CN106623574B - 一种基于激光加热的旋压成形设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于激光加热的旋压成形设备，包括成形系统、加热系统和控制系统；所述成形系统包括机体、尾顶、旋压工作台和旋轮架，用于安装旋压成形模具和工具，以及固定旋压坯料；所述加热系统包括激光加热装置、支架、加热工作台和测温装置，激光加热装置对旋压坯料表面进行辐照加热，形成加热区，所述加热工作台固定在设在机体上的支架上，用于带动激光加热装置移动和转动；同时测温装置对加热区内的温度进行实时检测；所述控制系统分别与成形系统和加热系统相连，用于控制成形系统和加热系统的协调工作。本发明采用激光作为加热热源，加热效率高，工艺柔性好、稳定性高，成形制件的精度高，表面质量好，设备自动化程度高，便于操作。

Description

一种基于激光加热的旋压成形设备

技术领域

本发明涉及金属塑性加工装备技术领域，尤其涉及一种基于激光加热的旋压成形设备。

背景技术

旋压技术作为一种先进的近净成形工艺，在空心回转体零件的加工中得到了广泛的应用。除了节省材料外，旋压成形还具有成形载荷小、对成形设备吨位要求低、材料变形条件好等特点，因此近年来随着难加工材料的应用逐渐增多，热旋技术得到了更多的关注。常用的热旋方式有两种，一种是内部电阻加热，另一种方式是外部火焰加热,这两种方法均存在加热不均匀、加热效率低下以及环境污染等问题。专利号为CNIO3272948A提出了一种旋压加热装置，试图改善热旋过程中存在的问题，专利号为CNIO5537356A提出了一种感应加热旋压成形系统，但都不可避免地要预热旋压模具，需多个工作人员协同工作，且成形过程中热辐射大，不仅会损伤旋压设备和旋压模具，而且劳动强度大。

随着光纤激光技术的逐渐成熟，应用高能量密度的激光替代常规能源对旋压坯料进行在线加热成为可能，控制激光参数可以在不加热旋压模具的情况下实现对加热区域温度的精确控制，加热效果差的问题有望得到解决。激光加热涉及到多个参数，不仅包括激光参数，还包括旋压成形的工艺参数，需要通过参数间的合理匹配才能保证加热效果。由于目前尚无用于基于激光加热的旋压设备，而现有旋压设备的结构无法满足激光头的运动需求，因此需要将激光头安装到单独的加工系统中方能进行基于激光加热的旋压成形。这样，激光加热轨迹和旋轮轨迹的加载将分由两套系统执行，需要通过人工干预才能保证两套系统的协调运作，存在操作难的问题。同时，为了在激光加热轨迹加载过程中避免激光头与旋压设备(包括旋压工具)的干涉，一般将激光头安装在机器人加工系统，系统中的机器人具备六个自由度。由于机器人加工系统自由度多，需要使用专用的上位软件来处理算法，进而实现激光头的运动规划，因此生产工艺人员必须具备机器人操作的专业知识。如何简化成形装置的结构，降低成形难度，提高生产效率，实现生产的自动化是基于激光加热旋压技术应用过程中需要解决的问题。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的一种基于激光加热的旋压成形设备。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种基于激光加热的旋压成形设备包括成形系统、加热系统和控制系统；所述成形系统包括机体、尾顶、旋压工作台和旋轮架，用于安装旋压成形模具和工具，以及固定旋压坯料；所述加热系统包括激光加热装置、支架、加热工作台和测温装置，激光加热装置对旋压坯料表面进行辐照加热，形成加热区，所述支架固定在机体上侧，所述加热工作台固定在所述支架上，用于带动激光加热装置移动和转动；同时测温装置对加热区内的温度进行实时检测；所述控制系统分别与成形系统和加热系统相连，用于控制成形系统和加热系统的协调工作。

