CN105312903A - 面向叶片修复的激光融覆与自适应铣削一体化复合数控机床 - Google Patents

面向叶片修复的激光融覆与自适应铣削一体化复合数控机床 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种面向叶片修复的激光融覆与自适应铣削一体化复合数控机床，主要解决其多次装夹带来的余量切削残留大、易切伤修复层、人工修磨带来的加工精度不稳定和低效率等问题。本机床主要包括双T型床身、第一立柱机构、第二立柱机构、数控回转工作台、顶尖、铣削主轴和激光粉末融覆装置组成，第一立柱机构滑板上设置有实现摆动的铣削主轴，铣削主轴上可安装铣刀或坐标测头，第二立柱机构滑板上设置有气体保护喷嘴，叶片装夹在数控回转工作台和顶尖之间实施修复。本发明结构设计巧妙，工艺组合灵活，通用性强，修复去除加工精度佳，成品率高，大大降低了生产成本，具有较好的实用和推广价值。

Description

面向叶片修复的激光融覆与自适应铣削一体化复合数控机床
技术领域
本发明属于机械制造领域，涉及的是叶片零件再制造过程的自动化装备，具体的说，是涉及一种采用激光融覆对受损伤的叶片型面进行修补并同时结合数控铣削实现融覆堆焊部位多余材料的高精度、高效率去除的一体化复合加工机床。
背景技术
叶片作为航空发动机、汽轮机等动力装置的重要核心零件，长期运行在高温、高压、振动以及巨大的离心力等恶劣的工作环境下，叶片型面不可避免地会产生腐蚀、疲劳裂纹甚至断裂等故障，引发重大事故。另外叶片作为易损耗、高造价且量大的透平关键零件，一般来说其修复成本是其更换新购成本的10％～60％。因此对损伤的叶片进行修复有着重大意义和应用价值，目前国内外目前修复叶片主要采用以下技术方法：
1)采用专用激光融覆焊接设备对叶片型面损伤部位进行激光融覆堆焊修补，再通过操作工人灵活地手持叶片在打磨装置上将其融覆部位的多余材料修磨至最终的型面；
2)采用工业机器人对叶片型面损伤部位进行激光融覆堆焊修补，再通过非接触式手段测量出融覆堆焊层的多余余量，最后通工业机器人抓持叶片将其融覆部位的多余材料余量在打磨装置上去除至最终的型面；
上述叶片修复方法的主要问题是：
1.现有所有的激光融覆工艺均无法实现精确型面的成型，无论在尺寸精度和表面质量上都不能直接达到相关技术要求，在通用数控机床上进行多余融覆层去除加工由于涉及二次装夹基准不一致，余量不均匀、叶片薄壁变形特性、二次编程等诸多技术难题，导致易切伤修复层、去除余量加工效率低下，加工修复的成品率低；
2.手工方式打磨激光融覆修复层的叶片对工人技术要求较高、其劳动负荷大，较难保持稳定地去除材料余量加工，另外手工打磨粉尘污染严重，作业环境极其恶劣和有害。
3.工业机器人由于受自身的重复定位精度限制很难实现较高精度的叶片融覆堆焊层，不仅导致后续打磨余量过大，而且机器人的低刚度特性限制会造成对融覆修复层去除效率偏低以至于直接影响了叶片修复再制造生产效率。
发明内容
本发明的目的在于克服上述缺陷，设计一种可实现对叶片损伤部位综合实施激光融覆堆焊及其多余融覆材料高效去除成形为修复目的的自动一体化复合数控机床。
为了实现本发明的目的，本发明采用的技术方案如下：
面向叶片修复的激光融覆与自适应铣削一体化复合数控机床，包括在双T型床身上安装用于实现铣削的第一立柱机构和实现激光融覆堆焊的第二立柱机构，设置在床身一端由伺服电机驱动丝杆带动滑动工作台实现X向运动，A向伺服电机驱动安装在横向滑动工作台上的旋转工作台实现连续360°回转运动，设置在旋转工作台工作端上的夹具上安装有待修复叶片，安装在滑动工作台的顶尖支撑叶片一端，设置在第一立柱机构上铣削主轴安装有铣刀上用于实现待修复叶片缺陷部位的切除和激光融覆堆焊完毕后的多余材料加工成形，设置在第二立柱机构上的激光融覆头支架安装有气体保护喷嘴用于实现已经切除缺陷的叶片相关部位实施金属粉末的激光融覆堆焊修复层制备。
