CN111270048A - 一种表面高耐磨内花键激光淬火的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种表面高耐磨内花键激光淬火的装置，包括六轴机械手、激光淬火头、快速拆装接头、立卧转换转台，所述六轴机械手通过所述快速拆装接头与所述激光淬火头相连接，所述立卧转换转台上安装有待加工内花键零件，所述激光淬火头用于对所述立卧转换转台上的待加工内花键零件进行激光淬火加工。基于本发明提出的内花键激光淬火的装置及方法，可以实现激光淬火头的任意姿态，有效控制扫描路径运行轨迹及精确性，实现内花键内齿表面激光淬火淬火，解决解决传统淬火无法实现小直径内花键表面淬火，以及对于大直径内花键淬火硬度不均匀、深度不可控等问题，同时，可以实现局部淬火，变形小，减少加工工序，提高加工效率，降低成本。

Description

一种表面高耐磨内花键激光淬火的装置及方法

技术领域

本发明涉及一种表面高耐磨内花键激光淬火的装置及方法，属于零件表面热处理加工技术领域。

背景技术

内花键主要用于轴与轴或轴与零件之间的连接以实现运动和转矩的传递，经常在交变重载和冲击振动作用下产生磨损，导致键齿强度降低，对连接可靠性造成危害，大大缩短了花键使用寿命。淬火是提高花键耐磨性和寿命的重要工艺，传统的花键淬火方法主要有火焰加热淬火和感应加热淬火，火焰加热淬火工艺简单、操作灵活、成本低，但质量不稳定，效率低，均匀性差、可控性差；感应加热淬火加热速度快，淬火层性能好、生产效率高，但需专用频率电源，工艺设备匹配复杂，零件要有一定特制的感应器对应。

激光淬火是以高能密度的激光束照射工件表面，使其快速加热至相变温度以上熔点以下形成奥氏体，随后热量迅速向基体内部传递实现快速冷却，获得极细小马氏体和其他组织高硬化层的热处理技术。基于固态相变重结晶强化机理作用，激光淬火层硬度、耐磨性、塑性韧性均优于传统淬火层，另外，激光淬火在零件淬火区域的形状、大小和部位以及硬化层深度上具有良好的可控性。因此，对于结构复杂、硬度塑性要求高的花键热处理，激光淬火相比常规淬火具有独特优势。

通过查询相关专利、期刊等文献，目前没有检索到关于内花键激光淬火的装置及方法的相关报道，关于内花键淬火现有技术的技术方案如下：

技术方案一：采用渗碳淬火的方式达到硬度、耐磨等性能设计要求，通过留有一定的渗碳层余量，经过磨削的方法控制变形。主要专利：（1）申请号为201210409397.0的小模数内花键齿轮热处理方法，采用可控气氛热处理进行渗碳，通过对炉温、保温时间、碳势的控制，选取合适的芯棒进行淬火热处理，保证花键内孔渗碳淬火后的变形要求；（2）申请号为201220294347.8的一种内花键套渗碳淬火固形装置，在内花键淬火渗碳淬火后，将设计装置压入花键套并进行回火处理，回火冷却至室温，将装置压出，整个过程受固形装置约束，从而达到控制内花键渗碳淬火产生的变形，见图1。

技术方案二：采用内孔淬火感应器进行淬火，使淬火后硬度、有效硬化深度、变形等满足图纸技术要求。专利申请号为201310020564.7的一种小直径内花键表面淬火感应器，通过淬火感应器结构设计方案，提供一种能够避免大功率感应器造成的烧熔或开裂，使内花键表面一次加热到淬火温度和深度，并立即进行喷水冷却，达到所需淬火表面硬度和深度的小直径内花键表面淬火感应器，结构示意图见图2。

发明内容

技术方案一存在以下缺点：（1）渗碳淬火时由于受热和冷却变化产生的热应力和组织应力，导致内花键产生齿形和齿向变形，需通过磨削加工进行消除，加工效率低；（2）渗碳淬火时由于化学成分偏析导致硬度不均匀，以及渗碳淬火层深度低，合格率低；（3）对炉温、加热速率和时间、冷却加热速率和时间等参数控制要求高；（4）淬火过程需要对固形装置安装、拆卸等，操作复杂，效率低，有高温安全危害。

