CN108165987B - 一种机床主轴内孔的修复装置和修复方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种机床主轴内孔的修复装置和修复方法，基于激光熔覆技术，通过送粉装置在废旧主轴内孔磨损表面上熔覆粉末，并同时经激光熔化使之和主轴内孔待修复面的薄层冶金结合，快速凝固后形成稀释度极低且与内孔薄层材料冶金结合的表面涂层，从而修复机床主轴内孔并达到基体原本具有的性能。该装置由激光器、激光熔覆头、送粉系统和冷却系统等部分组成。

Description

一种机床主轴内孔的修复装置和修复方法

技术领域

本项发明涉及与激光熔覆和再制造设备相配套的装置技术领域，尤其是一种修复机床主轴内孔的方法及其应用的修复装置。

背景技术

目前我国拥有传统旧机床已超过200多万台，并且大多数机床正超期服役。主轴是一种典型的机床部件，具有很高的回收利用价值和再制造价值潜力。而机床主轴上负责将转矩和运动传递给切削工具，主轴上的内孔一旦研伤、磨损，铁削的腐蚀等损伤，就严重其几何精度（如端面跳动和径向跳动），从而影响加工精度。因此，如何修复主轴内孔已经成为修复主轴的关键。

目前修复主轴内孔的工艺有电镀工艺修复、粘接工艺修复、等离子喷涂工艺修复，其中电镀工艺修复存在的问题是，电镀工艺消耗时间长，而且镀层脆性大，易断裂，不适合受冲击或长时静载压力零件的修复。经粘接工艺通过使用粘接剂来修复机械装备及产品的损伤部位，粘接修复后的零件不适用与高温工作环境，且抗冲击性能较差，易老化，经粘接修复后的零件其使用寿命将大大缩短。等离子喷涂工艺一般适用于轴和轴颈的修复，喷丝后的零件表面一般具有高的耐腐蚀性，但其由于半冶金半机械的结合方式使得涂层质量较差。这些方式都可能会使主轴内孔表面产生二次断裂或损坏，需要二次修复。

激光熔覆技术是—种涉及光、机、电、计算机、材料、物理、化学等多门学科的跨学科高新技术。激光熔覆技术是一种经济效益很高的新技术，它可以在廉价金属基材上制备出高性能的合金表面而不影响基体的性质，从而节约贵重稀有金属材料，降低成本。因此，世界上各工业先进国家对激光熔覆技术的研究及应用都非常重视。

激光熔覆技术可对产品的表面进行修复，通过维修可降低其再制造的成本。另外，对内孔表面通过激光熔覆超耐磨抗蚀合金，可以在内孔表面不变形的情况下大大提高零部件的使用寿命。目前，大多数的激光熔覆头采用侧向送粉装置，送粉不均匀，难以完成内孔的修复，从而改善废旧主轴的几何精度如端面跳动和径向跳动。

发明内容

发明目的：本发明的目的是为了解决废旧机床主轴的内孔存在的磨损和精度被破坏的问题。

技术方案：

一种机床主轴内孔的修复装置，该装置包括激光器、激光熔覆头、送粉系统和冷却系统；

所述送粉系统包括送粉器，送粉器通过送粉管连接激光熔覆头；

所述激光器与激光熔覆头连接；

所述冷却系统包括通过进出水管连接激光熔覆头的冷水机组；

所述激光熔覆头的头部为锥状的中心导光筒，所述中心导光筒四周为通粉锥套，所述通粉锥套顶部开有粉嘴，通粉锥套另一端连接送粉管；

所述中心导光筒内设置有积分镜，所述积分镜使激光束偏移并垂直于内孔待修复表面；

所述积分镜通过反射镜形成光路与激光器连接。

所述的机床主轴内孔的修复装置，优选地：所述送粉器的送粉管通过分粉器分为4路并连接至通粉锥套。

所述的机床主轴内孔的修复装置，优选地：所述激光熔覆头的积分镜下方设置有保护镜。

所述的机床主轴内孔的修复装置，优选地：所述积分镜后设置有冷却腔。

所述的机床主轴内孔的修复装置，优选地：分出的4路送粉管均经过保护套内，通过快速接头与通粉锥套的送粉口连接。

所述的机床主轴内孔的修复装置，优选地：所述进出水管经过保护套内，与冷却腔和中心导光筒的进出水口组成冷却水回路。

基于所述装置的机床主轴内孔修复方法，包括如下步骤：

步骤1：将待加工主轴零件用三爪自定心卡盘固定好，使其轴线与工作台的表面平行；

步骤2：确定主轴内孔待修复区域，调整激光熔覆头在主轴内孔的位置，使之垂直于内孔待修复表面；

步骤3：通过控制系统的操作台，开启冷水机组和激光器，调整激光功率和激光速度等工艺参数；装置内部的积分镜对激光反射聚焦，穿过保护镜后再送粉嘴外侧聚焦；

步骤4：通过工控台调节激光熔覆修复的其它工艺参数，开启送粉器和气压装置进行送粉，调节送粉速率，给定合适的送粉速率等；

步骤5：激光与粉末相互作用，将熔融材料涂覆到待修复表面，使主轴内孔待修复区，熔覆一层或多层铁基合金粉末、镍基合金粉末、钴基合金粉末或金属陶瓷复合粉末。

优点及效果：相对于传统修复内孔的方法和设备，本发明极大的提高了修复后熔覆层和主轴的结合强度，达到了铸造件的力学性能的标准，避免了二次修复再次磨损。本发明可以用来解决机床主轴内孔难以修复的问题，修正废旧主轴的由于磨损带来的端面跳动和径向跳动的误差，实现废旧机床的再制造。

