CN113664627A - 一种基于增减材复合制造的插齿刀具再制造装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于增减材复合制造的插齿刀具再制造装置，包括：激光熔覆系统，用于对插齿刀具进行激光熔覆增材制造；机器视觉处理系统，用于对插齿刀具进行扫描，采集和生成插齿刀具前刀面的截面形状；刀具磨削系统，用于对激光熔覆后的插齿刀具进行磨削；控制单元，与激光熔覆系统、机器视觉处理系统和刀具磨削系统连接，控制单元控制激光熔覆系统、机器视觉处理系统和刀具磨削系统的工作，本发明能够有效地修复用旧的插齿刀具。
Description
技术领域
本发明涉及刀具制造领域，尤其涉及一种基于增减材复合制造的插齿刀具再制造装置及方法。
背景技术
齿轮是各种机械产品中应用最广泛的传动零件，而齿轮刀具在金属切削刀具中造型复杂程度最高。插齿刀具是齿轮刀具中常见的一种刀具，它不仅能加工普通的直齿圆柱齿轮，而且可以加工内齿轮、空刀槽较小的阶梯齿轮、斜齿轮、人字齿轮及齿条等。
为了使插齿刀有一定的使用寿命，需要将插齿刀设计成一个在不同端截面内有不同变位系数的变位齿轮，每次刀具用钝或崩刃以后，重磨前后刀面可以继续使用。然而，当插齿刀具达到使用寿命后，不再满足齿轮的加工精度要求，插齿刀具将报废。因为插齿刀具造型复杂，刀具材料成本和制造成本都较高，报废旧刀具，购置新刀具，会增大企业的刀具成本，尤其是大型插齿刀具，一把刀具价格在几万元到几十万元不等。
因此，亟待提出一种能够对用旧插齿刀具进行再制造和重复利用的技术或装置，以解决上述问题。
发明内容
针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种基于增减材复合制造的插齿刀具再制造装置，能够有效地修复用旧的插齿刀具。
本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
一种基于增减材复合制造的插齿刀具再制造装置，包括：
激光熔覆系统，用于对插齿刀具进行激光熔覆增材制造；
机器视觉处理系统，用于对插齿刀具进行扫描，采集和生成插齿刀具前刀面的截面形状；
刀具磨削系统，用于对激光熔覆后的插齿刀具进行磨削；
控制单元，与所述激光熔覆系统、所述机器视觉处理系统和所述刀具磨削系统连接，所述控制单元控制所述激光熔覆系统、所述机器视觉处理系统和所述刀具磨削系统的工作。
进一步地，所述激光熔覆系统包括激光头、同步送粉器、激光水冷机、光纤激光器和第一移动装置；
所述激光水冷机和所述光纤激光器均与所述激光头连接，所述第一移动装置能使所述激光头分别沿X轴、Y轴和Y轴方向移动。
进一步地，所述机器视觉处理系统包括工业相机、视觉处理器和第二移动装置；
所述工业相机与所述视觉处理器均与所述控制单元连接，所述工业相机拍摄的照片由所述视觉处理器进行视觉处理后传递至所述控制单元；
进一步地，所述刀具磨削系统包括：刀具前刀面磨刀装置、刀具侧刃磨削装置、砂轮修整装置、冷却装置和防护罩；
所述刀具前刀面磨刀装置用于磨削插齿刀具前刀面，所述刀具侧刃磨削装置用于磨削插齿刀具的侧刃后刀面和顶刃后刀面，所述砂轮修整装置用于自动刃磨刀具前刀面磨刀装置和所示刀具侧刃磨削装置中的砂轮。
进一步地，还包括刀具装夹系统，所述刀具装夹系统包括转台、刀具装夹装置和第三移动装置；
所述转台与所述第三移动装置连接，所述第三移动装置能使所述转台沿X轴方向移动，所述刀具装夹装置安装在所述转台上。
本发明还提供了一种利用上述基于增减材复合制造的插齿刀具再制造装置的再制造方法，包括：
步骤一：在控制单元中输入待加工的插齿刀具参数、激光熔覆工艺参数、刀具磨削工艺参数，并设置各个轴的进给速度；
步骤二：采用机器视觉处理系统对插齿刀具前刀面进行扫描，自动采集和生成插齿刀具前刀面的截面形状；
