CN110079651B - 一种适用于腔体内壁激光淬火的装置及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于腔体内壁激光淬火的装置，包括铜镜支撑体、激光头支撑体、激光头、铜镜、齿轮组、伺服电机、电机固定件、底座和轴承。其中，所述的伺服电机运行后使铜镜以光纤外管为轴在360°~400°的范围内往复转动，同时固定工件的三轴坐标机械手进行X轴、Y轴、Z轴方向的移动，确保光斑对带孔工件进行完整的淬火加工，使装夹在三轴坐标机械手设备机床上的工件变形小，淬硬层均匀，硬度高，加热层深度和加热轨迹容易控制，易于实现自动化。同时不受零件尺寸限制，在缩短生产周期、减少生产成本的同时减少对环境的污染及对员工健康的影响。

Description

一种适用于腔体内壁激光淬火的装置及其使用方法

技术领域

本发明属于激光熔覆再制造领域，具体涉及一种适用于腔体内壁激光淬火的装置及其使用方法。

背景技术

激光淬火的功率密度高，冷却速度快，不需要水或油等冷却介质，是清洁、快速的淬火工艺。与感应淬火、火焰淬火、渗碳淬火工艺相比，激光淬火淬硬层均匀，工件硬度高（一般比感应淬火高1-3HRC），变形小，加热层深度和加热轨迹容易控制，易于实现自动化，不需要如感应淬火那样根据不同的零件尺寸设计相应的感应线圈，对大型零件的加工也无须受到渗碳淬火等化学热处理时炉膛尺寸的限制，因此在很多工业领域中正逐步取代感应淬火和化学热处理等传统工艺。尤其重要的是激光淬火前后工件的变形几乎可以忽略，因此特别适合高精度要求的零件表面处理。同时，在对小尺寸腔体淬火时，由于零件尺寸限制与加工精度要求，难以使用火焰淬火；当工件为单件小批量时，因为腔体尺寸的改变，考虑成本和尺寸不适合使用感应电圈进行淬火。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术存在的缺点和不足，提供了一种适用于腔体内壁激光淬火的装置及其使用方法，以改进激光淬火在腔体热处理中的运用。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种适用于腔体内壁激光淬火的装置，包括铜镜支撑体、激光头支撑体、激光头、铜镜、齿轮组、伺服电机、电机固定件、底座和轴承；所述伺服电机设于底座的一侧，通过电机固定件与底座的侧壁固定连接；所述铜镜支撑体包括连接头和冷却水路外管，所述的冷却水路外管的一端与一外接的冷水源形成冷却水回路，冷却水路外管的另一端与连接头的一端固定连接，所述连接头的另一端与铜镜固定连接；所述激光头支撑体包括光纤外管和光纤，所述的光纤设于光纤外管内，光纤的一端与激光发射器连接，另一端与激光头连接，激光发射器通过激光头射出激光束并照射于铜镜的中心；所述齿轮组包括第一齿轮和第二齿轮；所述的第一齿轮设于伺服电机下方，通过平键与伺服电机的输出轴固定连接；所述的第二齿轮设于底座下方，第一齿轮与第二齿轮之间相啮合；所述轴承位于第二齿轮上方，轴承与底座的内壁固定连接，所述的第二齿轮中心处设有光纤外管，光纤外管的一侧为冷却水路外管，所述的光纤外管和冷却水路外管穿过所述第二齿轮与轴承固定连接；所述伺服电机运行时，所述的第一齿轮转动进而带动第二齿轮转动，使得冷却水路外管以光纤外管为中心进行旋转。

本发明进一步解决的技术问题是，所述冷却水路外管内平行设置有进水管与出水管；所述铜镜与连接头的连接处设有腔体，所述的腔体内设有隔水板，隔水板为空心结构，竖直设置于腔体的端面，隔水板由上至下依次设有出水端与进水端，所述进水管与出水管伸入连接头内部分别与隔水板上的进水端与出水端连接，通过外接冷源对所述铜镜的腔体进行冷却。

本发明进一步解决的技术问题是，所述进水管、出水管和连接头的材质为黄铜。

本发明进一步解决的技术问题是，所述铜镜镜面与水平面的夹角为50°。

本发明进一步解决的技术问题是，所述激光头射出的激光束垂直于水平面，所述激光束经铜镜镜面反射后与水平面的夹角为10°。

本发明进一步解决的技术问题是，所述电机固定件的一端为圆弧端，与所述底座的外壁贴合，通过内六角螺钉与底座固定连接；电机固定件的另一端为开口的圆环，圆环套接于伺服电机的外侧壁，套接处设有用于固定伺服电机的卡扣；所述电机固定件设有两个，分别设于伺服电机的上下两端。

本发明还进一步保护适用于腔体内壁激光淬火的装置的使用方法，包括如下步骤：

步骤一、先将底座固定在三轴坐标机械手上，然后将进水管与出水管与外接冷源接通，再将光纤与激光发射器连接，最后将待加工的带孔工件放置于三轴坐标机械手设备机床上定位并夹紧；

