CN108866543B - 可伸缩式同轴送粉多功能喷头 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种可伸缩式同轴送粉多功能喷头，其中用于该轴类工件内孔的可伸缩的同轴送粉激光修复的装置包括：连接头，光路折射装置，光路系统，液压系统，冷却装置，喷嘴。其连接头上部与激光发射器或光纤相连接，下部与光路折射装置连接，折射装置用于安装折射镜，用来反射光路。光路系统与折射装置连接，其液压系统连接在光路系统上，当液压系统开通时可以给液压腔供油，进而实现光路的伸缩。冷却装置与折射装置相连，冷却装置上连接冷却液回路系统，安装在其中的聚焦透镜冷却，还有保护镜可以保护聚焦透镜不被污染。本发明可以实现轴类工件内孔的修复工作，即按照设定的激光熔覆工艺参数与液压控制系统实现伸缩式同轴送粉的方法进行修复工作。

Description

可伸缩式同轴送粉多功能喷头

技术领域：本发明涉及与增材制造成形设备及激光熔覆涂层设备相配套的装置技术领域，尤其是种可伸缩的同轴送粉的激光修复轴类工件内孔的装置与方法。

背景技术：

煤炭装备、机床装备和风能装备等都是典型的机电一体化装备，我国《循环经济促进法》中明确支持再制造的产品，具有很高的回收利用价值和再制造价值潜力。举例来说，目前我国已经成为世界上废旧机床装备保有量最大的国家，其中役龄10年以上的传统旧机床装备超过220万，80％正超期服役。因此，大力发展我国的废旧机床装备再制造产业已经成为我国机床装备行业的重中之重。国内对废旧装备再制造的研究与实践已经取得了一定成果，但我国的废旧装备再制造产业还没有实现规模化，还远未达到市场预期的前景。其中最直接的原因就是废旧装备的再制造工艺技术还不够成熟与完善，严重制约了废旧装备再制造产业的发展，因此亟待一些创新的装置和工艺方法。

由于机床主轴锥孔长时间使用会出现不同程度的磨损，主轴锥孔磨损后与刀具锥柄部分配合就会变差，从而导致主轴旋转时刀具跳动变化增大，超出机床的精度要求，使得在金属切削过程中所加工的零部件尺寸精度和几何精度超差，零部件报废，严重时甚至无法正常工作。激光熔覆技术是材料表面改性技术的一种重要的方法，它是利用高能激光束在材料基体表面辐照，通过迅速熔化、扩展和迅速凝固，在其表面上融覆一层能够提高使用性能的材料，从而构成一种新的复合材料，以弥补基体所缺少的性能。在增材制造成形技术中，由于是通过激光熔覆沉积直接制造成形零件，所以相关的技术要求更高。在激光熔覆的过程中，需要输送及熔化粉末，目前常用的送粉及熔覆装置包括同轴送粉或者侧向送粉。由于主轴内孔的孔径有一定的限制，而且内孔中损坏的位置不确定，既要提高修复效率，又要保证修复后的主轴锥孔满足使用的精度要求、硬度要求等性能指标，还要使激光熔覆头结构简单，容易在主轴内孔中完成工作，不影响工作，还要准确地把激光头定位到待修复的位置，所以提出一种结构设计合理且可以按照使用要求进行伸缩的同轴送粉激光熔覆头具有重要的研究及使用意义。

发明内容：

发明目的：本发明的目的是针对机床主轴锥孔长时间使用会出现不同程度的磨损而导致加工后的零件部件尺寸精度和几何精度很差甚至是报废等问题，提出一种可伸缩式同轴送粉多功能喷头，满足激光熔覆头可以对主轴内孔任意损坏的位置进行修复。

技术方案：

一种可伸缩式同轴送粉多功能喷头，包括熔覆头本体和控制系统：

所述熔覆头本体包括从激光源起依次连接的光路系统和喷头，所述光路系统两端有折射装置；

所述折射装置包括光路系统两端的第一折射装置和第二折射装置；其中第一折射装置与激光源之间有连接装置；所述连接装置成柱状，与激光器发射端或光纤连接，在其下部与第一折射装置连接；

