CN113020778A - 超长管件的增减材加工装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及激光增材制造技术领域，具体而言涉及超长管件的增减材加工装置及方法，包括：旋转台，设有用于对管件增材的基板，能带动基板沿管材周向转动；激光增材部件，用于在基板进行增材形成管材；减材部件，包括铣削加工头和打磨加工头，所述铣削加工头用于对增材形成的管材外壁进行减材加工，所述打磨加工头用于对增材形成的管材内壁进行减材加工；限位部件，被设置成在管材在减材位置时，贴触于管材铣削段的外壁。通过增减材交替的方式，先增材出一段短管，一次仅对短管内外壁进行减材加工，如此，就能保证管材内壁的加工精度，并且对设备要求低，再重复的进行增减材，就能保证被加工出来的长管材内孔的精度满足使用要求。

Description

超长管件的增减材加工装置及方法
技术领域
本发明涉及激光增材制造技术领域，具体而言涉及超长管件的增减材加工装置及方法。
背景技术
超长管件一般指长径比≥40的管材，长管件一般在加工时通过深孔加工而成，实际钻孔过程中，由于长度较长，由于受机床运转中工件摆动、坯料中心线弯曲及操作技能未达到一定水平等主、客观综合因素影响，实际钻孔中总会偏离坯料中心线，管壁壁厚超出允许误差，导致钻头还未到达坯料终点就在中途瞬间跑出坯料外面而报废，难以打通，而且由于钻杆的晃动，使得超长细孔类超高压合金钢管的孔并非是笔直的线性，而是曲线结构，令超长细孔类超高压合金钢管壁厚不够统一，无法满足使用需求超长管材。
传统加工方式中，往往由于一次性加工距离过长，导致加工精度难以保证，现有技术中进行的工艺改进和优化仍不能克服刀具在转动时钻头的晃动问题，因此，亟需一种能对于超长管件加工的设备及方法。
现有技术文献：
专利文献1：CN111673136A一种超长细孔类钢管钻孔加工工艺
专利文献2：CN209304222U一种超长钢管内壁打磨装置
发明内容
本发明目的在于提供超长管件的增减材加工装置及方法，通过增材-减材交替的方式，一次加工出较短的管材，并进行内壁减材加工，如此，可避免因钻具精度不高而导致的长管材内孔精度低的问题。
为了实现上述目的，本发明提供超长管件的增减材加工装置，包括：
旋转台，设有用于对管件增材的基板，能带动基板沿管材周向转动；
激光增材部件，用于在基板进行增材形成管材；
减材部件，包括铣削加工头和打磨加工头，所述铣削加工头用于对增材形成的管材外壁进行减材加工，所述打磨加工头用于对增材形成的管材内壁进行减材加工；
限位部件，被设置成在管材在减材位置时，贴触于管材铣削段的外壁；
其中，所述旋转台用于将管材在增材位置加工至预定长度后转移至减材位置，并在减材位置磨削至预定尺寸后再转移至增材位置。
优选的，所述旋转台被设置成能带动基板沿管材径向转动，所述激光增材部件被设置在竖直方向，所述打磨加工头被设置在水平方向，
优选的，所述打磨加工头包括连接到机床的钻头，所述钻头的侧壁上设有可伸缩的打磨头，所述打磨头被设置成在收缩位置时外径尺寸小于钻头尺寸，在打磨位置时外径尺寸大于钻头尺寸。
优选的，所述钻头的侧壁设有供打磨头处于收缩位置的凹槽，在所述凹槽内设有沿钻头的径向方向伸缩的载气式伸缩杆，所述钻头的钻杆中设有连接载气式伸缩杆的通道，钻杆上还设有用于封闭所述通道的阀门。
优选的，所述载气式伸缩杆被设置成：
当钻杆的通道内充有压缩气体时，所述打磨头处于打磨位置；
当钻杆的通道内压缩气体释放时，所述打磨头处于收缩位置。