步骤二、调整激光头焦距，移动三轴坐标机械手，使激光束的光斑位于带孔工件的腔体内壁上；

步骤三、启动伺服电机，使第一齿轮转动带动第二齿轮转动，进而使铜镜连接的冷却水路外管以激光头连接的光纤外管为中心进行旋转，同时三轴坐标机械手进行X轴、Y轴、Z轴的移动，对带孔工件进行淬火加工。

进一步地，步骤三中，冷却水路外管围绕光纤外管进行旋转的旋转范围为360°~400°。

本发明的有益效果为：

本发明所述的一种适用于腔体内壁激光淬火的装置，其激光淬火功率密度高，冷却速度快，使得工件加工过程中变形小，淬硬层均匀，硬度高，加热层深度和加热轨迹容易控制，易于实现自动化。同时，加工过程不受零件尺寸限制，在缩短生产周期、减少生产成本的同时降低对环境的污染及对员工健康的危害。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图。

图2为发明光纤外管局部连接示意图。

图3为本发明激光束反射示意图。

图4为本发明铜镜内部连接示意图。

图5为本发明所述电机固定件结构示意图。

图中序号，1-连接头，2-冷却水路外管，3-底座，4-内六角螺钉，5-伺服电机，6-电机固定件，8-光纤外管，9-激光头，10-激光束，11-铜镜，12-光纤，13-进水管，14-出水管，15-轴承，16-隔水板、71-第一齿轮，72-第二齿轮，61-圆弧端，62-圆环，63-卡扣，111-腔体，161-进水端，162-出水端。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的发明内容作进一步地说明。

参见图1-2所示的一种适用于腔体内壁激光淬火的装置，包括铜镜支撑体、激光头支撑体、激光头9、铜镜11、齿轮组、伺服电机5、电机固定件6、底座3和轴承15；所述伺服电机5设于底座3的一侧，通过电机固定件6与底座3的侧壁固定连接；所述铜镜支撑体包括连接头1和冷却水路外管2，所述的冷却水路外管2的一端与一外接的冷水源形成冷却水回路，冷却水路外管2的另一端与连接头1的一端固定连接，所述连接头1的另一端与铜镜11固定连接；所述激光头支撑体包括光纤外管8和光纤12，所述的光纤12设于光纤外管8内，光纤12的一端与激光发射器连接，另一端与激光头9连接，激光发射器通过激光头9射出激光束10并照射于铜镜11的中心；所述齿轮组包括第一齿轮71和第二齿轮72；所述的第一齿轮71设于伺服电机5下方，通过平键与伺服电机5的输出轴固定连接；所述的第二齿轮72设于底座3下方，第一齿轮71与第二齿轮72之间相啮合；所述轴承15位于第二齿轮72上方，轴承15与底座3的内壁固定连接，所述的第二齿轮72中心处设有光纤外管8，光纤外管8的一侧为冷却水路外管2，所述的光纤外管8和冷却水路外管2穿过所述第二齿轮72与轴承15固定连接，此时光纤外管8穿过轴承15中心和第二齿轮72的中心；所述伺服电机5运行时，所述的第一齿轮71转动进而带动第二齿轮72转动，使得冷却水路外管2以光纤外管8为中心进行旋转。

参见图4，本实施例中，所述冷却水路外管2内平行设置有进水管13与出水管14；所述铜镜11与连接头1的连接处设有腔体111，所述的腔体111内设有隔水板16，隔水板16为空心结构，竖直设置于腔体111的端面，隔水板16由上至下依次设有出水端162与进水端161，所述进水管13与出水管14伸入连接头1内部分别与隔水板16上的进水端161与出水端162连接，通过外接冷源对所述铜镜11的腔体进行冷却，所述的外接冷源可以是冷水罐和泵的组合，冷水罐中冷水的温度不高于30℃。

本实施例中，所述进水管13、出水管14和连接头1的材质为黄铜。

参见图3，本实施例中，所述铜镜11镜面与水平面的夹角为50°，此时由激光头9射出的激光束10垂直于水平面，激光束10经铜镜11镜面反射后与水平面的夹角为10°，采用上述50°的镜面相较于一般45°的镜面可以有效减少激光束10的加工盲区。

参见图5，本实施例中，所述电机固定件6的一端为圆弧端61，与所述底座3的外壁贴合，通过内六角螺钉4与底座3固定连接；电机固定件6的另一端为开口的圆环62，圆环62套接于伺服电机5的外侧壁，套接处设有用于固定伺服电机5的卡扣63；所述电机固定件6设有两个，分别设于伺服电机5的上下两端。

本发明的具体使用过程，包括如下步骤：

步骤一、在非工作状态下，先将底座3固定在三轴坐标机械手上，然后将进水管13与出水管14与外接冷源接通，再将光纤12与激光发射器连接，最后将待加工的带孔工件放置于三轴坐标机械手设备机床上定位并夹紧；