第一折射装置和第二折射装置内部设置有折射镜；

所述光路系统中包括五个套筒，从内到外依次为套筒Ⅰ、套筒Ⅱ、隔离套筒、推筒及保护套筒；

其中最里面的套筒Ⅰ作为激光通路Ⅰ，与第一折射装置连接；套筒Ⅱ作为激光通路Ⅱ，与第二折射装置连接，激光通路Ⅱ位于激光通路Ⅰ外侧；

在激光通路Ⅰ中远离第一折射装置的一端外侧设置有阻挡块；

在激光通路Ⅱ中远离第二折射装置的一端内部设置有阻挡块；

在激光通路Ⅱ的外侧设置有隔离套筒，与第一折射装置连接，在激光通路Ⅱ靠近第二折射装置的一端外侧连接有推筒，在远离第二折射装置的一端通过螺纹连接有推板；

保护套筒与第一折射装置连接，所述保护套筒与隔离套筒组成液压腔，在所述保护套筒的外侧有进油路和回油路安装在推板的两侧，还包括管道固定钩；

第二折射装置设置有有水管通道口和气粉管通道口；

所述喷头包括筒状连接头，连接头上部与第二折射装置连接，下部与冷水套连接；冷水套内设置有保护镜Ⅰ、聚焦透镜Ⅱ和固定镜片的压片Ⅲ，在冷水套的上部有与水管连接的进水口和出水口，有中间连接筒的上部与冷水套连接，中间连接筒的下部与锥形喷嘴连接，锥形喷嘴内有四个气粉的通道。

所述可伸缩式同轴送粉多功能喷头，优选地：所述第一折射装置和第二折射装置上均设有用于安放折射镜的托板，并有固定折射镜的压片。

使用上述多功能喷头的内孔修复方法，其特征在于：所述修复方法包括如下步骤：

1)根据修复工件内孔不同位置的需要，通过移动激光通路Ⅱ来带动熔覆头定位到需要修复的位置进行修复，激光通路Ⅰ的长度为L,如果工件内孔需要修复的位置小于激光通路Ⅰ的长度L，就不需要往液压腔里供油，移动激光通路Ⅱ，如果工件内孔需要修复的位置大于激光通路Ⅰ的长度L,则通过进油口向液压腔里面供油，推动推筒带动激光通路Ⅱ使激光熔覆头定位到工件内孔需要修复的位置，进行修复，当需要激光熔覆头进行回缩时，通过出油口向液压腔里供油，产生的推力推动推筒带动激光通路Ⅱ使激光熔覆头回缩到所需要的位置，进行修复。激光熔覆头进行修复工作时移动的距离可以通过往液压腔里面注入的油容量的多少来控制，实现激光熔覆头的定位；

L₂＝L′-L₁

S-单位时间内往液压腔注入油的体积，T-注油时间，D-液压腔的直径，L₁-液压腔不工作时的长度，

2)根据工件内孔损坏程度的不同，对合金粉末所需要的种类和份量的不同，在气粉管的入口端利用工控机来控制合金粉末和气体，在合金粉末的入口端添加不同类型的粉末添加装置，利用气体的压力和流动速度吹动合金粉末到达激光束的焦点位置，可以合理有效的利用合金粉末，提高修复效率；

3)根据上述步骤1)-2)，完成激光熔覆加工。

优点及效果：

进油管和出油管连接在光路系统上的液压腔推板的两侧，可根据待修复工件内孔的位置是否长于激光通路Ⅰ的长度，来决定是否需要开通液压系统往液压腔里面供油，改变激光熔覆头在主轴内孔中的位置，激光熔覆头的移动距离可根据往液压腔里的供油量来确定，提高了激光熔覆头的加工范围，激光通路Ⅱ外侧有保护套筒，避免了液压油渗透到激光通路内，污染激光束，影响激光功率，使得激光熔覆头可以正常工作。