优选的，所述钻杆被一卡盘夹持连接到机床上，用于驱动钻杆转动，并能沿管件轴向进给预定长度。
优选的，所述限位部件能沿管材长度方向移动，用于限制管材在转动时发生径向晃动。
优选的，所述限位部件包括气动卡盘。
本发明提供另一种技术方案，一种超长管件的增减材加工方法，使用上述方案中的超长管件的增减材加工装，包括以下步骤：
步骤S1、旋转台上安装基板，并将基板移动至水平状态；
步骤S2、使用增材部件在基板上沿竖直方向加工出预定长度的管件；
步骤S3、待管件完全冷却后，转动旋转台使管件由增材位置移动至减材位置；
步骤S4、对管材内外壁进行减材加工直至达到预定尺寸；
步骤S5，将管材由减材位置移动至增材位置，并在减材后的管材端面继续加工预定长度；
步骤S6、重复步骤S3-步骤S5直至管材达到目标长度。
优选的，按照管材被增材的顺序依次定义管材为N1、N2、N3···Nx，在步骤S4中，包括对管材的外壁减材步骤和内壁减材步骤，其中，
外壁减材步骤包括：
-旋转台带动管材沿周向旋转，铣刀对管材N1外壁进行减材加工；
-旋转台带动管材沿周向旋转，限位部件夹持在管材N1段-Nx-1段外壁，铣刀对管材Nx段外壁进行减材加工；
内壁减材步骤包括：
-使用钻头对管件内壁进行铣削；
-再使用打磨头对管件内壁进行打磨。
优选的，在使用打磨头对内壁进行打磨时，向钻杆的通道内充入压缩气体使打磨头变为打磨位置；将钻杆的通道内压缩气体释放，使打磨头变为收缩位置。
应当理解，前述构思以及在下面更加详细地描述的额外构思的所有组合只要在这样的构思不相互矛盾的情况下都可以被视为本公开的发明主题的一部分。另外，所要求保护的主题的所有组合都被视为本公开的发明主题的一部分。
结合附图从下面的描述中可以更加全面地理解本发明教导的前述和其他方面、实施例和特征。本发明的其他附加方面例如示例性实施方式的特征和/或有益效果将在下面的描述中显见，或通过根据本发明教导的具体实施方式的实践中得知。
附图说明
附图不意在按比例绘制。在附图中，在各个图中示出的每个相同或近似相同的组成部分可以用相同的标号表示。为了清晰起见，在每个图中，并非每个组成部分均被标记。现在，将通过例子并参考附图来描述本发明的各个方面的实施例，其中：
图1a是本发明超长管件的增减材加工装置增材加工状态示意图；
图1b是本发明超长管件的增减材加工装置减材加工状态示意图；
图2是本发明超长管件的增减材加工装置中打磨头的结构示意图；
图3是本发明超长管件的金相组织示意图。
具体实施方式
为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。
在本公开中参照附图来描述本发明的各方面，附图中示出了许多说明的实施例。本公开的实施例不必定意在包括本发明的所有方面。应当理解，上面介绍的多种构思和实施例，以及下面更加详细地描述的那些构思和实施方式可以以很多方式中任意超长管件的增减材加工装置及方法来实施，这是因为本发明所公开的构思和实施例并不限于任何实施方式。另外，本发明公开的一些方面可以单独使用，或者与本发明公开的其他方面的任何适当组合来使用。
由于目前的机床在长管件的深孔加工时，端部的钻头在杆长越长时，越容易发生晃动，因此，很难在长管件内加工出精度高的内孔，本发明旨在实现，通过增减材交替的方式，一次仅对短管内壁进行内孔加工，再重复的进行增减材，以保证长管材内孔的精度。
结合图1所示，本实施例中提供超长管件的增减材加工装置，包括旋转台1、激光增材部件3、减材部件和限位部件6。
