CN109226764A - 一种齿轮修复防干涉专用激光送粉头 - Google Patents

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Abstract

本发明一种齿轮修复防干涉专用激光送粉头属于激光熔覆增材修复领域，涉及一种齿轮修复防干涉专用激光送粉头，针对失效齿轮并利用激光熔覆技术进行修复时，防止发生干涉行为的同轴送粉专用激光头。该专用激光送粉头采用原有激光头组成结构的进气通道、送粉通道、水冷通道、激光束通道，其特征是，激光送粉头组成结构中增加了丝杠、螺母、齿轮和齿形带机械结构组成的垂直移动单元和水平移动单元，以及激光头的柔性伸缩结构。该专用激光头及采用的激光熔覆技术进行修复时，解决了对失效齿轮进行修复时的干涉问题，提高了激光熔覆对齿轮进行修复的应用范围，在一定程度上节省了大量的金属材料和社会成本，提高了齿轮的使用寿命。

Description

一种齿轮修复防干涉专用激光送粉头
技术领域
本发明属于激光熔覆增材修复领域，涉及一种齿轮修复防干涉专用激光送粉头，针对失效齿轮并利用激光熔覆技术进行修复时，防止发生干涉行为的同轴送粉专用激光头。
背景技术
激光熔覆是一种可以对基体表面进行修复和改性的先进技术。它的工作原理是通过不同方式进行熔覆材料的添加，并利用高能激光束将熔覆材料和金属基体表层熔化凝固，从而在金属基体表面形成硬度高、热稳定性好，具有一定冶金、力学或物理性能的熔覆层，显著改善金属材料耐磨、耐蚀、耐疲劳、耐高温等性能。其中添加熔覆材料的方式目前主要采用同轴同步送粉式。
随着激光熔覆理论的逐步成熟，激光熔覆技术也开始被应用到制造业的各个领域，尤其是被广泛应用于附加值比较大的难加工零件的修复上。其中对大型齿轮的修复最为典型，例如风力发电机的齿轮。以往齿轮的修复方法主要有调整换位法、变位加工法、堆焊法和热喷涂法，但这几种方法分别存在着适用范围小、匹配要求高、热影响大和结合力低等缺点。而利用激光熔覆技术修复的齿轮可以在形貌上与原齿轮保持一致，同时对修复齿轮的热影响较小，并且熔覆层与基体呈冶金结合，所以有效的避免了以往齿轮修复方法的缺点。
但由于激光头自身结构的原因，在对一些齿轮进行修复时，会出现激光头和齿轮干涉的现象。干涉的主要原因是激光头的径向尺寸大于待修复齿轮的最大空隙，同时待修复部位到齿顶的距离大于待修复部位到激光头喷嘴口的距离，导致激光焦点无法落在待修复表面上。赵宇辉等人专利CN107303607A，发明了“一种送粉式激光3D打印光纤送粉头”该专利具有伸缩套筒和对中装置的两层水冷高精密喷射式送粉头。其优点是激光光斑尺寸和离焦量可调节，喷嘴可更换。缺点是伸缩套筒和对中装置都需要人为调节，灵活性不强；送粉头中心和激光光斑无法实现同步重合，协同性不强。
发明内容
本发明为克服现有技术的缺陷，特别是针对现有激光头进行齿轮修复时，易出现的干涉问题，发明了一种利用激光熔覆技术针对失效齿轮修复时，防止发生干涉行为的专用激光头，它利用原有激光送粉头组成结构的进气通道、送粉通道、水冷通道和激光束通道，为方便加工，防止干涉增加了由丝杠、螺母、齿轮和齿形带机械结构组成的垂直移动单元和水平移动单元，以及激光头的柔性伸缩结构。由于激光头不仅具有柔性伸缩结构，还具有随激光头喷嘴垂直运动而进行相应运动的水平移动单元。从而解决了对失效齿轮进行修复时的干涉问题，大大提高了激光熔覆对齿轮进行修复的应用范围，进而在一定程度上节省了大量的金属材料和社会成本，提高了齿轮的使用寿命。
