CN106513995A - 用于平面类阀门密封面的激光表面强化加工设备及其加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于平面类阀门密封面的激光表面强化加工设备，其特征在于包括控制柜、送粉装置和激光加工装置，控制柜内设置有控制器，激光加工装置具有立柱，立柱上套装有全方位转动的摇臂，摇臂上设有水平移动的第一滑台，在第一滑台上安装有竖直移动的第二滑台，第二滑台上设有激光头和送粉头，送粉头与送粉装置连接，摇臂在立柱上上下移动，与第二滑台的竖直移动构成双Z轴结构，在立柱的周围设有加工工位。本发明中采用了双Z轴结构，对于调节加工件的加工位置具有很高的精确度，其加工过程和准备过程互不干涉，因而具有加工精度高、加工层的质量得到良好的控制，而且操作方便简单的优点。本发明还公开了一种加工方法。

Description

用于平面类阀门密封面的激光表面强化加工设备及其加工 方法

技术领域

本发明涉及一种激光表面强化加工的设备，特别是对于平面类阀门密封面进行激光熔覆或者淬火的设备。

背景技术

激光表面强化技术是通过激光与材料的相互作用使材料表面发生所希望的物理化学变化。当高功率密度聚焦激光束作用于金属表面时，金属表面吸收激光能量并以极高的加热速度（可以高达10¹⁰ K/s）被加热、熔化乃至气化。由于热效应只是集中在材料表面很薄的局部区域内，因此在被加热的表层与金属基体之间将形成极高的温度梯度。当激光停止作用时，金属的良好导热性将导致表面以高达10⁴-10⁸K/s的速度冷却。激光表面处理具有加热冷却速度快、性能高及处理效率高等优点，其中以激光淬火和激光熔覆为代表。

激光淬火时冷却速度远远超过常规淬火冷却速度，可使奥氏体晶粒内部形成的亚结构在冷却时来不及回复及再结晶，由于激光处理时的冷速极快，从而可获得超细的隐针马氏体结构，其组织性能均得到很大的改善，可显著提高强韧性，与传统的淬火工艺相比，具有硬度高、变形小、可实现表面薄层和局部淬火、不影响基材的机械性能等特点。

激光熔覆是以激光束为热源在零件表面熔接一层成分和性能完全不同于基体而又与基体具有冶金结合的合金表层，以提高表面的耐磨抗蚀性能。激光熔覆要求基体材料仅表面一极薄层熔化，以保证熔覆材料最大限度地不被熔化的基体材料所稀释，这样合金熔覆层基本保持其原有成分和性质不变。

阀门是在流体系统中，用来控制流体方向、压力、流量的装置，其产品广泛应用于石油、化工、电力、冶金、煤炭、环保、食品医药、国防军工、市政民用和农田水利等国民经济各个领域，是通用机械的重要组成部分。尤其在严苛工况下，对阀门密封面的耐高温、耐腐蚀、耐磨损性能提出了极高的要求。

平面类阀门的密封面主要包各类阀座、平行闸阀密封面、楔形闸阀密封面。

闸阀的按密封面配置可分为楔式闸板式闸阀和平行闸板式闸阀, 楔式闸板式闸阀又可分为：单闸极式、双闸板式和弹性闸板式；平行闸板式闸阀可分为单闸板式和双闸板式。不管是哪一种形式的闸阀，其密封面形状都是由两个同心圆构成的圆形密封环，密封环的宽度根据通径的不同而不同，尺寸一般在5-50mm。

传统上这类阀门硬密封面采用热喷涂，电弧堆焊，等离子堆焊和超音速冷喷涂等工艺。前三种表面改性技术均需用火焰，电弧，等离子体作为热源，它们共同的缺点是：能耗大、易变形、易开裂、稀释率大。超音速冷喷涂技术运转成本高，装置复杂，生产效率低,且由于没有形成冶金结合层容易剥落。

传统的手工堆焊和等离子堆焊工艺一般采用沿着密封圆环的径向摆弧堆焊，在径向一次性完成密封环宽度方向的堆焊，同时配合转台的转动完成对密封面的整体堆焊，这种堆焊方式在密封环焊接的第一道和焊接最后一道由于加工时前后时间上差异较大，导致工件和焊接涂层温度变化不一致，非常容易导致涂层的开裂，对与形状较大的工件（DN200以上）在堆焊时风险很大，尤其是在进行硬度要求大于HRC45的高硬度合金堆焊时涂层开裂的风险更大，所以传统的加工方式一般用于低硬度合金的堆焊。

激光强化是近几年发展起来的一种新工艺，由于其具有很好的工艺控制特性可以实现熔覆、淬火过程的全自动化控制，解决传统工艺存在的问题。但是其设备价格昂贵，强化成本很高，受到价格成本、熔覆工艺材料的限制，激光强化技术还不能进行产业化应用，开发一种平面类阀门的密封面激光表面强化的专用设备以降低使用阀门密封面激光强化成本，实现在平面类阀门的密封面低成本的可批量化、产业化应用，有十分重要的意义。