附图说明

图1是本发明的基于一种修复机床主轴内孔方法的修复装置总装配图；

图2是本发明的基于一种修复机床主轴内孔方法的修复装置主视图；

图3是激光熔覆头主体侧向剖视图示意图；

图中标注：1送粉器；2分粉器；3送粉管；4激光器；5反射镜；6保护套；7连接件；8冷水机组；9激光熔覆头；10进出水管；11快速接头；12积分镜；13冷却腔；14中心导光筒；15保护镜；16粉嘴；17通粉锥套；18进出水口；19送粉口。

具体实施方式

本发明的技术思想是基于激光熔覆技术，通过送粉装置在废旧主轴内孔磨损表面上熔覆粉末，并同时经激光熔化使之和主轴内孔待修复面的薄层冶金结合，快速凝固后形成稀释度极低且与内孔薄层材料冶金结合的表面涂层，从而修复机床主轴内孔并达到基体原本具有的性能。

下面结合本发明实施例中的附图1、图2和图3，对本发明实施例中的技术方案进行描述；

本发明提出了一种基于修复机床主轴内孔方法的修复装置，包括1送粉器；2分粉器；3送粉管；4激光器；5反射镜；6保护套；7连接件；8冷水机组；9激光熔覆头；10进出水管；11快速接头；12积分镜；13冷却腔；14中心导光筒；15保护镜；16粉嘴；17通粉锥套；18进出水口；19送粉口。激光熔覆头9包括进出水口18，送粉管3，积分镜12，通粉锥套17，粉嘴16，中心导光筒14。激光熔覆头9与连接件7通过螺栓连接，并同时与导光筒螺纹连接。反射镜5、积分镜12和保护镜15内置于中心导光筒14和激光熔覆头9中，通过反射镜5反射使激光束偏移一定角度，改变激光路径；通过积分镜将激光反射聚焦，汇聚到焦点同时作用在粉末上，使激光束垂直于内孔待修复表面，将熔融状的材料涂覆到废旧主轴代修复表面上；积分镜下方配有保护镜，用于保护积分镜免于激光熔覆时粉末飞溅时带来的污染。

送粉系统包括送粉器、分粉器、送粉口和送粉导管，送粉器上端有送粉筒，送粉筒上伸出一根送粉导管，送粉导管和分粉器相连接，由分粉器重新分配出四路送粉导管，四路送粉导管与激光熔覆头主体的送粉口通过快速接头连接，四路送粉管内置于保护套中，并均匀的分布在保护套内，粉流依次通过送粉管3，快速接头11，送粉口19进入通粉锥套中。冷却系统由冷水机组、进水管、出水管、冷却水口和冷却水腔组成。连接件7上有六个螺纹孔，分别与六个快速接头11相配合，其中的两个快速接头11与进出水管连接。进出水管内置于保护套中，与激光熔覆头主体的进出水口依次通过快速接头连接，冷却循环水从进出水口18循环从而起到冷却保护积分镜12的作用。控制系统与激光熔覆设备的工控机相连接，工控机还与驱动装置连接和工作面板相连接。

激光束先由反射镜5反射再由积分镜12聚焦且偏移一定角度形成锥形光束，并从中心导光筒14通过，中心导光筒14均匀分布四个圆口，其轴线与粉嘴16的轴线相平行，粉流从圆口对称的进入到送粉锥套17中，形成均匀的粉帘，并同时减低粉流速度的影响。送粉锥套17上宽下窄，从而保证粉流进入送粉锥套17后中，先扩散，后汇聚，再由粉嘴16送出，进而保证粉流经过粉嘴16后形成的粉流环的聚焦性和均匀性。经过偏移后的激光束照射待修复的废旧机床主轴内孔表面，高温熔化流后形成熔覆层，从而达到修复的效果。