本发明的技术方案是一种齿轮修复防干涉专用激光送粉头，采用原有激光头组成结构的进气通道、送粉通道、水冷通道和激光束通道，其特征是，激光送粉头组成结构中增加了丝杠、螺母、齿轮和齿形带机械结构组成的垂直移动单元和水平移动单元，以及激光头的柔性伸缩结构；
所述的垂直移动单元中，激光头喷嘴9上加工有送水口6，激光头喷嘴9具有激光头柔性伸缩结构14；激光头喷嘴9中加工有内水冷通道20和外水冷通道18两层循环水冷却通道；上、下支撑板15、1分别安装在激光头喷嘴9下部和上部，圆螺母16安装在上支撑板15上，大齿轮3、齿条2，上联轴器4，梯形丝杠13、中齿轮12和同步齿形带5安装在上、下支撑板15、1之间；电机10安装在下支撑板1上，电机10上装有制动器11，小齿轮7通过下联轴器8与大齿轮3连接；
所述水平移动单元是利用齿轮齿条结构，将丝杠螺母的垂直移动转变为水平移动；水平移动单元中，齿条2与送粉管22通过圆柱长销23连接在一起，圆柱长销23可在上滑道17内水平移动、固定在激光头喷嘴9上的圆柱短销19卡在下滑道21中，使下滑道21沿圆柱短销19移动；大齿轮3旋转带动齿条2移动，齿条2水平移动时，带动送粉管22的上端沿上滑道17水平移动，并使送粉管22的下滑道21绕圆柱短销19偏转的同时向下移动，此时送粉管22摆过一定角度，使粉末始终在激光焦点处汇聚，实现送粉头中心和激光光斑同步重合的目的。
所述的激光头柔性伸缩结构14中，上铰块24和下铰块33分别固定在激光头上，柔性蒙皮26与激光头金属部分连接，上连杆27与上铰块24通过上圆柱短销25铰接在一起，下连杆31和下铰块33通过下圆柱短销32铰接在一起，上连杆27、下连杆31、上链环28、下链环30通过中圆柱长销29铰接在一起，上链环28和下链环30固定在柔性蒙皮26上；当激光头喷嘴向上运动时，带动下铰块33向上运动，此时上下铰块24、33之间的距离开始变短，上下连杆27、31旋转并通过上下链环28、30促使柔性蒙皮26向外凸出，从而实现柔性伸缩结构的长度变小。
一种齿轮修复防干涉专用激光送粉头，其特征是，该专用激光送粉头采用的激光熔覆修复方法具体步骤如下：
步骤1激光头对焦处理
放置失效齿轮，齿轮待修复面A，并使齿根圆弧面B的弦处于水平位置，然后将失效齿轮固定，开始对焦；将激光头移动至待修复表面进行对焦处理；
1)当在对焦过程中出现激光头和齿轮干涉的情况时，启动电机10，垂直移动单元移动；中齿轮12和同步齿形带5旋转，大齿轮3通过上联轴器4带动梯形丝杠13旋转，由于圆螺母16固定在上支撑板15上，所以梯形丝杠13穿过圆螺母16向上运动，从而带动激光头喷嘴向上运动，由于激光头具有柔性伸缩结构14，所以激光头喷嘴向上运动的过程中，促使激光头柔性伸缩结构的长度变小，进而达到激光头在垂直方向上整体结构尺寸变小的目的；
2)激光头水平移动单元运动
当激光头喷嘴向上运动时，大齿轮3通过下联轴器8带动小齿轮7旋转、齿条2移动，使激光头水平移动单元运动；齿条2水平移动时，带动送粉管22的上端沿上滑道17水平移动，同时送粉管22的下滑道21绕圆柱短销19偏转一定角度，使粉末始终在激光焦点处附近汇聚。由于激光熔覆过程中会产生大量的热，所以离激光焦点最近的激光头喷嘴会承受较大的热载荷，为减小激光熔覆过程中热载荷对激光头喷嘴的影响，设计了内水冷通道20和外水冷通道18两层循环水冷却通道，有效缓解激光头喷嘴内外温度场不均匀的情况；
步骤2当对焦过程不再发生干涉行为时，电机停止工作，水平和垂直移动单元停止工作，制动器将电机轴抱紧，防止水平和垂直移动单元发生回移。
步骤3采用激光熔覆技术对齿轮失效部位进行修复，从而使失效齿轮恢复使用要求。