优选的，旋压坯料的塑性成形由成形系统实现，所述机体的一侧设有主轴箱，所述主轴箱内设有Z轴方向的主轴，用于连接旋压模具；所述机体的另一侧连接有尾顶，所述尾顶与主轴保持同轴，用于固定旋压坯料；所述旋压工作台连接在设于机体的纵向导轨上，用于安装所述旋轮架，所述旋压成形工具为旋轮，所述旋轮架上安装有所述旋轮，成形时，按旋压件的几何形状、壁厚及材料性能的要求调整旋压工作台，旋轮架带动旋轮沿实现旋轮轨迹的加载。

优选的,所述旋轮架数量为1个或2个或3个。

优选的，激光加热装置包括激光器、光纤和激光加热头，激光器和激光加热头通过光纤连接。

优选的，所述激光器为光纤激光器，独立于所述机体单独设置。

优选的，所述激光器加热头对激光进行准直聚焦，使得激光器输出的激光能满足一定厚度材料的加热需求。

优选的，所述加热工作台包括十字滑台和双轴转台；所述支架固定在设于机体一侧的主轴箱上方，水平设置，与所述主轴轴线(纵向，Z轴)平行；所述十字滑台安装在所述支架上，用于所述激光加热头沿主轴轴线(纵向，Z向)移动和垂直于地面方向(竖向，Y向)移动；所述双轴转台安装在十字滑台底端，用于带动激光加热头绕所述主轴轴线(Z轴)和垂直于十字滑台平面(X轴)旋转。

优选的，所述十字滑台包括纵向滑台和竖向滑台，纵向滑台固定在所述支架上，竖向滑台活动安装纵向滑台上，纵向滑台和竖向滑台在控制系统的控制下可实现Z轴和Y轴的联动，用于加载激光加热轨迹。

优选的，所述双轴转台包括横向转台和纵向转台，横向转台固定在设于十字滑台的竖向滑台的滑块上，所述激光加热头固定在纵向转台上，用于调整激光束聚焦在旋压坯料表面的位置，纵向转台固定在横向转台上，用于调整激光束的辐照角度。

优选的，测温装置连接在纵向转台或激光加热头上，对加热区进行非接触式温度检测，并将结果输入控制系统，通过控制系统与激光器和/或加热工作台进行信息交互实现加热温度的闭环控制。

本发明提出的一种基于激光加热的旋压成形设备，其有效益效果是：采用激光作为加热热源，材料吸收激光能量，瞬间即可达到塑性变形所需温度，加热效率高，节约能源，绿色环保；对变形区材料的局部加热，不受旋压件尺寸和形状的限制，工艺柔性好；通过调整激光参数及其辐照区域，实现了加热温度及加热深度的精确控制，旋压工艺稳定性高，旋压件变形小，成形精度高；通过控制加热深度，减少热量输入，降低了劳动强度和成形过程的热辐射，有效提高旋压设备及工艺装备的使用寿命，改善了工作环境；加热旋压由控制系统控制完成，操作方便，便于实现自动化。

附图说明

图1为本发明的立体结构图；

图2为图1所示本发明工作原理示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

参照图1-2，一种基于激光加热的旋压成形设备，包括激光加热系统1、成形系统2和控制系统3；

成形系统包括机体21、旋压工作台22、旋轮架23、尾顶24，用于安装旋压成形模具和工具，所述旋压成形模具和工具根据旋压件进行配套设计，本实施方式中，所述旋压成形模具采用芯模25和所述旋压成形工具采用旋轮26；机体21的一侧设有主轴箱211，主轴箱内安装有主轴212，轴线为Z轴，主轴212的转速通过传动变速装置进行调整，主轴212的输出端同轴连接有芯模25，芯模25上套接有旋压坯料4；设于机体21另一侧的尾顶24与芯模25轴线重合，由油缸27驱动；机体1上设有纵向导轨213，旋压工作台22活动安装在纵向导轨213上，并沿纵向导轨213(Z轴方向)进给运动；旋轮架23活动安装在旋压工作台22上，并沿旋压工作台22作横向(X轴方向)进给运动，优选的，旋压工作台22可设有横向导轨且将旋轮架23安装在横向导轨上进行进给运动或旋轮架底面23安装有滚轮进行进给运动；旋轮架23上设有旋轮26，所述旋轮26为旋压成形工具，旋轮架23及旋轮26组件的数量和分布形式根据旋压件的几何形状、壁厚及材料性能进行设计，数量为1组或2组或3组，根据成形工艺进行选用；当数量为两组时，旋轮26对称安装于旋压坯料4两侧；当数量为3组时，旋轮26绕Z轴呈120度分布于旋压坯料4外侧，旋压工作台22和旋轮架23与控制系统3连接。