请参阅图1，并结合参阅图2及图3所示，本发明还提供了一种修复废旧机床主轴内孔的方法，其是采用如权利要求所述的激光再制造装备，包括如下步骤：

步骤1：将待加工主轴零件用三爪自定心卡盘固定好，使其轴线与工作台的表面平行。

步骤2：确定主轴内孔待修复区域，调整内孔熔覆头在主轴内孔的位置，使之垂直于内孔待修复表面

步骤3：通过控制系统的操作台，开启冷却水机组和激光器，调整激光功率和激光速度等工艺参数。

步骤4：通过工控台调节激光熔覆修复的其它工艺参数，开启送粉器和气压装置进行送粉，调节送粉速率，给定合适的送粉速率等。

步骤5：使主轴内孔待修复区，熔覆一层或多层铁基合金粉末、镍基合金粉末、钴基合金粉末或金属陶瓷复合粉末。

所述的用于主轴内孔修复的激光熔覆方法，其中激光熔覆头是连续输出激光，激光器为气体激光器或固体激光器均可。

激光内孔熔覆头可以进行轴向的伸缩，在废旧主轴内孔中可以在任意位置定位。

可以加工一定锥度的主轴内孔。

实施例，现以镍基合金材料作熔覆材料为例做具体说明：

步骤1：将待加工主轴零件用三爪自定心卡盘固定好，使其轴线与工作台的表面平行。

步骤2：确定主轴内孔待修复区域，调整内孔熔覆头在主轴内孔的位置，使之垂直于内孔待修复表面

步骤3：通过控制系统的操作台，开启冷水机组和激光器，调整激光功率和激光速度等工艺参数。

步骤4：通过工控台调节激光熔覆修复的其它工艺参数，开启送粉器和气压装置进行送粉，调节送粉速率，给定合适的送粉速率等。

步骤5：使主轴内孔待修复区，熔覆一层或多层铁基合金粉末、镍基合金粉末、钴基合金粉末或金属陶瓷复合粉末。

所述的用于主轴内孔修复的激光熔覆方法，其中激光熔覆头是连续输出激光，激光器为气体激光器或固体激光器均可。

激光内孔熔覆头可以进行轴向的伸缩，在废旧主轴内孔中可以在任意位置定位。本设备可以加工一定锥度的主轴内孔。

Claims (5)

1.一种机床主轴内孔的修复装置，其特征在于：该装置包括激光器、激光熔覆头、送粉系统和冷却系统，

所述送粉系统包括送粉器（1），送粉器通过送粉管连接激光熔覆头（9）；

所述激光器（4）与激光熔覆头（9）连接；

所述冷却系统包括通过进出水管（10）连接激光熔覆头（9）的冷水机组（8）；

所述激光熔覆头（9）的头部为锥状的中心导光筒（14），所述中心导光筒（14）四周为通粉锥套（17），所述通粉锥套（17）顶部开有粉嘴（16），通粉锥套（17）另一端连接送粉管；所述粉嘴（16）为环状；

所述中心导光筒（14）内设置有积分镜（12），所述积分镜（12）使激光束偏移并垂直于内孔待修复表面；

所述积分镜（12）通过反射镜（5）形成光路与激光器（4）连接；

所述送粉器（1）的送粉管（3）通过分粉器（2）分为4路，4路送粉管（3）均经过保护套（6）内，通过快速接头（11）与通粉锥套（17）的送粉口（19）连接；

四路送粉管内置于保护套中，并均匀的分布在保护套内，中心导光筒（14）均匀分布四个圆口，其轴线与粉嘴（16）的轴线相平行，粉流从圆口对称的进入到通粉锥套（17）中，形成均匀的粉帘，通粉锥套（17）上宽下窄，保证粉流进入通粉锥套（17）后中，先扩散，后汇聚，再由粉嘴（16）送出。

2.根据权利要求1所述的机床主轴内孔的修复装置，其特征在于：所述激光熔覆头（9）的积分镜（12）下方设置有保护镜（15）。

3.根据权利要求1所述的机床主轴内孔的修复装置，其特征在于：所述积分镜（12）后设置有冷却腔（13）。

4.根据权利要求3所述的机床主轴内孔的修复装置，其特征在于：所述进出水管（10）经过保护套（6）内，与冷却腔（13）和中心导光筒（14）的进出水口（18）组成冷却水回路。

5.一种使用如权利要求1所述装置的机床主轴内孔修复方法，包括如下步骤：

步骤1：将待加工主轴零件用三爪自定心卡盘固定好，使其轴线与工作台的表面平行；

步骤2：确定主轴内孔待修复区域，调整激光熔覆头（9）在主轴内孔的位置，使之垂直于内孔待修复表面；

步骤3：通过控制系统的操作台，开启冷水机组（8）和激光器（4），调整激光功率和激光速度等工艺参数；装置内部的积分镜（12）对激光反射聚焦，穿过保护镜（15）后再送粉嘴（16）外侧聚焦；

步骤4：通过工控台调节激光熔覆修复的其它工艺参数，开启送粉器（1）和气压装置进行送粉，调节送粉速率，给定合适的送粉速率；使得粉流从圆口对称的进入到通粉锥套（17）中且粉流进入通粉锥套（17）时的方向与粉嘴（16）的轴线相平行，进而形成均匀的粉帘，并同时减低粉流速度的影响，之后使得与粉嘴（16）的轴线相平行的粉流扩散后再汇聚，再由粉嘴（16）送出；

步骤5：激光与粉末相互作用，将熔融材料涂覆到待修复表面，使主轴内孔待修复区，熔覆一层或多层铁基合金粉末、镍基合金粉末、钴基合金粉末或金属陶瓷复合粉末。

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