本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：
1.本发明专用激光头具有柔性伸缩结构，可以使激光头的整体结构尺寸根据实践使用时的工况进行灵活调整，从而在进行激光熔覆技术操作时，可以有效的避免激光头和零件发生干涉。
2.本发明专用激光头不仅具有柔性伸缩结构，还具有随激光头喷嘴垂直运动而进行相应运动的水平移动单元。
3.本发明专用激光头的送粉管可由齿条带动产生一定角度的偏转，保证粉末始终在进入熔池前的焦点附近发生汇聚行为，从而有效地提高了粉末利用率。
附图说明
图1为齿轮修复防干涉专用激光送粉头外部结构示意图，图2为防干涉专用激光头喷嘴内部结构示意图，图3为本发明激光头柔性伸缩结构示意图。
其中，1-下支撑板，2-齿条，3-大齿轮，4-上联轴器，5-同步齿形带，6-送水口，7-小齿轮，8-下联轴器，9-激光头喷嘴，10-电机，11-制动器，12-中齿轮，13-梯形丝杠，14-激光头柔性伸缩结构，15-上支撑板，16-圆螺母；17-上滑道，18-外水冷通道，19-圆柱短销，20-内水冷通道，21-下滑道，22-送粉管，23-圆柱长销，24-上铰块，25-上圆柱短销，26-柔性蒙皮，27-上连杆，28-上链环，29-中圆柱长销，30-下链环，31-下连杆，32-下圆柱短销，33-下铰块。
图4为本发明实例待修复齿轮部分结构示意图，其中，A-待修复面，B-与待修复面相邻的齿根圆弧面，d1-齿轮最小空隙，d2-空隙高度，d3-齿轮最大空隙，d4-为失效部位距齿顶最大距离，d5-为失效部位距齿顶最小距离。
具体实施方式
以下结合附图及技术方案对本发明进行进一步详细说明。
本发明中，齿轮失效部位的修复是指采用激光熔覆技术对失效部位进行修复，从而使失效齿轮恢复使用要求的工艺。对于风力发电机行业中齿轮箱的齿轮来说，激光熔覆的作用就是将其损坏的部位就行修复，快速有效的延长齿轮的使用寿命。但当失效部位靠近齿根时，由于激光对焦距离固定、有限，所以在进行激光熔覆时，会发生激光头和齿轮干涉的情况。
图1为齿轮修复防干涉专用激光送粉头外部结构示意图，防干涉专用激光头是在原有激光头的组成结构基础上增加了垂直移动单元、水平移动单元。其中垂直移动单元包括丝杠、螺母、齿轮和齿形带等机械结构以及激光头的柔性伸缩结构；水平移动单元是利用齿轮齿条结构，将垂直移动与水平移动协同起来，实现送粉管随垂直移动而摆动一定角度的目的。
如图1所示，电机10开始工作，带动中齿轮12和同步齿形带5旋转，进而促使大齿轮3旋转，同时大齿轮3通过上联轴器4带动梯形丝杠13旋转，由于圆螺母16固定在上支撑板15上，所以梯形丝杠13穿过圆螺母16向上运动，带动激光头喷嘴9向上运动，激光头柔性伸缩结构14的长度变小，实现激光头在垂直方向上整体结构尺寸变小的目的；当电机10带动中齿轮12和同步齿形带5以及大齿轮3旋转，使梯形丝杠13和圆螺母16工作的同时，也使大齿轮3通过下联轴器8带动小齿轮7旋转，促使齿条2水平移动。当垂直和水平移动完成以后，制动器12开始工作将电机轴抱紧，防止垂直和水平移动单元由于重力原因产生回移。
防干涉专用激光头喷嘴内部结构设计，如图2所示。齿条2水平移动时，带动送粉管22的上端沿上滑道17水平移动，同时送粉管22的下滑道21绕圆柱短销19偏转一定角度，使粉末始终在激光焦点处附近汇聚。由于激光熔覆过程中会产生大量的热，所以离激光焦点最近的激光头喷嘴会承受较大的热载荷，为减小激光熔覆过程中热载荷对激光头喷嘴的影响，故设计了内水冷通道20和外水冷通道18两层循环水冷却通道，相比传统激光头喷嘴设计，可以有效缓解激光头喷嘴内外温度场不均匀的情况。