技术方案二存在以下缺点：（1）不同的零件需要不同的感应器相对应，加工柔性差；（2）零件容易受热不均匀导致淬硬层过深或过浅，无法达到工艺要求的硬度和深度；（3）对于小直径内花键无法实现局部表面淬火，通常为整体淬火，无法满足表面淬火要求，且变形较大。

针对现有花键淬火技术方案的不足，本发明提供一种表面高耐磨内花键激光淬火的装置及方法。首先，采用激光淬火热处理工艺，解决传统淬火无法实现小直径内花键表面淬火，以及对于大直径内花键淬火变形大、淬火硬度不均匀、深度不可控、淬火组织质量不稳定等问题；其次，通过设计机械手、激光淬火加工头、快速拆装接头、立卧转换转台等淬火加工轨迹控制系统，实现了加工轨迹的精确定位，提高加工可控性和柔性，自动化程度高；最后，通过激光功率、扫描速度等工艺参数控制，以及加工轨迹设计，满足不同规格尺寸内花键淬火层不同深度、不同位置的要求。

为解决上述技术问题，本发明提供一种表面高耐磨内花键激光淬火的装置，其特征在于，包括六轴机械手、激光淬火头、快速拆装接头、立卧转换转台，所述六轴机械手通过所述快速拆装接头与所述激光淬火头相连接，所述立卧转换转台上安装有待加工内花键零件，所述激光淬火头用于对所述立卧转换转台上的待加工内花键零件进行激光淬火加工。

作为一种较佳的实施例，立卧转换转台的底部固定设置有转台支座，立卧转换转台的顶部通过三爪卡盘固定安装待加工内花键零件，待加工内花键零件上开设有内花键，立卧转换转台的侧部设置有调节不同角度位置下的转动的立卧转换旋钮。

作为一种较佳的实施例，快速拆装接头包括第一连接块、第二连接块、快速拆装旋钮，第一连接块与六轴机械手相配合联接，第二连接块与激光淬火头相配合联接，第一连接块通过快速拆装旋钮与第二连接块拆卸式配合联接。

作为一种较佳的实施例，激光淬火头的顶端设置有激光淬火头光纤接口，用来外接光纤源。

作为一种较佳的实施例，激光淬火头的下方固定设置有激光淬火头保护支架。

作为一种较佳的实施例，六轴机械手上设置有调节激光淬火头运行轨迹的轴A1、轴A2、轴A3、轴A4、轴A5、轴A6，六轴机械手通过轴A6与快速拆装接头相配合联接。

作为一种较佳的实施例，轴A1、轴A2、轴A3、轴A4、轴A5和轴A6用来实现激光淬火头不同姿态、不同运行轨迹的运动。

本发明还提出一种表面高耐磨内花键激光淬火的装置的方法，其特征在于，包括：

步骤SS1：根据内花键内径、宽度几何参数，以及激光淬火头激光可达内花键内孔轴向方向从起点到终点原则，规划确定立卧转换转台倾斜角度和激光淬火头运行姿态及轨迹；

步骤SS2：基于激光淬火头运行轨迹和特定尺寸与性能要求的激光淬火最佳制备工艺参数，利用高能激光束直接照射内花键内表面完成激光淬火工艺。

作为一种较佳的实施例，步骤SS1具体包括：

步骤SS11：将待加工内花键零件安装于立卧转换转台的三爪卡盘上，调节立卧转换旋钮，使立卧转换转台的三爪卡盘与水平面成一定角度；

步骤SS12：然后调整激光淬火头到合适姿态，并运行至激光淬火运行轨迹起点，保证激光指示光照射至激光轨迹起点位置，并在六轴机械手示教器记录起点位置；

步骤SS13：沿内花键轴向方向，激光淬火头移动至激光淬火头运行轨迹终点，保证激光指示光照射至激光轨迹终点位置，并在六轴机械手示教器记录终点位置。

作为一种较佳的实施例，步骤SS2具体包括：

步骤SS21：根据激光淬火头运行轨迹，通过六轴机械手示教器记录起点和终点，按起点处等待内花键转动一周→起点到终点沿内花键轴向点对点直线运行→终点处等待内花键转动一周的方式设置六轴机械手运行程序；