发明内容

鉴于背景技术存在的不足，本发明要解决的技术问题是提供一种能够对平面类阀门密封面进行激光表面强化的平面类阀门密封面的激光表面强化加工设备。

为此，本发明是采用如下技术方案来实现的：一种用于平面类阀门密封面的激光表面强化加工设备，其特征在于包括控制柜、送粉装置和激光加工装置，所述控制柜内设置有控制器，所述激光加工装置具有立柱，所述立柱上套装有全方位转动的摇臂，所述摇臂上设有水平移动的第一滑台，在所述第一滑台上安装有竖直移动的第二滑台，所述第二滑台上设有激光头和送粉头，所述送粉头与所述送粉装置连接，所述摇臂在立柱上上下移动，与第二滑台的移动方向平行构成双Z轴结构，在所述立柱的周围设有加工工位。

所述摇臂上设有第一电机，所述第一滑台由所述第一电机驱动，所述第一电机与所述控制器连接。

所述在第一滑台上安装第二电机，所述第二滑台由第二电机驱动，所述第二电机与所述控制器连接。

所述立柱上设有摇臂升降丝杆，所述摇臂升降丝杆与所述摇臂螺接，且所述摇臂升降丝杆与安装在所述立柱上的第三电机连接，所述第三电机与所述控制器连接。

所述摇臂在所述立柱上的套装部位与一驱动装置传动连接，使得摇臂绕着所述立柱旋转，所述驱动装置与所述控制器连接。

所述加工工位采用数控旋转工作台，所述数控旋转工作台与所述的控制器连接，所述加工工位可以有1-4个，分布在所述的立柱周围，通过旋转摇臂实现多工位加工。

所述控制器包括电脑、运动控制卡、电机驱动器，所述电脑中安装有运动控制软件，所述运动控制软件通过运动控制卡和电机驱动器对各个电机控制，实现所述数控旋转工作台、所述的第一滑台和所述的第二滑台同步运行。

一种采用上述加工设备的平面阀门类密封面的激光表面强化方法，将需要加工的平面类阀门工件固定在加工工位上，并在运动控制软件中选择与准备加工的平面类阀门工件相对应的加工模型，而后将开启激光头使其发出可见指示光，通过移动所述的第一滑台和第二滑台，调整焦距，将可见指示光的焦点对准平面类阀门工件的中心点，然后在所述运动控制软件中选择的加工模型上设定加工起始点参数、加工结束点的参数和螺距，加工开始后，控制器控制各个电机将激光焦点移动到设定的加工起始点后开启激光和送粉器，同时控制第一滑台电机、数控旋转工作台，其激光焦点在工件表面的轨迹以等速阿基米德螺旋线运动，当所述激光头的焦点移动到加工结束点时，便加工结束。

所述的等速阿基米德螺旋线上的所述加工起始点的参数为加工起始点所在的圆的半径，所述加工结束点的参数为加工结束点所在的圆半径。

所述加工起始点的参数和所述加工结束点的参数，可以通过移动电机以手动示教方式输入。

本发明的这种结构，其摇臂和第二滑台的上下升降采用了双Z轴结构，对于调节加工件的加工位置具有很高的精确度，同时由于所有执行件均通过控制器集中控制，具有结构紧凑、联合控制的特点，其加工过程和准备过程互不干涉，因而具有加工精度高、加工层的质量得到良好的控制，而且操作方便简单的优点。

其采用的上述加工方法，采用激光作为热源的堆焊方式，与上述传统的堆焊工艺相比，能量的输出和加热的范围具有良好的可控性，非常容易实现自动化加工，其加工轨迹为阿基米德螺旋线，等距等速，受热均匀，热应力均匀，熔覆后的表面不易开裂。