激光加热系统1包括支架11、加热工作台12、激光加热装置13和测温装置14；所述激光加热装置13包括激光加热头131、激光器131和光纤133，所述激光器132为光纤激光器，激光加热头131与激光器132通过光纤133连接；支架11固定在主轴箱211上方，支架11上安装有加热工作台12，加热工作台12上设有纵向滑台121和固定安装在纵向滑台121的滑台上的竖向滑台122，所述滑台可纵向移动，横向转台123可上下滑动(Y轴方向)，也可绕X轴转动，横向转台123上固定有纵向转台124，所述纵向转台123可绕Z轴转动，纵向转台124上固定有激光加热头131，所述激光加热头131可绕X和/或Z轴转动；测温装置14通过磁性夹具安装在激光加工头131或纵向转台124上，所述测温装置14采用实现非接触式测温装置检测；激光器132的输入端和测温装置14的输出端分别与控制系统11的输出端和输入端电性连接。

所述纵向滑台121和竖向滑台122组成十字滑台，且分别设有纵向滑台导轨和竖向导轨，所述纵向滑台121的滑台和竖向滑台122上的滑块在各自导轨上的直线移动均由步进电机驱动滚珠丝杠实现；所述横向转台123和纵向转台124组成双轴转台，横向转台123和纵向转台转动124均由电机驱动蜗杆，蜗杆带动蜗轮转动实现，通过控制系统可分别调整横向转台123和纵向转台124的角度；当然，也可以在横向转台123和纵向转台124上分别设置手柄驱动蜗杆，蜗杆带动涡轮转动，通过手动方式分别实现横向转台123和纵向转台124绕X轴和Z轴的摆动。

所述旋压成形设备还设有光栅位移传感器，所述光栅位移传感器安装在尾顶24和主轴212之间，用于控制尾顶24的位置；所述旋压成形设备还设有防碰撞传感器，所述防碰撞传感器安装在纵向转台124侧面，用于防止激光加热头131与旋压坯料4的碰撞；所述旋压成形设备还设有非接触式距离传感器，所述非接触式距离传感器安装在激光加热头131对准旋压坯料4的一侧，用于测量激光加热头131到旋压坯料4的距离，从而实现离焦量的调整。

采用基于激光加热的旋压成形设备进行热旋成形，具体实施步骤如下：根据成形旋转坯料4的形状、结构、厚度和材料加热的要求，在控制系统3中设定加工程序；根据成形需要，调整旋轮26在旋压工作台22的位置；将旋压坯料4固定在芯模25上；根据加热需要，转动横向转台123调整激光加热头131输出激光的入射角度，转动纵向转台124调整激光加热头131输出激光与旋轮26与旋压坯料4接触区的圆周夹角，移动纵向滑台121和竖向滑台122调整激光加热头的离焦量；启动加工程序，主轴212带动固定在其上的芯模25转动，旋压坯料4也随之转动，与此同时，激光器132出光，通过激光加热头131准直聚焦激光束，对旋压坯料4表面进行辐照加热，形成加热区，并使得激光器132输出的激光能满足一定厚度材料的加热需求；在控制系统3的控制下，旋轮架23沿旋压工作台22横向进给，旋压工作台22沿机体纵向导轨213进给，通过二者的联动实现旋轮轨迹的加载，加热工作台12带动激光加热头131进给，旋压坯料4上的辐照区域位置连续变化，测温装置14对旋压坯料4上加热区内材料的温度进行实时检测，并将结果传输给控制系统3，当温度偏离成形温度时，控制系统3根据内置调控模型进行调整，带动纵向转台124转动和/或竖向滑台122滑块移动，和/或调整激光器132的输出功率，实现加热区温度的调整；旋轮26对加热区内的材料进行碾压，旋压坯料4产生塑性变形，随着旋压工作台22和加热工作台12的进给，变形扩展至整个旋压坯料4；加工完成后，在控制系统3的控制下，激光器132停止出光，旋压工作台22和加热工作台12回到初始位置，主轴212停转，尾顶24松开，卸下旋压件。