步骤SS22：设置激光淬火加工工艺参数和立卧转换转台转速参数；

步骤SS23：运行立卧转换转台，启动激光发射和轨迹运行程序完成内花键激光淬火加工工艺。

本发明所达到的有益效果：（1）基于本发明提出的内花键激光淬火的装置，可以实现激光淬火头的任意姿态，有效控制扫描路径运行轨迹及精确性，实现内花键内齿表面激光淬火淬火，解决解决传统淬火无法实现小直径内花键表面淬火，以及对于大直径内花键淬火硬度不均匀、深度不可控等问题，同时，可以实现局部淬火，变形小，减少加工工序，提高加工效率，降低成本。（2）基于本发明涉及的激光淬火加工头与机械手快速拆装接头，可以实现不同光斑加工头尺寸之间的快速转换，满足不同淬火要求，提高加工柔性。（3）基于本发明的扫描运动轨迹规划、工艺参数优化等方法，可以实现不同直径、不同宽度的内花键内齿表面淬火要求，以及满足不同淬火深度、硬度内花键淬火需求。（4）基于本发明激光淬火方法的内花键，淬火硬化层组织致密，硬度、耐磨性、塑性韧性等性能优异，能有效延长内花键的使用寿命。

附图说明

图1是现有技术手段的第一方案的示意图。

图2是现有技术手段的第二方案的示意图。

图3是本发明的一种表面高耐磨内花键激光淬火的装置的优选实施例的结构示意图。

图4是本发明的激光淬火头的安装示意图。

图5是本发明的激光淬火头及内花键的轨迹运行示意图。

图6是内花键激光淬火硬化层显微组织相图。

图中标记的含义：1-六轴机械手，11-轴A1，12-轴A2，13-轴A3，14-轴A4，15-轴A5，16-轴A6；2-激光淬火头，21-激光淬火头光纤接口，22-激光淬火头保护支架；3-快速拆装接头，31-第一连接块，32-第二连接块，33-快速拆装旋钮；4-立卧转换转台,41-内花键，42-立卧转换旋钮，43-转台支座。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

如图3所示，本发明提供一种表面高耐磨内花键激光淬火的装置，分为激光淬火加工头运动轨迹控制部分和内花键零件运动轨迹控制部分，具体包括六轴机械手1、激光淬火头2、快速拆装接头3、立卧转换转台4，六轴机械手1通过快速拆装接头3与激光淬火头2相连接，立卧转换转台4上安装有待加工内花键零件，激光淬火头2用于对立卧转换转台4上的待加工内花键零件进行激光淬火加工。激光淬火头2通过六轴机械手1的程序控制实现淬火加工头的运行轨迹，满足加工头不同姿态、不同运行轨迹的运动；采用快速拆装接头3实现不同激光淬火头2之间的快速切换；立卧转换转台4通过立卧调节旋钮42可以实现不同角度位置下的转动，同时通过转速控制满足零件不同线速度的要求；待加工内花键零件通过三爪卡盘固定在立卧转换转台4上，可以实现不同线速度、不同角度位置的转动。

作为一种较佳的实施例，立卧转换转台4的底部固定设置有转台支座43，立卧转换转台4的顶部通过三爪卡盘固定安装待加工内花键零件，待加工内花键零件上开设有内花键41，立卧转换转台4的侧部设置有调节不同角度位置下的转动的立卧转换旋钮42。

如图4所示，作为一种较佳的实施例，快速拆装接头3包括第一连接块31、第二连接块32、快速拆装旋钮33，第一连接块31与六轴机械手1通过螺栓紧固连接，第二连接块32与激光淬火头2通过螺栓紧固连接，第一连接块31通过快速拆装旋钮33与第二连接块32拆卸式配合联接；通过第一连接块31上的快速转换旋钮33的拉拔、旋转完成第一连接块31与第二连接块32之间的快速连接和拆卸。

作为一种较佳的实施例，激光淬火头2的顶端设置有激光淬火头光纤接口21，用来外接光纤源。

作为一种较佳的实施例，激光淬火头2的下方固定设置有激光淬火头保护支架（22）。

作为一种较佳的实施例，六轴机械手（1）上设置有调节激光淬火头（2）运行轨迹的轴A1、轴A2、轴A3、轴A4、轴A5、轴A6，六轴机械手1通过轴A6与快速拆装接头3相配合联接。