其中，旋转台1为至少具有两个自由度的机床，旋转台1上设有用于对管件增材的基板，并能带动基板沿管材周向转动；如此，能在增材加工后，带动管材沿周向转动，便于进行减材加工。
在可选的实施例中，旋转台1用于将管材在增材位置加工至预定长度后转移至减材位置，并在减材位置磨削至预定尺寸后再转移至增材位置。其中，增材部件和减材部件平行的沿竖直方向布置，旋转台1具有周转和平移功能，在增材结束后，移动至减材位置，并带动管件转动，被减材加工。
由于带动铣刀以及打磨头的机床重量较重，在优选的示例中，激光增材部件3被设置在竖直方向，打磨加工头被设置在水平方向，旋转台1被设置成能带动基板沿管材径向转动，以转动至增材位置和减材位置。
进一步的，激光增材部件3是激光送粉或激光送丝加工头，用于在基板进行增材形成管材，优选为激光送粉加工头；其中，在钛合金等活泼金属的增材加工过程中，需要在保护气环境下进行。
在可选的实施例中，与激光加工头配套的激光器以及驱动激光加工头移动的驱动部件被设置在旋转台1的一侧，随着管材被增材长度增加，激光加工头被逐渐向上移动。
具体加工过程为，根据减材打磨加工头10的精度来确定每一次增材加工的管材长度，如，对管材内孔加工的打磨加工头10在600mm以内能保持高精度内孔打磨，则，每次增材的管件的长度小于600mm，以下以500mm长度为例，激光加工头在基板上以基板的转动中心为中心，按照预设程序，层层增材出500mm长，预定直径以及厚度的管材。
进一步的，减材部件包括铣削加工头5和打磨加工头10，铣削加工头5用于对增材形成的管材外壁进行减材加工，打磨加工头10用于对增材形成的管材内壁进行减材加工。
在可选的实施例中，铣削加工头5被数控机床所驱动，在减材加工过程中，旋转台1带动基板转动，铣削加工头5对转动的管材表面进行减材，使原本光滑度低的表面变得光滑，其中，减材厚度根据增材过程中材料形变量确定。
进一步的，当管件逐渐增长，在减材过程中，为了保持管件的稳定性，限位部件6被设置成在管材在减材位置时，贴触于管材铣削段的外壁；如此，可保持管件在转动过程中保持稳定的状态，避免因刀具触碰而晃动，提高外壁加工精度。
在可选的实施例中，限位部件6为气动卡盘，在第一端增材管件外壁被铣削后套在管件的外壁，跟随管件转移至增材位置或减材位置，在减材位置时，气动卡盘贴触在管件的外壁，使管件与卡盘卡爪的弧形面接触，限制管件发生晃动。
在其他可选的示例中，限位部件6还可以是U型限位钳，使用一个以上的U型限位钳即可对管件的外壁进行限位，且更便于移动到管件的外壁。
在优选的示例中，限位部件6能沿管材长度方向移动，如此，当管件长度随着增材变长之后，通过限位部件6的移动，尤其是对靠近管件减材的一端进行限位，可以更好的限制管材在转动时发生径向晃动，以提高外壁减材精度。
进一步的，打磨加工头包括连接到机床的钻头10，钻头10的侧壁上设有可伸缩的打磨头7，打磨头7被设置成在收缩位置时外径尺寸小于钻头尺寸，在打磨位置时外径尺寸大于钻头尺寸。
具体的，钻头10被安装到四爪卡盘9上，四爪卡盘9被安装到机床卡盘8上，机床卡盘8被机床带动能沿轴线方向进给运动，同时转动带动钻头10转动，如此，使钻头10伸入到增材后的管件内壁进行内壁打磨。
结合图2所示，钻头10的侧壁设有供打磨头7处于收缩位置的凹槽，在凹槽内设有沿钻头的径向方向伸缩的载气式伸缩杆11，钻杆中设有连接载气式伸缩杆的通道，钻杆上还设有用于封闭所述通道的阀门(图中未示出)。
如此，在钻头10对内壁粗加工后，再将钻头10抽出，向钻杆中的通道内充入压缩气体，使载气式伸缩杆11伸长，即打磨头7伸出，此时打磨头7的外径尺寸大于钻头10的外径尺寸，在转头10转动时，能对管件的内壁进行精细打磨。