步骤三：控制单元根据机器视觉处理系统获得的参数，自动规划激光头的熔覆路径，并优化匹配激光头移动速度和送粉速度；
步骤四：控制单元通过控制所述激光熔覆系统对插齿刀具进行激光熔覆；
步骤五：采用所述机器视觉处理系统对熔覆后的插齿刀具前刀面进行扫描，采集和生成插齿刀具前刀面的截面形状；
步骤六：根据步骤五中所述机器视觉处理系统获得的参数，采用刀具磨削系统对熔覆后的插齿刀具进行磨削。
进一步地，所述步骤五中激光熔覆第一层材料采用强度和硬度优于刀具基体的材料，用于与连接刀具基体与后续熔覆层，激光熔覆第二层材料，采用中低碳钢，激光熔覆第三层材料采用硬质合金材料。
本发明的有益效果：
1)本发明将刀具的激光熔覆增材制造与磨削减材加工复合在一台装置上，刀具再制造的效率高、精度高，能够有效地修复用旧的插齿刀具，解决用旧插齿刀具报废带来的刀具材料浪费，以及购置新刀带来的成本增大的问题。
2)本发明提出的多种不同特性的材料分层熔覆在插齿刀具前刀面上，使刀具具有了“表硬里韧”的综合性能：第一层材料将熔覆层与刀具基体紧密联接，第二层材料使刀具具有一定的韧性和抗冲击性能，从而减小崩刃的风险，第三层材料作为刀具的切削刃，使其具有足够的硬度和耐磨性。
3)本发明的机器视觉处理可系统可以对熔覆前后的刀具前刀面进行两次扫描，自动采集和拟合刀具前刀面的截面形状，根据刀具的前刀面的截面形状，不仅可以智能规划激光头的熔覆路径，优化匹配激光头移动速度和送粉速度，而且可以智能规划砂轮磨刀的路径，使装置具有更高的加工效率和成形质量。
附图说明
图1为根据本发明实施例的基于增减材复合制造的插齿刀具再制造装置的结构示意图。
图2为图1中防护罩的结构示意图；
图3为图1的右视图；
图4为图1的俯视图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“轴向”、“径向”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面首先结合附图具体描述根据本发明实施例的基于增减材复合制造的插齿刀具再制造装置。
请参阅图1至图4，根据本发明实施例的基于增减材复合制造的插齿刀具再制造装置包括：激光熔覆系统1、机器视觉处理系统2、刀具磨削系统3、机床床身4、控制单元5及刀具装夹系统6。
激光熔覆系统1用于对插齿刀具进行激光熔覆增材制造，包括激光头11、同步送粉器12、激光水冷机13、光纤激光器14和第一移动装置16，所述激光水冷机13和所述光纤激光器14均通过连接管15与所述激光头11连接，第一移动装置16包括：第一电机161、第二电机162、第三电机163、第一丝杠164、第二丝杠165、第三丝杠166，在控制单元5的控制下，所述第一电机161驱动第三丝杠166，使得激光头11能够沿X轴移动，所述第二电机162驱动第二丝杠165，使得激光头11能够沿Y轴移动，所述第三电机163驱动第一丝杠164，使得激光头11能够沿Z轴方向移动。
机器视觉处理系统2包括工业相机21、视觉处理器24和第二移动装置；所述工业相机21与所述视觉处理器24均与所述控制单元5连接，所述工业相机21拍摄的照片由所述视觉处理器24进行视觉处理后传递至所述控制单元5。第二移动装置包括第四丝杠22和第四电机23，在控制单元5的控制下，第四电机23驱动第四丝杠22，使得工业相机21能够沿Y轴方向移动。
所述刀具装夹系统6包括转台、刀具装夹装置和第三移动装置；所述转台与所述第三移动装置连接，第三移动装置包括第五电机63和第五丝杠64，在控制单元5的作用下，所述第三移动装置能使所述转台沿X轴方向移动，所述刀具装夹装置安装在所述转台上。刀具装夹系统6能够使得插齿刀具在激光熔覆系统1、机器视觉处理系统2以及刀具磨削系统3之间移动。