作为一种较佳的实施例，轴A1、轴A2、轴A3、轴A4、轴A5和轴A6用来实现激光淬火头2不同姿态、不同运行轨迹的运动。

如图5所示，本发明还提出一种表面高耐磨内花键激光淬火的装置的方法，其特征在于，包括：

步骤SS1：根据内花键内径、宽度几何参数，以及激光淬火头激光可达内花键内孔轴向方向从起点到终点原则，规划确定立卧转换转台倾斜角度和激光淬火头运行姿态及轨迹；

步骤SS2：基于激光淬火头运行轨迹和特定尺寸与性能要求的激光淬火最佳制备工艺参数，利用高能激光束直接照射内花键内表面完成激光淬火工艺。

作为一种较佳的实施例，步骤SS1具体包括：

步骤SS11：将待加工内花键零件安装于立卧转换转台的三爪卡盘上，调节立卧转换旋钮，使立卧转换转台的三爪卡盘与水平面成一定角度；

步骤SS12：然后调整激光淬火头到合适姿态，并运行至激光淬火运行轨迹起点，保证激光指示光照射至激光轨迹起点位置，并在六轴机械手示教器记录起点位置；

步骤SS13：沿内花键轴向方向，激光淬火头移动至激光淬火头运行轨迹终点，保证激光指示光照射至激光轨迹终点位置，并在六轴机械手示教器记录终点位置。

作为一种较佳的实施例，步骤SS2具体包括：

步骤SS21：根据激光淬火头运行轨迹，通过六轴机械手示教器记录起点和终点，按起点处等待内花键转动一周→起点到终点沿内花键轴向点对点直线运行→终点处等待内花键转动一周的方式设置六轴机械手运行程序；

步骤SS22：设置激光淬火加工工艺参数和立卧转换转台转速参数；

步骤SS23：运行立卧转换转台，启动激光发射和轨迹运行程序完成内花键激光淬火加工工艺。

本发明的表面高耐磨内花键激光淬火的装置及方法可以实现以下功能：（1）利用六轴机械手调节激光淬火加工头姿态和运行轨迹，能够实现任何角度、任意位置加工，以及根据不同的扫描路径规划完成不同的运动轨迹，满足不同直径、不同宽度的内花键淬火要求；（2）内花键零件采用立卧转换转台三爪卡盘装夹方式，实现零件的不同角度固定，便于激光束照射到内花键内孔位置，同时满足不同加工速度匹配要求，有利于工艺参数优化；（3）设计激光淬火加工头与机械手快速拆装接头，满足不同加工头与机械手之间的快速切换，便于不同光斑尺寸要求零件的加工，提高系统的加工柔性；（4）通过合理的规划激光淬火头的扫描运行轨迹内花键运行轨迹，并通过工艺参数优化控制，实现内花键内齿表面激光淬火，形成组织致密均匀、硬度、耐磨性、塑性韧性等性能优良的淬火层，且淬火后内花键变形小，可直接用于装配。

采用上述方法，选择材料为40Cr，外径90mm，内花键齿顶圆直径60mm，模数3mm，齿数24的内花键按照设计要求进行淬火，淬火后组织细密，为针状马氏体，如图6所示，硬度范围50~55HRC，深度在齿根下0.8mm左右，变形量0.01mm，完全满足其要求。

需要说明的是，通过如下四种方案仍然能完成本发明的目的，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围：（1）改变激光淬火头的快速拆装装置及结构形式；（2）改变内花键三爪卡盘装夹固定的结构形式；（3）改变内花键角度立卧转换旋钮结构及方式；（4）将本发明装置应用于其它类型花键及零件淬火工艺。

相比于现有技术，本发明的创新点在于：（1）本发明设计了一种新的内花键淬火淬火装置，能够实现不同尺寸、不同要求的内花键表面淬火要求，尤其在传统淬火工艺无法实现的小直径内花键表面淬火方面具有创新性和适用性。（2）本发明提出的内花键激光淬火方法，可以实现零件的局部淬火，变形小，可以直接用于装配，减少后续加工工序，能有效提高效率，降低加工成本。（3）设计由连接块、快速拆装旋钮等组成的激光淬火头与机械手固定装置，实现不同光斑加工头的快速转换，满足不同淬火需求。（4）设计的内花键激光淬火过程的扫描路径运行规划，以及花键的立卧转换装夹方式，满足不同内径花键的淬火要求。（5）提出的激光淬火加工参数与内花键零部件运动参数相匹配的加工方法，满足不同硬度、深度要求的内花键表面淬火。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种表面高耐磨内花键激光淬火的装置，其特征在于，包括六轴机械手（1）、激光淬火头（2）、快速拆装接头（3）、立卧转换转台（4），所述六轴机械手（1）通过所述快速拆装接头（3）与所述激光淬火头（2）相连接，所述立卧转换转台（4）上安装有待加工内花键零件，所述激光淬火头（2）用于对所述立卧转换转台（4）上的待加工内花键零件进行激光淬火加工。