在可选的实施例中，载气式伸缩杆包括嵌套的空心杆，一端安装有打磨头7，另一端连接钻杆中供气通道，钻杆的末端设有与通道连通的气阀，例如单向气阀，充气时气阀连接气源即可，充满时气源断开；释放气体时，使单向气阀打开放气。
在可选的实施例中，载气式伸缩杆11被设置成：
当钻杆的通道内充有压缩气体时，打磨头7处于打磨位置；
当钻杆的通道内压缩气体释放时，打磨头7处于收缩位置。
在本实施例中，载气式伸缩杆11内部设有拉伸弹簧，当没有压缩气体顶开伸缩杆时，伸缩杆被弹簧拉伸收缩嵌套。
在其他的实施例中，可以通过连接负压源，使通道内气体处于负压状态，使打磨头7处于收缩位置。
本发明提供另一种技术方案，一种超长管件的增减材加工方法，使用上述方案中的超长管件的增减材加工装，包括以下步骤：
步骤S1、旋转台1上安装基板，并操作旋转台1将基板移动至水平状态；
步骤S2、使用增材部件3在基板上沿竖直方向加工出预定长度的管件；
步骤S3、待管件完全冷却后，转动旋转台使管件由增材位置移动至减材位置；
步骤S4、对管材内外壁进行减材加工直至达到预定尺寸；
步骤S5，将管材由减材位置移动至增材位置，并在减材后的管材端面继续加工预定长度；
步骤S6、重复步骤S3-步骤S5直至管材达到目标长度。
优选的，按照管材被增材的顺序依次定义管材为N1、N2、N3···Nx，在步骤S4中，包括对管材的外壁减材步骤和内壁减材步骤，其中，
外壁减材步骤包括：
-旋转台1带动管材沿周向旋转，铣刀对管材N1外壁进行减材加工；
-旋转台1带动管材沿周向旋转，限位部件6夹持在管材N1段-Nx-1段外壁，铣刀对管材Nx段外壁进行减材加工；
内壁减材步骤包括：
-使用钻头10对管件内壁进行铣削；
-再使用打磨头7对管件内壁进行打磨。
优选的，在使用打磨头对内壁进行打磨时，向钻杆的通道内充入压缩气体使打磨头变为打磨位置；将钻杆的通道内压缩气体释放，使打磨头变为收缩位置。
在可选的实施例中，在27SiMn基板表面进行Fe-Cr合金粉末激光增减材加工制造，其中，被加工管件的直径为30mm，长度2米，增材所用的粉末粒径范围选用53～150um。
激光熔覆工艺参数为：激光功率1600W，扫描速度0.01m/s，送粉量为1rad/min，光斑搭接率为50％，熔覆0.5*4米。
具体加工过程为，步骤1、旋转台1上安装基板，并操作旋转台1将基板移动至水平状态；
步骤2、使用增材部件3在基板上沿竖直方向加工出500mm的管件；
步骤3、待管件完全冷却后，即金属由高温的红色变为黑色后，转动旋转台1九十度使管件由竖直状态移动至水平状态；
步骤4、旋转台1带动基板转动，铣削加工头5对转动的管材表面进行减材，使原本光滑度低的表面变得光滑，接着使用钻头10对管件内壁进行铣削，再使用打磨头7对管件内壁进行打磨，直至满足使用需求；
步骤5，再将管材由水平状态移动至竖直状态，并在减材后的管材端面继续使用激光加工头加工预定长度；
步骤6、重复步骤3-步骤5直至管材达到2000mm；
步骤7、将加工好的管材从基板上线切割下来，得到长管材。
结合图3所示为本实施例中被加工管件的金相组织示意图，可以看出增减材零件组织致密，满足使用要求。
如此，结合以上实施例，通过增减材交替的方式，先增材出一段短管，一次仅对短管内外壁进行减材加工，如此，就能保证管材内壁的加工精度，并且对设备要求低，再重复的进行增减材，就能保证被加工出来的长管材内孔的精度满足使用要求。
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