步骤二、调整激光头9焦距，移动三轴坐标机械手，使激光束10的光斑位于带孔工件的腔体内壁上；

步骤三、启动伺服电机5，使第一齿轮71转动带动第二齿轮72转动，进而使铜镜11连接的冷却水路外管2以激光头9连接的光纤外管8为中心进行往复旋转，旋转的角度范围为360°~ 400°，保证了旋转过程中冷却水路外管2以及光纤12的正常运行，同时三轴坐标机械手进行X轴、Y轴、Z轴方向的移动，确保光斑对带孔工件进行完整的淬火加工，当待加工工件尺寸发生改变时，调整激光头9的焦距和角度便可继续加工。

以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种适用于腔体内壁激光淬火的装置，其特征在于：包括铜镜支撑体、激光头支撑体、激光头(9)、铜镜(11)、齿轮组、伺服电机(5)、电机固定件(6)、底座(3)和轴承(15)；所述伺服电机(5)设于底座(3)的一侧，通过电机固定件(6)与底座(3)的侧壁固定连接；所述铜镜支撑体包括连接头(1)和冷却水路外管(2)，所述的冷却水路外管(2)的一端与一外接的冷水源形成冷却水回路，冷却水路外管(2)的另一端与连接头(1)的一端固定连接，所述连接头(1)的另一端与铜镜(11)固定连接；所述激光头支撑体包括光纤外管(8)和光纤(12)，所述的光纤(12)设于光纤外管(8)内，光纤(12)的一端与激光发射器连接，另一端与激光头(9)连接，激光发射器通过激光头(9)射出激光束(10)并照射于铜镜(11)的中心；所述齿轮组包括第一齿轮(71)和第二齿轮(72)；所述的第一齿轮(71)设于伺服电机(5)下方，通过平键与伺服电机(5)的输出轴固定连接；所述的第二齿轮(72)设于底座(3)下方，第一齿轮(71)与第二齿轮(72)之间相啮合；所述轴承(15)位于第二齿轮(72)上方，轴承(15)与底座(3)的内壁固定连接，所述的第二齿轮(72)中心处设有光纤外管(8)，光纤外管(8)的一侧为冷却水路外管(2)，所述的光纤外管(8)和冷却水路外管(2)穿过所述第二齿轮(72)与轴承(15)固定连接；所述伺服电机(5)运行时，所述的第一齿轮(71)转动进而带动第二齿轮(72)转动，使得冷却水路外管(2)以光纤外管(8)为中心进行旋转。

2.根据权利要求1所述的一种适用于腔体内壁激光淬火的装置，其特征在于：所述冷却水路外管(2)内平行设置有进水管(13)与出水管(14)；所述铜镜(11)与连接头(1)的连接处设有腔体(111)，所述的腔体(111)内设有隔水板(16)，隔水板(16)为空心结构，竖直设置于腔体(111)的端面，隔水板(16)由上至下依次设有出水端(162)与进水端(161)，所述进水管(13)与出水管(14)伸入连接头(1)内部分别与隔水板(16)上的进水端(161)与出水端(162)连接，通过外接冷源对所述铜镜(11)的腔体进行冷却。

3.根据权利要求2所述的一种适用于腔体内壁激光淬火的装置，其特征在于：所述进水管(13)、出水管(14)和连接头(1)的材质为黄铜。

4.根据权利要求2所述的一种适用于腔体内壁激光淬火的装置，其特征在于：所述铜镜(11)镜面与水平面的夹角为50°。

5.根据权利要求4所述的一种适用于腔体内壁激光淬火的装置，其特征在于：所述激光头(9)射出的激光束(10)垂直于水平面，所述激光束(10)经铜镜(11)镜面反射后与水平面的夹角为10°。

6.根据权利要求2所述的一种适用于腔体内壁激光淬火的装置，其特征在于：所述电机固定件(6)的一端为圆弧端(61)，与所述底座(3)的外壁贴合，通过内六角螺钉(4)与底座(3)固定连接；电机固定件(6)的另一端为开口的圆环(62)，圆环(62)套接于伺服电机(5)的外侧壁，套接处设有用于固定伺服电机(5)的卡扣(63)；所述电机固定件(6)设有两个，分别设于伺服电机(5)的上下两端。

7.权利要求1所述的适用于腔体内壁激光淬火的装置的使用方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一、先将底座(3)固定在三轴坐标机械手上，然后将进水管(13)与出水管(14)与外接冷源接通，再将光纤(12)与激光发射器连接，最后将待加工的带孔工件放置于三轴坐标机械手设备机床上定位并夹紧；

步骤二、调整激光头(9)焦距，移动三轴坐标机械手，使激光束(10)的光斑位于带孔工件的腔体内壁上；

步骤三、启动伺服电机(5)，使第一齿轮(71)转动带动第二齿轮(72)转动，进而使铜镜(11)连接的冷却水路外管(2)以激光头(9)连接的光纤外管(8)为中心进行旋转，同时三轴坐标机械手进行X轴、Y轴、Z轴的移动，对带孔工件进行淬火加工。

8. 根据权利要求7所述适用于腔体内壁激光淬火的装置的使用方法，其特征在于：步骤三中，冷却水路外管(2)围绕光纤外管(8)进行旋转的旋转范围为360° ~ 400°。

Images