所述第一立柱机构包括Y1向导轨滑块、Z1向导轨、Z1向导轨滑块、Z1向立柱滑板安装立柱下端面的Y1向导轨滑块设置在床身的Y1向导轨上，该立柱机构通过伺服电机整体沿着实现Y1向运动，第一立柱机构上设置的立柱滑板通过伺服电机驱动滚珠丝杆沿着Z1向导轨实现上下运动，安装在立柱滑板端面上的力矩电机通过联接法兰上的螺栓安装孔与铣削头架一端固定，在铣削头架另外一端通过抱箍方式与铣削主轴安装固定，设置在铣削主轴工作端面的刀具夹持装置通过标准刀柄结构形式安装铣刀或者坐标测量头，在数控系统的指令控制下分别实现对待修复叶片进行缺陷部位切除和多余融覆材料铣削加工成型，另外通过坐标测量头实现对叶片修复融覆层的去除余量在机测量。
所述第二立柱机构包括Z2向立柱滑板、Z2向导轨、Z2向导轨滑块、Y2向导轨滑块组成，安装立柱机构下端面的Y2向导轨滑块与床身的Y2向导轨48配合连接，该立柱通过伺服电机整体沿着实现Y2向运动，第二立柱机构上设置的立柱滑板通过伺服电机驱动沿着Z2向导轨实现上下运动，第二立柱机构Z2向导轨正对面设置有支撑板41用于支撑氖气容器40，氖气容器上面设置有储粉器18和同步送粉装置50，激光融覆头支架一端固定在第二立柱机构滑板端面上，设置在激光融覆头支架上的激光光路转换装置将光纤传输来的激光束进行自动聚焦。
所述激光粉末融覆装置包括光纤激光器、氖气容器、储粉器、送粉电机、同步送粉装置、激光光路转换装置、气体保护喷头，储存在储粉器的金属粉末通过同步送粉装置与氖气混合进入气体保护喷头的喷口通道实现金属粉末与惰性气体的可控释放，同时喷射释放的金属粉末被激光束聚焦点处的瞬间高温加热形成熔池。
所述在激光束聚焦点在X向和Y2向伺服电机驱动下进行缺陷切除部位的单层平面扫描轨迹覆盖，再通过Z2向伺服电机的提升喷头逐层完成整个切除部位的整个体积空间扫描，实现对叶片损伤部位的金属粉末融覆堆积成型。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
(1)本发明采用在一台设备上集成数控铣削和激光融覆工艺方式实现了一体化模式下的叶片再制造修复，与单独采用通用数控铣床和专用激光融覆焊接设备相比，避免了叶片修复多次装夹引起装夹误差等诸多技术问题，大大提高了叶片再制造精度的稳定性；
(2)本发明采用在机床方式这种高精度、高刚性结构特点实现了的叶片再制造修复，避免了采用工业机器人自身较低精度、弱刚性结构带来的诸多技术不足，大大提高了叶片再制造效率和精度；
(3)本发明采用在机测量方法通过对激光融覆修复过程和叶片自身变形产生的几何不确定性变形快速测量后并通过数控系统实现自动实现对变形叶片轮廓的适应性铣削，克服了传统数控机床上只能对不均匀余量采取小切深、慢进给这种牺牲效率的技术策略造成加工缺陷，极大提高了叶片修复过程的加工效率和精度；
(4)本发明采用在一台设备上集成了测量、冷加工与热成形工艺中各自典型代表工艺方法的完美复合，具有功能全面，工艺组合灵活，通用性较强，多方面地节约了叶片类修复企业的设备采购成本、场地和人工，方便了数控车间集成制造的智能化管控，提升了叶片类修复企业的精益化、绿色化生产技术水平。
附图说明
图1为本发明的主视图。
图2为本发明的侧视图。
图3为本发明的A-A向局部视图。
图4为本发明的激光融覆喷嘴的同步送粉与保护气氛结构示意图。
图5为本发明的技术示范性实施例在叶片修复过程中叶片型面上待铣削切除的缺陷部位示意图。
图6为本发明的技术示范性实施例在叶片修复过程中叶片型面上缺陷部位被铣削切除后的示意图。
图7为本发明的技术示范性实施例在叶片修复过程中叶片型面上缺陷部位进行激光融覆的示意图。
图8为本发明的技术示范性实施例在叶片修复过程中叶片型面上缺陷部位进行激光融覆时沿叶身截面轮廓的X方向投影示意图。