以上，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于激光加热的旋压成形设备，其特征在于，包括成形系统、加热系统和控制系统；所述成形系统包括机体、尾顶、旋压工作台和旋轮架，用于安装旋压成形模具和工具，以及固定旋压坯料；所述加热系统包括激光加热装置、支架、加热工作台和测温装置，激光加热装置对旋压坯料表面进行辐照加热，形成加热区，所述支架固定在机体上侧，所述加热工作台固定在所述支架上，用于带动激光加热装置移动和转动；同时测温装置对加热区内的温度进行实时检测；所述控制系统分别与成形系统和加热系统相连，用于控制成形系统和加热系统的协调工作；旋压坯料的塑性成形由成形系统实现，所述机体的一侧设有主轴箱，所述主轴箱内设有Z轴方向的主轴，用于连接旋压模具；所述机体的另一侧连接有尾顶，所述尾顶与主轴保持同轴，用于固定旋压坯料；所述旋压工作台连接在设于机体的纵向导轨上，用于安装所述旋轮架，旋压成形工具为旋轮，所述旋轮架上安装有所述旋轮，成形时，按旋压件的几何形状、壁厚及材料性能的要求调整旋压工作台，旋轮架带动旋轮沿实现旋轮轨迹的加载；所述加热工作台包括十字滑台和双轴转台；所述支架固定在设于机体一侧的主轴箱上方，水平设置，与所述主轴轴线平行；激光加热装置包括激光器、光纤和激光加热头，激光器和激光加热头通过光纤连接,所述十字滑台安装在所述支架上，用于所述激光加热头沿主轴轴线移动和垂直于地面方向移动；所述双轴转台安装在十字滑台底端，用于带动激光加热头绕所述主轴轴线和垂直于十字滑台平面旋转；所述十字滑台包括纵向滑台和竖向滑台，纵向滑台固定在所述支架上，竖向滑台活动安装纵向滑台上，纵向滑台和竖向滑台在控制系统的控制下可实现Z轴和Y轴的联动，用于加载激光加热轨迹；所述双轴转台包括横向转台和纵向转台，横向转台固定在设于十字滑台的竖向滑台的滑块上，所述激光加热头固定在纵向转台上，用于调整激光束聚焦在旋压坯料表面的位置，纵向转台固定在横向转台上，用于调整激光束的辐照角度。

2.根据权利要求1所述的基于激光加热的旋压成形设备，其特征在于,所述旋轮架数量为1个或2个或3个。

3.根据权利要求1所述的一种基于激光加热的旋压成形设备，其特征在于，所述激光器为光纤激光器，独立于所述机体单独设置。

4.根据权利要求3所述的一种基于激光加热的旋压成形设备，其特征在于，所述激光器加热头对激光进行准直聚焦，使得激光器输出的激光能满足一定厚度材料的加热需求。

5.根据权利要求1所述的基于激光加热的旋压成形设备，其特征在于，测温装置连接在纵向转台或激光加热头上，对加热区进行非接触式温度检测，并将结果输入控制系统，通过控制系统与激光器和/或加热工作台进行信息交互实现加热温度的闭环控制。