附图说明：

图1是本发明激光源折射装置；

图2光路系统；

图3图2剖视图；

图4图5光路折射装置；

图6图7喷头；

图中1连接装置；2第一折射装置；3托板；4进油口；5光路系统； 6管道固定钩；7回油口；8第二折射装置；9托板；10连接头；11进水口； 12冷水套；13中间连接筒；14锥形喷嘴；15气粉管；16压片Ⅰ；17折射镜Ⅰ；18套筒Ⅰ；19套筒Ⅱ；20隔离套筒；21推板；22推筒；23保护套筒；24压片Ⅱ；25折射镜Ⅱ；26水管通道口；27气粉管通道口；28出水口；29压片Ⅲ；30保护镜Ⅰ和聚焦透镜Ⅱ。

具体实施方式：

如图所示，本发明是一种可伸缩式同轴送粉多功能喷头，所述一种可伸缩式同轴送粉多功能喷头包括熔覆头本体和控制系统，其中，所述熔覆头本体包括四个部位，第一部分为激光源折射装置，包括连接装置1、第一折射装置2、托板3。第二部分为光路系统5，共有五个套筒。第三部分为光路折射装置，包括第二折射装置8和托板9。第四部分为喷头，包括连接头10、冷水套12、中间连接筒13、锥形喷嘴14。

第一部分：连接装置1呈柱状，通过连接装置1上部的内螺纹与激光器发射端或光纤连接，在其下部的外螺纹与第一折射装置2连接，第一折射装置2 的螺纹都为内螺纹，在一侧有用四个螺栓与第一折射装置2连接的托板3。托板内部有一个定位压片Ⅰ16和折射镜Ⅰ17。

第二部分：光路系统5共有五个套筒，其中最里面的套筒Ⅰ18，即激光通路Ⅰ，其靠近第一折射装置2的一端通过套筒Ⅰ18外螺纹与第一折射装置2连接。第二个套筒Ⅱ19，即激光通路Ⅱ，在靠近第二折射装置8的一端有外螺纹与第二折射装置8连接，激光通路Ⅱ安装在激光通路Ⅰ外侧，在激光通路Ⅰ远离第一折射装置2的一端外侧设计了一个阻挡块，在激光通路Ⅱ远离第二折射装置8的一端内部设计了一个阻挡块，在激光通路Ⅱ的外侧安装了一个隔离套筒20，它通过靠近第一折射装置2一端的外螺纹与第一折射装置2连接，在激光通路Ⅱ的靠近第二折射装置8的一端外侧利用螺纹直接连接一个推筒22，在远离第二折射装置8的一端通过螺纹连接了一个推板21，保护套筒23利用内螺纹安装在了第一折射装置2，保护套筒23与隔离套筒20组成了一个液压腔。在保护套筒23的外侧有进油路4和回油路7安装在推板的两侧，还有四个管道固定钩6。

第三部分:光路折射装置，在第二折射装置8的一侧有用四个螺栓连接的托板9，在托板9的内部有一个折射镜Ⅱ25，用一个压片Ⅱ24固定折射镜。在折射装置8上有水管通道口26和气粉管通道口27。

第四部分：喷头，连接头10是筒状，在上部利用外螺纹与第二折射装置8 连接，在下部通过内螺纹与冷水套12连接，冷水套12里面有一个保护镜Ⅰ、聚焦透镜Ⅱ30和一个固定镜片的压片Ⅲ29，在冷水套的上部有与水管连接的进水口11和出水口28，中间连接筒13的上部利用内螺纹与冷水套12连接，中间连接筒13的下部通过外螺纹与锥形喷嘴14连接，锥形喷嘴14里面有四个气粉的通道。

所述可伸缩式同轴送粉多功能喷头，所述连接装置上部连接的是激光发射端或光纤，下部连接折射装置，起到连接、传输激光束的作用。

所述可伸缩式同轴送粉多功能喷头，所述折射装置是用来折射来自激光源传递的激光束，使激光束可以顺利进入光路系统，为了方便更换折射镜，把折射装置设计成了可拆卸式。所以设计了一个托板用于安放折射镜Ⅰ，利用压片Ⅰ对其进行固定。