激光头柔性伸缩结构设计，如图3所示。当激光头喷嘴向上运动时，带动下铰块33向上运动。此时，上下铰块24、33之间的距离开始变短，上下连杆27、31旋转并通过上下链环28、30促使柔性蒙皮26向外凸出，从而使柔性伸缩结构的长度变小，实现激光头在垂直方向上整体结构尺寸变小的目的。
本实例中，所用齿轮为增速机齿轮，对齿轮失效部位进行激光熔覆修复，如图3所示。齿轮齿数为41，模数为25，齿轮材料为42Cr，粉末材料为316L。
结构的主要参数如下：激光头直径130mm，激光头柔性伸缩结构20～50mm，激光头喷嘴口直径10mm，送粉管与竖直方向的夹角偏转角度22°～45°，进气口距喷嘴口高度为150mm，进粉口距喷嘴口高度为50mm，进水口距喷嘴口高度为50mm，齿条长度120mm，丝杠长度120mm，圆形支撑板直径260mm。
针对失效齿轮进行修复的防干涉激光熔覆修复方法的具体步骤如下：
步骤1激光头对焦处理
放置失效齿轮，待修复面为A，如图4所示。并使齿根圆弧面B的弦处于水平位置，然后将失效齿轮固定，开始对焦。
1)由于对焦过程中出现激光头和失效齿轮干涉的情况，所以启动电机10，垂直移动单元移动；中齿轮12和同步齿形带5旋转，大齿轮通过上联轴器4带动梯形丝杠13旋转，由于圆螺母16固定在上支撑板15上，所以梯形丝杠13穿过圆螺母16向上运动，从而带动激光头喷嘴向上运动，由于激光头具有一定长度的柔性伸缩结构，所以激光头喷嘴向上运动的过程中，促使激光头柔性伸缩结构的长度变小，进而达到激光头在垂直方向上整体结构尺寸变小的目的。当利用垂直移动单元将激光头喷嘴抬起21mm时，对焦过程中激光头和失效齿轮不再发生干涉，此时激光头喷嘴与失效齿轮的齿顶处于水平位置，即，失效部位距激光头喷嘴距离与失效部位距失效齿轮齿顶距离相同。
2)激光头水平移动单元运动
当激光头喷嘴向上运动时，大齿轮3带动齿条2移动，齿条2水平移动时，带动送粉管22的上端沿上滑道17水平移动，同时送粉管22的下滑道21绕圆柱短销19偏转一定角度，使粉末始终在激光焦点处附近汇聚。在激光头喷嘴抬起的同时，齿条2向靠近激光头的方向运动，送粉管也会做出相应的偏转，在本实例中，送粉管偏转后与垂直方向的夹角为26°。
步骤2进行激光熔覆修复。
采用激光熔覆技术对失效部位进行修复，从而使失效齿轮达到使用要求。由于激光熔覆过程中会产生大量的热，所以离激光焦点最近的激光头喷嘴会承受较大的热载荷，为减小激光熔覆过程中热载荷对激光头喷嘴的影响，通过内水冷通道20和外水冷通道18两层循环水冷却通道，有效缓解激光头喷嘴内外温度场不均匀的情况。
步骤3进行激光熔覆修复过程，当修复过程全部结束后，驱动电机让激光头喷嘴下移21mm，同时水平移动单元自动工作，使激光头喷嘴和送粉管恢复初始位置，以便下次进行防干涉操作。

Claims (2)

1.一种齿轮修复防干涉专用激光送粉头，采用原有激光头组成结构的进气通道、送粉通道、水冷通道和激光束通道，其特征是，激光送粉头组成结构中增加了丝杠、螺母、齿轮和齿形带机械结构组成的垂直移动单元和水平移动单元，以及激光头的柔性伸缩结构；
所述的垂直移动单元中，激光头喷嘴(9)上加工有送水口(6)，激光头喷嘴(9)具有激光头柔性伸缩结构(14)；激光头喷嘴(9)中加工有内水冷通道(20)和外水冷通道(18)两层循环水冷却通道；上、下支撑板(15、1)分别安装在激光头喷嘴(9)下部和上部，圆螺母(16)安装在上支撑板(15)上，大齿轮(3)、齿条(2)，上联轴器(4)，梯形丝杠(13)、中齿轮(12)和同步齿形带(5)安装在上、下支撑板(15、1)之间；电机(10)安装在下支撑板(1)上，电机(10)上装有制动器(11)，小齿轮(7)通过下联轴器(8)与大齿轮(3)连接；