Claims (11)

1.一种超长管件的增减材加工装置，其特征在于，包括：
旋转台，设有用于对管件增材的基板，能带动基板沿管材周向转动；
激光增材部件，用于在基板进行增材形成管材；
减材部件，包括铣削加工头和打磨加工头，所述铣削加工头用于对增材形成的管材外壁进行减材加工，所述打磨加工头用于对增材形成的管材内壁进行减材加工；
限位部件，被设置成在管材在减材位置时，贴触于管材铣削段的外壁；
其中，所述旋转台用于将管材在增材位置加工至预定长度后转移至减材位置，并在减材位置磨削至预定尺寸后再转移至增材位置。
2.根据权利要求1所述的超长管件的增减材加工装置，其特征在于，所述旋转台被设置成能带动基板沿管材径向转动，所述激光增材部件被设置在竖直方向，所述打磨加工头被设置在水平方向。
3.根据权利要求1所述的超长管件的增减材加工装置，其特征在于，所述打磨加工头包括连接到机床的钻头，所述钻头的侧壁上设有可伸缩的打磨头，所述打磨头被设置成在收缩位置时外径尺寸小于钻头尺寸，在打磨位置时外径尺寸大于钻头尺寸。
4.根据权利要求3所述的超长管件的增减材加工装置，其特征在于，所述钻头的侧壁设有供打磨头处于收缩位置的凹槽，在所述凹槽内设有沿钻头的径向方向伸缩的载气式伸缩杆，所述钻头的钻杆中设有连接载气式伸缩杆的通道，钻杆上还设有用于封闭所述通道的阀门。
5.根据权利要求4所述的超长管件的增减材加工装置，其特征在于，所述载气式伸缩杆被设置成：
当钻杆的通道内充有压缩气体时，所述打磨头处于打磨位置；
当钻杆的通道内压缩气体释放时，所述打磨头处于收缩位置。
6.根据权利要求1所述的超长管件的增减材加工装置，其特征在于，所述钻杆被一卡盘夹持连接到机床上，用于驱动钻杆转动，并能沿管件轴向进给预定长度。
7.根据权利要求1所述的超长管件的增减材加工装置，其特征在于，所述限位部件能沿管材长度方向移动，用于限制管材在沿周向转动时发生径向晃动。
8.根据权利要求1所述的超长管件的增减材加工装置，其特征在于，所述限位部件包括气动卡盘。
9.一种超长管件的增减材加工方法，其特征在于，使用权利要求1-7任意一项所述的超长管件的增减材加工装，包括以下步骤：
步骤S1、旋转台上安装基板，并将基板移动至水平状态；
步骤S2、使用增材部件在基板上沿竖直方向加工出预定长度的管件；
步骤S3、待管件完全冷却后，转动旋转台使管件由增材位置移动至减材位置；
步骤S4、对管材内外壁进行减材加工直至达到预定尺寸；
步骤S5，将管材由减材位置移动至增材位置，并在减材后的管材端面继续加工预定长度；
步骤S6、重复步骤S3-步骤S5直至管材达到目标长度。
10.根据权利要求8所述的超长管件的增减材加工方法，其特征在于，按照管材被增材的顺序依次定义管材为N1、N2、N3···Nx，在步骤S4中，包括对管材的外壁减材步骤和内壁减材步骤，其中，
外壁减材步骤包括：
-旋转台带动管材沿周向旋转，铣刀对管材N1外壁进行减材加工；
-旋转台带动管材沿周向旋转，限位部件夹持在管材N1段-Nx-1段外壁，铣刀对管材Nx段外壁进行减材加工；
内壁减材步骤包括：
-使用钻头对管件内壁进行铣削；
-再使用打磨头对管件内壁进行打磨。
11.根据权利要求9所述的超长管件的增减材加工方法，其特征在于，在使用打磨头对内壁进行打磨时，向钻杆的通道内充入压缩气体使打磨头变为打磨位置；将钻杆的通道内压缩气体释放，使打磨头变为收缩位置。
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