所述光路系统中一共包括5个套筒，其中有激光通路Ⅰ、激光通路Ⅱ、隔离套筒、推筒、保护套筒，激光通路Ⅰ连接在第一折射装置2上固定不动，激光通路Ⅱ连接在第二折射装置8上固定不动，激光通路Ⅱ又把激光通路Ⅰ包括在其内部，隔离套筒、保护套筒组成了一个封闭的液压腔，在液压腔内部有一个推筒，它是连接在激光通路Ⅱ的外侧，在推筒的一端连接了一个推板，实现传递液压腔传递的推力推动激光通路Ⅱ带动熔覆头进行移动，在激光通路Ⅰ的远离第一折射装置2的一端外侧有一个阻挡块，在激光通路Ⅱ的远离第二折射装置8的一端的内部有一个阻挡块，实现了激光束在激光通路Ⅱ移动的过程中不会发生漏光的现象，在推板的两侧各有一个油口，连接着两个油管，实现了既可以推动激光通路Ⅱ使熔覆头深入，同时也实现了推动激光通路Ⅱ使熔覆头进行回缩，实现了可以根据供油量的多少来使熔覆头精确定位。隔离套筒是安装在第一折射装置2上固定不动，隔离套筒是在激光通路Ⅰ、激光通路Ⅱ的外侧固定不动，实现了在激光通路Ⅱ进行伸长和收缩的同时不会使液压腔里面的油体发生渗漏，对激光通路Ⅰ和激光通路Ⅱ产生污染现象。

所述冷却套里面安放着聚焦透、保护镜、压片Ⅲ，实现了在熔覆头进行修复工作的同时对镜片进行固定，实现了激光功率不会发生因镜片的移动而导致损失，冷水套的上部有与水管连接的两个管道通口，两个水管构成了一个水路回路系统，实现了一端不断供水，另一端不断的排水，实现了对冷水套里面的镜片进行降温，使温度持续保持在一个安全的温度，实现了熔覆头可以连续的进行修复工作，

所述喷嘴采用的是同轴送粉，喷嘴内部共有四个气粉通道，在喷嘴的上部有四个口可与气粉的管道连接，气体和合金粉末共用一个管道，在管道内部利用气体的压力、流动来吹动合金粉末的流动，实现合金粉末在喷嘴口进行聚集，激光束的焦点落在合金粉末的聚集处对合金粉末进行熔化后作用在工件上去修复工件。

一种可伸缩式同轴送粉多功能喷头的使用方法，其特征在于：

1)根据修复工件内孔不同位置的需要，可以通过移动激光通路Ⅱ来带动熔覆头定位到需要修复的位置进行修复，激光通路Ⅰ的长度为L,如果工件内孔需要修复的位置小于激光通路Ⅰ的长度L，就不需要往液压腔里供油，去移动激光通路Ⅱ，如果工件内孔需要修复的位置大于激光通路Ⅰ的长度L,可以通过进油口4往液压腔里面供油，推动推筒带动激光通路Ⅱ使激光熔覆头定位到工件内孔需要修复的位置，进行修复，当需要激光熔覆头进行回缩时，可以通过出油口7往液压腔里供油，产生的推力推动推筒带动激光通路Ⅱ使激光熔覆头回缩到所需要的位置，进行修复。激光熔覆头进行修复工作时移动的距离可以通过往液压腔里面注入的油容量的多少来控制，实现激光熔覆头的定位。

L₂＝L′-L₁

S-单位时间内往液压腔注入油的体积，T-注油时间，D-液压腔的直径，L₁-液压腔不工作时的长度，

2)根据工件内孔损坏程度的不同，对合金粉末所需要的种类和份量的不同，可以在气粉管的入口端利用工控机来控制合金粉末和气体，可以在合金粉末的入口端添加不同类型的粉末添加装置，利用气体的压力和流动速度吹动合金粉末到达激光束的焦点位置，可以合理有效的利用合金粉末，提高修复效率。

3)根据上述步骤1)-2)，完成激光熔覆加工。

Claims (3)