所述水平移动单元是利用齿轮齿条结构，将丝杠螺母的垂直移动转变为水平移动；齿条(2)与送粉管(22)通过圆柱长销(23)连接在一起，圆柱长销(23)在上滑道(17)内水平移动，固定在激光头喷嘴(9)上的圆柱短销(19)卡在下滑道(21)中，使下滑道(21)沿圆柱短销(19)移动；大齿轮(3)旋转带动齿条(2)移动，齿条(2)水平移动时，带动送粉管(22)的上端沿上滑道(17)水平移动，并使送粉管(22)的下滑道(21)绕圆柱短销(19)偏转的同时向下移动；此时，送粉管(22)摆过一定角度，使粉末始终在激光焦点处汇聚，实现送粉头中心和激光光斑同步重合的目的；
所述的激光头柔性伸缩结构(14)中，上铰块(24)和下铰块(33)分别固定在激光头上，柔性蒙皮(26)与激光头金属部分连接，上连杆(27)与上铰块(24)通过上圆柱短销(25)铰接在一起，下连杆(31)和下铰块(33)通过下圆柱短销(32)铰接在一起，上连杆(27)、下连杆(31)、上链环(28)、下链环(30)通过中圆柱长销(29)铰接在一起，上链环(28)和下链环(30)固定在柔性蒙皮(26)上；当激光头喷嘴向上运动时，带动下铰块(33)向上运动，此时上下铰块(24、33)之间的距离开始变短，上下连杆(27、31)旋转并通过上下链环(28、30)促使柔性蒙皮(26)向外凸出，从而实现柔性伸缩结构的长度变小。
2.如权利要求1所述的一种齿轮修复防干涉专用激光送粉头，其特征是，该专用激光送粉头采用的激光熔覆修复方法具体步骤如下：
步骤1激光头对焦处理
放置失效齿轮，齿轮待修复面A，并使齿根圆弧面(B)的弦处于水平位置，然后将失效齿轮固定，开始对焦；将激光头移动至待修复表面进行对焦处理；
1)当在对焦过程中出现激光头和齿轮干涉的情况时，启动电机(10)，垂直移动单元移动；中齿轮(12)和同步齿形带(5)旋转，大齿轮(3)通过上联轴器(4)带动梯形丝杠(13)旋转，由于圆螺母(16)固定在上支撑板(15)上，所以梯形丝杠(13)穿过圆螺母(16)向上运动，从而带动激光头喷嘴向上运动，由于激光头具有柔性伸缩结构(14)，所以激光头喷嘴向上运动的过程中，促使激光头柔性伸缩结构的长度变小，进而达到激光头在垂直方向上整体结构尺寸变小的目的；
2)激光头水平移动单元运动
当激光头喷嘴向上运动时，大齿轮(3)通过下联轴器(8)带动小齿轮(7)旋转、齿条(2)移动，使激光头水平移动单元运动；齿条(2)水平移动时，带动送粉管(22)的上端沿上滑道(17)水平移动，同时送粉管(22)的下滑道(21)绕圆柱短销(19)偏转一定角度，使粉末始终在激光焦点处附近汇聚；由于激光熔覆过程中会产生大量的热，所以离激光焦点最近的激光头喷嘴会承受较大的热载荷，为减小激光熔覆过程中热载荷对激光头喷嘴的影响，设计了内水冷通道(20)和外水冷通道(18)两层循环水冷却通道，有效缓解激光头喷嘴内外温度场不均匀的情况；
步骤2当对焦过程不再发生干涉行为时，电机停止工作，水平和垂直移动单元停止工作，制动器将电机轴抱紧，防止水平和垂直移动单元发生回移。
步骤3采用激光熔覆技术对齿轮失效部位进行修复，从而使失效齿轮恢复使用要求。
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