附图说明

图1为本发明的整体结构图；

图2为本发明激光加工装置的结构图；

图3为本发明放置工位变位器时激光加工装置的结构图；

图4为本发明激光加工装置的正面结构图。

具体实施方式

参照附图，这种用于平面类阀门密封面的激光表面强化加工设备，包括控制柜17、送粉装置18和激光加工装置19，所述控制柜17内设置有控制器，所述激光加工装置19具有立柱，所述立柱1上通过轴套10套装有全方位转动的摇臂4，其中摇臂4可以手动转动，也可以电动转动；手动转动时，是摇臂4的套装部位的轴套10上设置一个紧固螺栓9，当摇臂4手动转动到某一位置时，旋紧螺栓4，将摇臂4予以固定。电动转动时，是将摇臂4在所述立柱1上的套装部位即轴套10与一驱动装置传动连接，这种驱动装置可以是电机，利用电机的转轴传动连接齿轮，在摇臂的套装部位安装一个具有外齿的齿圈，齿圈与齿轮啮合（该结构图中未示出），驱动电机，该电机与控制器连接，控制器指令驱动电机工作，即可达到使摇臂4绕着立柱旋转的目的。所述摇臂4上设有水平移动的第一滑台7，并在摇臂4上安装第一电机5，所述第一电机5驱动第一滑台7，其第一滑台7是由如下方式由第一电机驱动的：所述摇臂4上设有第一丝杆12，所述第一滑台7上设有与所述第一丝杆匹配12的螺孔，且所述第一丝杆12与安装在摇臂4上的第一电机5连接，所述第一电机5与所述控制器连接。

当第一电机5工作时，带动第一丝杆12转动，便可使得第一滑台7在摇臂上来回移动；在所述第一滑台7上安装有竖直移动的第二滑台，在第一滑台7上安装有第二电机16，第二滑台11由第二电机16驱动，具体是在所述第一滑台7上设有第二丝杆（图中未示出），并具有一移动架，该移动架上具有与第二丝杆匹配的螺孔，移动架上连接有第二滑台11，所述第二丝杆与安装在第一滑台7上的第二电机16连接，所述第二电机16与所述控制器连接。第二电机16工作时，便可使得第二滑台11上下往复运动；所述第二滑台上设有激光头8和送粉头13，所述送粉头13与所述送粉装置18连接，所述摇臂4在立柱1上上下移动，与第二滑台11的移动方向平行构成双Z轴结构。

所述立柱1上设有摇臂升降丝杆3，所述摇臂升降丝杆3与所述摇臂4螺接，且所述摇臂升降丝杆3与安装在所述立柱1上的第三电机2连接，所述第三电机2与所述控制器连接，这种结构与第二丝杆形成双Z轴结构，摇臂升降丝杆3用以激光头的粗调节，以调节激光头8与被加工件的大致高度；第二丝杆用来微调节，用来调节激光头激光的聚焦点。在所述立柱的周围分布有1-4个加工工位，通过旋转摇臂实现多工位加工。

在各个加工工位上设有相应的数控旋转工作台15，所述的数控旋转工作台15在一个正方形或者长方形的角上或者边上，因而，当一个工位数控旋转工作台15上的加工件在加工时，不会影响到其它工位变位器的准备工作。上述第一滑台7在水平回来移动时，由于激光头8安装在第二滑台11上，且第二滑台11又安装在第一滑台7上，故而可以使得激光头8可以在水平方向移动；其第二电机16的工作，可以使激光头8带着送粉头13在竖直方向上移动。

所述控制器包括电脑、运动控制卡、电机驱动器，所述电脑中安装有运动控制软件，所述运动控制软件通过运动控制卡和电机驱动器对各个电机控制，实现所述数控旋转工作台、所述的第一滑台和所述的第二滑台同步运行。所述的运动控制软件具备多种专用运动控制模型，所述的专用运动控制模型对应不同的平面类阀门工件。

本发明在对加工件进行激光熔覆或者淬火时，只要将平面类阀门的密封面，如闸板阀的密封面、蝶阀的密封面、密封环等固定在数控旋转工作台14上，在控制器的控制下，先驱动第三电机2，控制好摇臂4的高度，然后送粉装置在控制器的控制下工作，在送粉头13载气送粉后，控制器控制第一电机5和第二电机16，即控制送粉头13和激光头8的位置，同时控制数控旋转工作台15，以控制数控旋转工作台14上密封面的位置状态，激光头工作后，便对密封面进行熔覆或者淬火的表面强化加工。

上述的各个电机均为伺服电机，这些伺服电机和数控旋转工作台均在控制器的协调控制下协同工作，因而，其电机和数控旋转工作台均是控制器的执行件。在控制器发出指令时，各个执行件联合协调工作，以完成被加工件的加工过程。

以下详细描述采用上述加工设备对平面密封阀的激光表面强化加工方法：

这种加工方法，是将需要加工的平面阀门类工件固定在加工工位上，并在运送控制软件中选择与准备加工的平面类阀门工件相对应的加工模型，而后将开启激光头8使其发出可见指示光，通过移动所述的第一滑台7和第二滑台11，调整焦距，将可见指示光的焦点对准平面类阀门工件的中心点，在所述的运动控制软件中选择与准备加工的平面类阀门工件相对应的专用运动控制模型，选择数字输入方式，然后在所述运动控制软件中所选择的加工模型上设定起点参数、加工结束点参数和螺距；加工开始后，控制器控制各个电机将激光焦点移动到设定的加工起始点后开启激光和送粉装置18，同时控制第一滑台7、数控旋转台15，其激光焦点在工件表面的轨迹以等速阿基米德螺旋线运动，当激光头的焦点移动到加工结束点时，便加工结束。