图9为本发明的技术示范性实施例在叶片修复过程中对叶片型面激光融覆部位进行在机接触式测量的示意图。
图10为本发明的技术示范性实施例在叶片修复过程中对叶片型面激光融覆部位多余材料进行数控铣削去除的示意图。
图11为本发明的技术示范性实施例在叶片修复过程中对叶片型面激光融覆部位多余材料进行数控铣削去除时沿叶身截面轮廓的X方向投影示意图。
其中，附图标记所对应的名称：1-夹具，2-待修复叶片，3-顶尖，4-氖气保护隔绝层，5-金属粉末，6-激光束，7-气体保护喷嘴，8-坐标测量头，9-铣刀，10-床身，11-X向滑动工作台，12-A向回转工作台，13-Z1向立柱滑板，14-Z2向导轨，15-Z1向伺服电机，16-联轴器，17-Z1向滚珠丝杆，18-储粉器，19-送粉电机，20-Z2向伺服电机，21-联轴器，22-Z2向立柱滑板，23-数控系统，24-电气控制柜，25-Y1向伺服电机，26-第一立柱机构，27-Y1向导轨滑块，28-Y1向导轨，29-X向导轨，30-Z1向导轨，31-Z1向导轨滑块，32-B向摆动力矩电机，33-连接法兰，34-铣削主轴，35-铣头支架，36-刀具夹持装置，37-A向旋转伺服电机，38-X向伺服电机，39-光纤激光器，40-氖气容器，41-支承连接板，42-光纤，43-激光光路转换装置，44-激光融覆头支架，45-第二立柱机构，46-Z2向导轨滑块，47-Y2向导轨滑块，48-Y2向导轨，49-Y2向伺服电机，50-同步送粉装置，51-气阀开关，52-气体管路，53-送粉管路。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。本发明的实施方式包括但不限于下列实施例。
如图1、图2、图3所示，为本发明面向叶片修复的激光融覆与自适应铣削一体化复合数控机床的一个优选实例的主视、侧视及A-A向视图。其主要包括在双T型床身(10)上安装用于实现铣削的第一立柱(26)和实现激光融覆堆焊的第二立柱(45)，设置在床身一端由伺服电机(38)驱动丝杆(47)带动滑动工作台实现X向运动。安装在滑动工作台上的旋转工作台(12)在A向伺服电机(37)驱动实现连续360°回转运动，设置在旋转工作台工作端上的夹具(1)上安装有待修复叶片(2)，安装在滑动工作台的顶尖(3)支撑叶片一端，设置在第一立柱上铣削主轴(34)安装有铣刀(9)上用于实现待修复叶片缺陷部位的切除和激光融覆堆焊完毕后的多余材料加工成形，设置在第二立柱上的激光融覆头支架(44)一端固定在第二立柱滑板端面上，在激光融覆头支架一端上设置有激光光路转换装置(43)，在激光光路转换装置底部安装有气体保护喷嘴7用于实现金属粉末的激光融覆堆积层制备。
如图4，为本发明的激光融覆喷嘴的同步送粉与保护气氛结构示意图。主要包括光纤激光器39、氖气容器40、储粉器18、送粉电机19、同步送粉装置50、激光光路转换装置43、气体保护喷嘴7，储存在储粉器的金属粉末5通过同步送粉装置50与氖气混合进入气体保护喷嘴7的喷口通道实现金属粉末5与惰性氖气层4的可控释放，同时喷射释放的金属粉末5被激光束聚焦点处的瞬间高温加热形成熔池。
如图5、图6、图7、图8、图9、图10、图11所示，为本发明的技术示范性实施例在叶片修复过程的各修复工序原理示意。主要包括首先安装在机床滑动工作台11上待修复叶片2缺陷部位的确定，接着利用机床铣削主轴34上安装的铣刀9将叶身上的缺陷部位切除，然后在数控系统23的控制下移动滑动工作台11至激光融覆工位对切除叶片部位进行金属粉末的逐层融覆堆积成形，再在数控系统23的控制下移动滑动工作台11至铣削工位自动更换坐标测头8进行融覆层去除余量的坐标测量，数控系统23根据坐标测量结果自动实现融覆层余量加工程序生成，机床自动更换铣刀9进行融覆层余量铣削去除直至加工出精确完整的叶片型面。