2.根据权利要求1所述的一种表面高耐磨内花键激光淬火的装置，其特征在于，所述立卧转换转台（4）的底部固定设置有转台支座（43），所述立卧转换转台（4）的顶部通过三爪卡盘固定安装所述待加工内花键零件，所述待加工内花键零件上开设有内花键（41），所述立卧转换转台（4）的侧部设置有调节不同角度位置下的转动的立卧转换旋钮（42）。

3.根据权利要求1所述的一种表面高耐磨内花键激光淬火的装置，其特征在于，所述快速拆装接头（3）包括第一连接块（31）、第二连接块（32）、快速拆装旋钮（33），所述第一连接块（31）与所述六轴机械手（1）相配合联接，所述第二连接块（32）与所述激光淬火头（2）相配合联接，所述第一连接块（31）通过所述快速拆装旋钮（33）与所述第二连接块（32）拆卸式配合联接。

4.根据权利要求1所述的一种表面高耐磨内花键激光淬火的装置，其特征在于，所述激光淬火头（2）的顶端设置有激光淬火头光纤接口（21），用来外接光纤源。

5.根据权利要求4所述的一种表面高耐磨内花键激光淬火的装置，其特征在于，所述激光淬火头（2）的下方固定设置有激光淬火头保护支架（22）。

6.根据权利要求1所述的一种表面高耐磨内花键激光淬火的装置，其特征在于，所述六轴机械手（1）上设置有调节所述激光淬火头（2）运行轨迹的轴A1（11）、轴A2（12）、轴A3（13）、轴A4（14）、轴A5（15）、轴A6（16），所述六轴机械手（1）通过所述轴A6（16）与所述快速拆装接头（3）相配合联接。

7.根据权利要求6所述的一种表面高耐磨内花键激光淬火的装置，其特征在于，所述轴A1（11）、所述轴A2（12）、所述轴A3（13）、所述轴A4（14）、所述轴A5（15）和轴A6（16）用来实现所述激光淬火头（2）不同姿态、不同运行轨迹的运动。

8.一种基于权利要求1所述的表面高耐磨内花键激光淬火的装置的方法，其特征在于，包括：

步骤SS1：根据内花键内径、宽度几何参数，以及激光淬火头激光可达内花键内孔轴向方向从起点到终点原则，规划确定立卧转换转台倾斜角度和激光淬火头运行姿态及轨迹；

步骤SS2：基于激光淬火头运行轨迹和特定尺寸与性能要求的激光淬火最佳制备工艺参数，利用高能激光束直接照射内花键内表面完成激光淬火工艺。

9.根据权利要求8所述的一种表面高耐磨内花键激光淬火的装置的方法，其特征在于，所述步骤SS1具体包括：

步骤SS11：将待加工内花键零件安装于立卧转换转台的三爪卡盘上，调节立卧转换旋钮，使立卧转换转台的三爪卡盘与水平面成一定角度；

步骤SS12：然后调整激光淬火头到合适姿态，并运行至激光淬火运行轨迹起点，保证激光指示光照射至激光轨迹起点位置，并在六轴机械手示教器记录起点位置；

步骤SS13：沿内花键轴向方向，激光淬火头移动至激光淬火头运行轨迹终点，保证激光指示光照射至激光轨迹终点位置，并在六轴机械手示教器记录终点位置。

10.根据权利要求8所述的一种表面高耐磨内花键激光淬火的装置的方法，其特征在于，所述步骤SS2具体包括：

步骤SS21：根据激光淬火头运行轨迹，通过六轴机械手示教器记录起点和终点，按起点处等待内花键转动一周→起点到终点沿内花键轴向点对点直线运行→终点处等待内花键转动一周的方式设置六轴机械手运行程序；

步骤SS22：设置激光淬火加工工艺参数和立卧转换转台转速参数；

步骤SS23：运行立卧转换转台，启动激光发射和轨迹运行程序完成内花键激光淬火加工工艺。

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