1.一种可伸缩式同轴送粉多功能喷头，包括熔覆头本体和控制系统，其特征在于：

所述熔覆头本体包括从激光源起依次连接的光路系统(5)和喷头，所述光路系统(5)两端有折射装置；

所述折射装置包括光路系统(5)两端的第一折射装置(2)和第二折射装置(8)；其中第一折射装置(2)与激光源之间有连接装置(1)；所述连接装置(1)成柱状，与激光器发射端或光纤连接，在其下部与第一折射装置(2)连接；

第一折射装置(2)和第二折射装置(8)内部设置有折射镜；

所述光路系统(5)中包括五个套筒，从内到外依次为套筒Ⅰ(18)、套筒Ⅱ(19)、隔离套筒(20)、推筒(22)及保护套筒(23)；

其中最里面的套筒Ⅰ(18)作为激光通路Ⅰ，与第一折射装置(2)连接；套筒Ⅱ(19)作为激光通路Ⅱ，与第二折射装置(8)连接，激光通路Ⅱ位于激光通路Ⅰ外侧；

在激光通路Ⅰ中远离第一折射装置(2)的一端外侧设置有阻挡块；

在激光通路Ⅱ中远离第二折射装置(8)的一端内部设置有阻挡块；

在激光通路Ⅱ的外侧设置有隔离套筒(20)，与第一折射装置(2)连接，在激光通路Ⅱ靠近第二折射装置(8)的一端外侧连接有推筒(22)，在远离第二折射装置(8)的一端通过螺纹连接有推板(21)；

保护套筒(23)与第一折射装置(2)连接，所述保护套筒(23)与隔离套筒(20)组成液压腔，在所述保护套筒(23)的外侧有进油路(4)和回油路(7)安装在推板(21)的两侧，还包括管道固定钩(6)；

第二折射装置(8)设置有有水管通道口(26)和气粉管通道口(27)；

所述喷头包括筒状连接头(10)，连接头(10)上部与第二折射装置(8)连接，下部与冷水套(12)连接；冷水套(12)内设置有保护镜Ⅰ、聚焦透镜Ⅱ(30)和固定镜片的压片Ⅲ(29)，在冷水套的上部有与水管连接的进水口(11)和出水口(28)，有中间连接筒(13)的上部与冷水套(12)连接，中间连接筒(13)的下部与锥形喷嘴(14)连接，锥形喷嘴(14)内有四个气粉的通道。

2.根据权利要求1所述可伸缩式同轴送粉多功能喷头，其特征在于：所述第一折射装置(2)和第二折射装置(8)上均设有用于安放折射镜的托板，并有固定折射镜的压片。

3.一种使用如权利要求1所述多功能喷头的内孔修复方法，其特征在于：所述修复方法包括如下步骤：

1)根据修复工件内孔不同位置的需要，通过移动激光通路Ⅱ来带动熔覆头定位到需要修复的位置进行修复，激光通路Ⅰ的长度为L，如果工件内孔需要修复的位置小于激光通路Ⅰ的长度L，就不需要往液压腔里供油，移动激光通路Ⅱ，如果工件内孔需要修复的位置大于激光通路Ⅰ的长度L，则通过进油口(4)向液压腔里面供油，推动推筒带动激光通路Ⅱ使激光熔覆头定位到工件内孔需要修复的位置，进行修复，当需要激光熔覆头进行回缩时，通过出油口(7)向液压腔里供油，产生的推力推动推筒带动激光通路Ⅱ使激光熔覆头回缩到所需要的位置，进行修复；激光熔覆头进行修复工作时移动的距离可以通过往液压腔里面注入的油容量的多少来控制，实现激光熔覆头的定位；

L₂＝L′-L₁

S-单位时间内往液压腔里注入油的体积，单位为mm³/s；T-注油时间，单位为s；

D-液压腔的直径，单位为mm；L₁-液压腔不工作时的长度，单位为mm；

2)根据工件内孔损坏程度的不同，对合金粉末所需要的种类和份量的不同，在气粉管的入口端利用工控机来控制合金粉末和气体，在合金粉末的入口端添加不同类型的粉末添加装置，利用气体的压力和流动速度吹动合金粉末到达激光束的焦点位置，可以合理有效的利用合金粉末，提高修复效率；

3)根据上述步骤1)-2)，完成激光熔覆加工。

Images