按照上述实施例，便可较佳地实现本发明。值得说明的是，基于上述设计原理的前提下，为解决同样的技术问题，即使在本发明所公开的结构基础上做出的一些无实质性的改动或润色，所采用的技术方案的实质仍然与本发明一样，故其也应当在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.面向叶片修复的激光融覆与自适应铣削一体化复合数控机床，其特征在于：包括在双T型床身(10)上安装用于实现铣削的第一立柱机构(26)和实现激光融覆堆焊的第二立柱机构(45)，设置在床身一端由伺服电机(38)驱动丝杆(47)带动滑动工作台实现X向运动。安装在滑动工作台上的旋转工作台(12)在A向伺服电机(37)驱动实现连续360°回转运动，设置在旋转工作台工作端上的夹具(1)上安装有待修复叶片(2)，安装在滑动工作台的顶尖(3)支撑叶片一端，设置在第一立柱机构上铣削主轴(34)安装铣刀(9)，设置在第二立柱机构上的激光融覆头支架(44)安装有气体保护喷嘴(7)。
2.根据权利1所述的面向叶片修复的激光融覆与自适应铣削一体化复合数控机床，其特征在于：所述第一立柱机构包括Y1向导轨滑块(27)、Z1向导轨(30)、Z1向导轨滑块(31)、Z1向立柱滑板(13)构成，安装立柱下端面的Y1向导轨滑块设置在床身的Y1向导轨(28)上，立柱通过伺服电机(25)整体沿着实现Y1向运动，第一立柱上设置的立柱滑板通过伺服电机(15)驱动滚珠丝杆(17)沿着Z1向导轨实现上下运动，安装在立柱滑板端面上的力矩电机(32)通过联接法兰(33)与铣削头架(35)一端固定，在铣削头架另外一端安装铣削主轴(34)，在铣削主轴工作端面设置有刀具夹持装置(36)。
3.根据权利1所述的面向叶片修复的激光融覆与自适应铣削一体化复合数控机床，其特征在于：所述铣削头架为L型结构，其一端上以多孔方式布置有螺钉安装孔，另外一端通过抱箍方式与铣削主轴进行固定。
4.根据权利1所述的面向叶片修复的激光融覆与自适应铣削一体化复合数控机床，其特征在于：所述铣削主轴具有贯穿的轴向通孔，铣刀主轴一端设置有刀具夹持装置，通过标准刀柄结构形式可以实现与刀具(9)或坐标测头(8)连接。
5.根据权利1所述的面向叶片修复的激光融覆与自适应铣削一体化复合数控机床，其特征在于：所述第二立柱机构包括Z2向立柱滑板(22)、Z2向导轨(30)、Z2向导轨滑块(46)、Y2向导轨滑块(47)构成，安装立柱下端面的Y2向导轨滑块设置在床身的Y2向导轨(48)上，立柱通过伺服电机(49)整体沿着实现Y2向运动，第二立柱上设置的立柱滑板通过伺服电机(20)驱动沿着Z2向导轨实现上下运动，第二立柱Z2向导轨正对面设置有支撑板(41)用于支撑氖气容器(40)，氖气容器上面设置有储粉器(18)和同步送粉装置(50)，激光融覆头支架(44)一端固定在第二立柱滑板端面上，在激光融覆头支架上设置有激光光路转换装置(43)。
6.根据权利5所述的面向叶片修复的激光融覆与自适应铣削一体化复合数控机床，其特征在于：所述激光粉末融覆装置包括光纤激光器(39)、氖气容器(40)、储粉器(18)、送粉电机(19)、同步送粉装置(50)、激光光路转换装置(43)、气体保护喷头(7)构成，储存在储粉器的金属粉末(5)通过同步送粉装置与氖气混合后进入喷头相应的喷口通道，实现金属粉末与惰性气体的可控释放。
7.根据权利6所述的面向叶片修复的激光融覆与自适应铣削一体化复合数控机床，其特征在于：所述在激光束聚焦点在X向和Y2向伺服电机驱动下进行缺陷切除的单层平面扫描覆盖，再通过Z2向伺服电机的提升喷头逐层完成整个切除部位的整个体积空间扫描。
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