其中，所述阿基米德螺旋线上的所述加工起始点的为加工起始点所在圆的半径，所述加工结束点的参数为加工结束点所在圆的半径，在加工轨迹中，其任何一点激光头移动的线速度相等。本实施例中，其加工起始点的参数和加工结束点的参数也可以通过手动示教式方式输入，所谓的手动示教式输入，是在所述的运动控制软件中选择与准备加工的平面类阀门工件相对应的专用运动控制模型，选择示教输入方式，然后在所述专用运动控制模型上设定螺距参数；开启激光头使其发出可见指示光，通过移动所述的第一滑台7和第二滑台11，调整焦距，依次将可见指示光的焦点对准平面类阀门工件的中心点、起始点、结束点，同时依次在模型中确认中心点坐标、起始点坐标、结束点坐标。这种加工方法，激光头的移动速度等速，阿基米德螺旋线的轨迹等距，因而，熔覆时产生的热量均匀，热应力也非常均匀，有效避免了平面密封阀表面熔覆后容易开裂的不足。

Claims (10)

1.一种用于平面类阀门密封面的激光表面强化加工设备，其特征在于包括控制柜、送粉装置和激光加工装置，所述控制柜内设置有控制器，所述激光加工装置具有立柱，所述立柱上套装有全方位转动的摇臂，所述摇臂上设有水平移动的第一滑台，在所述第一滑台上安装有竖直移动的第二滑台，所述第二滑台上设有激光头和送粉头，所述送粉头与所述送粉装置连接，所述摇臂在立柱上上下移动，与第二滑台的移动方向平行构成双Z轴结构，在所述立柱的周围设有加工工位。

2.根据权利要求1所述的用于平面类阀门密封面的激光表面强化加工设备，其特征在于所述摇臂上设有第一电机，所述第一滑台由所述第一电机驱动，所述第一电机与所述控制器连接。

3.根据权利要求1所述的平用于平面类阀门密封面的激光表面强化加工设备，其特征在于所述在第一滑台上安装第二电机，所述第二滑台由第二电机驱动，所述第二电机与所述控制器连接。

4.根据权利要求1所述的用于平面类阀门密封面的激光表面强化加工设备，其特征在于所述立柱上设有摇臂升降丝杆，所述摇臂升降丝杆与所述摇臂螺接，且所述摇臂升降丝杆与安装在所述立柱上的第三电机连接，所述第三电机与所述控制器连接。

5.根据权利要求1所述的用于平面类阀门密封面的激光表面强化加工设备，其特征在于所述摇臂在所述立柱上的套装部位与一驱动装置传动连接，使得摇臂绕着所述立柱旋转，所述驱动装置与所述控制器连接。

6.根据权利要求1所述的用于平面类阀门密封面的激光表面强化加工设备，其特征在于所述加工工位采用数控旋转工作台，所述数控旋转工作台与所述的控制器连接，所述加工工位可以有1-4个，分布在所述的立柱周围，通过旋转摇臂实现多工位加工。

7.根据权利要求6所述的用于平面类阀门密封面的激光表面强化加工设备，其特征在于所述控制器包括电脑、运动控制卡、电机驱动器，所述电脑中安装有运动控制软件，所述运动控制软件通过运动控制卡和电机驱动器对各个电机控制，实现所述数控旋转工作台、所述的第一滑台和所述的第二滑台同步运行。

8.一种采用权利要求1-8任何一项所述加工设备的平面阀门类密封面的激光表面强化加工方法，其特征在于将需要加工的平面类阀门工件固定在加工工位上，并在运动控制软件中选择与准备加工的平面类阀门工件相对应的加工模型，而后将开启激光头使其发出可见指示光，通过移动所述的第一滑台和第二滑台，调整焦距，将可见指示光的焦点对准平面类阀门工件的中心点，然后在所述运动控制软件中的选择的加工模型上设定加工起始点参数、加工结束点的参数和螺距；加工开始后，控制器控制各个电机将激光焦点移动到设定的加工起始点后开启激光和送粉装置，同时控制第一滑台电机、数控旋转工作台，其激光焦点在工件表面的轨迹以等速阿基米德螺旋线运动，当所述激光头的焦点移动到加工结束点时，便加工结束。

9.根据权利要求8所述加工设备的平面阀门类密封面的激光表面强化加工方法，其特征在于所述的等速阿基米德螺旋线上的所述加工起始点的参数为加工起始点所在的圆的半径，所述加工结束点的参数为加工结束点所在的圆半径。

10.根据权利要求9所述加工设备的平面阀门类密封面的激光表面强化加工方法，其特征在于所述加工起始点的参数和所述加工结束点的参数，可以通过移动电机以手动示教方式输入。