体，直至完成热作模具表面激光仿生强化处理。

7.根据权利要求4、5或6所述的利用如权利要求1所述热作模具表面多点组合式的仿生加工设备对热作模具表面进行强化修复的方法，其特征在于所述激光器包括1200W额定功率的主机，该主机配4通道激光出光光源；配4通道激光加工光纤激光头。

8.根据权利要求7所述的利用如权利要求1所述热作模具表面多点组合式的仿生加工设备对热作模具表面进行强化修复的方法，其特征在于所述步骤二中，若所需激光器出光路数为2，且单个光纤激光头所需激光能量超过总能量的50％，则采用时间分光，即通过调整光纤激光头出光时间，使得每路光依次按时间先后顺序从各路光纤激光头输出，对热作模具表面进行激光加工，平均每个光纤激光头出光时间在1ms-5ms之间；若单个光纤激光头所需激光能量低于总能量的50％则采取能量分光的方式，即多路光纤激光头同时出光，每路能量相同；若所需激光器出光路数为3，且单个光纤激光头所需激光能量超过总能量的50％则采用时间分光，即通过调整光纤激光头出光时间，使得每路光依次按时间先后顺序从各路光纤激光头输出，对热作模具表面进行激光加工，平均每个光纤激光头出光时间在1ms-5ms之间，若单个光纤激光头所需激光能量低于总能量的50％则采取能量分光方式或能量分光与时间分光组合的方式；若所需激光器出光路数为4，且单个光纤激光头所需激光能量超过总能量的50％则采用时间分光，即通过调整光纤激光头出光时间，使得每路光依次按时间先后顺序从各路光纤激光头输出，对热作模具表面进行激光加工，，平均每个光纤激光头出光时间在1ms-5ms之间，若单个光纤激光头所需激光能量低于总能量的50％则采取能量分光方式或能量分光与时间分光组合的方式。