刀具磨削系统3包括刀具前刀面磨刀装置31、刀具侧刃磨削装置32、砂轮修整装置33、冷却装置34和防护罩35。所述刀具前刀面磨刀装置31用于磨削插齿刀具前刀面，所述刀具侧刃磨削装置32用于磨削插齿刀具的侧刃后刀面和顶刃后刀面，所述砂轮修整装置33用于自动刃磨刀具前刀面磨刀装置31和所示刀具侧刃磨削装置32中的砂轮。刀具前刀面磨刀装置31、刀具侧刃磨削装置32位于第五丝杠64两侧，砂轮修整装置33位于第五丝杠64后方，冷却装置34位于刀具前刀面磨刀装置32后方，以上所述各装置均处于防护罩30内。
控制面板5与激光熔覆系统1、机器视觉处理系统2、刀具磨削系统3和，刀具装夹系统6连接，控制面板5先控制刀具装夹系统6使得插齿刀具位于机器视觉处理系统2的工作区域，然后启动机器视觉处理系统2，根据获得信号控制激光熔覆系统1对插齿刀具进行激光熔覆，再控制机器视觉处理系统2对激光熔覆后的插齿刀具进行扫描，根据机器视觉处理系统2获得的信号控制刀具磨削系统3对激光熔覆后的插齿刀具进行磨削。
利用本实施例的一种基于增减材复合制造的齿轮刀具再制造装置的再制造方法如下：
1、输入、设置参数：在控制系统中输入待加工的插齿刀具参数、激光熔覆工艺参数、刀具磨削工艺参数，并设置各个轴的进给速度；
2、装夹定位刀具：将待加工的插齿刀具清洗、吹干，将其装夹在刀具装夹装置上，采用激光清洗的方法扫描刀具前刀面，除去表层涂层或氧化层。
3、获取刀具截面形状：通过刀具装夹系统6将待熔覆的插齿刀具调整到机器视觉处理系统2的正下方，由机器视觉处理系统2对插齿刀具前刀面进行扫描，自动采集和生成插齿刀具前刀面的截面形状；
4、规划熔覆路径和工艺参数：控制单元5根据机器视觉处理系统2获得的插齿刀具的前刀面截面形状，自动规划激光头的熔覆路径，并优化匹配激光头移动速度和同步送粉器12送粉速度；
5、分层熔覆：控制单元5通过控制所述激光熔覆系统1对插齿刀具进行激光熔覆，采用如下工艺：首先，激光熔覆第一层材料采用强度和硬度均优于刀具基体的粉末，用于与连接刀具基体与后续熔覆层，其次，激光熔覆第二层材料，采用普通的中低碳钢，最后，激光熔覆第三层材料采用硬质合金材料；
6、再次扫描刀具前刀面形状：插齿刀具熔覆完成后，待其冷却，由刀具装夹系统6将熔覆后的插齿刀具调整到机器视觉处理系统2的正下方，由机器视觉处理系统2再次对插齿刀具前刀面进行扫描，采集和生成插齿刀具前刀面的截面形状，为后续的刀具磨削提供初始的截面参数；
7、转运刀具：由刀具装夹系统6将其送入刀具磨削系统的保护装置内；
8、磨削刀具：刀具在磨削过程中，由前刀面磨削装置和侧刃磨削装置对多余的熔覆材料进行磨削，由冷却装置对砂轮及刀具进行冷却，前刀面磨削装置磨削刀具前刀面，侧刃磨削装置磨削刀具侧刃后刀面和顶刃后刀面，当砂轮用钝以后，由砂轮修整装置将对砂轮进行修整，修整后的砂轮再次对刀具进行磨削，重复此工序，直至刀具磨削加工完成。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (7)
1.一种基于增减材复合制造的插齿刀具再制造装置，其特征在于，包括：
激光熔覆系统(1)，用于对插齿刀具进行激光熔覆增材制造；
机器视觉处理系统(2)，用于对插齿刀具进行扫描，采集和生成插齿刀具前刀面的截面形状；
刀具磨削系统(3)，用于对激光熔覆后的插齿刀具进行磨削；
控制单元(5)，与所述激光熔覆系统(1)、所述机器视觉处理系统(2)和所述刀具磨削系统(3)连接，所述控制单元(5)控制所述激光熔覆系统(1)、所述机器视觉处理系统(2)和所述刀具磨削系统(3)的工作。
2.根据权利要求1所述的基于增减材复合制造的插齿刀具再制造装置，其特征在于，所述激光熔覆系统(1)包括激光头(11)、同步送粉器(12)、激光水冷机(13)、光纤激光器(14)和第一移动装置(16)；
所述激光水冷机(13)和所述光纤激光器(14)均与所述激光头(11)连接，所述第一移动装置(16)能使所述激光头(11)分别沿X轴、Y轴和Y轴方向移动。
3.根据权利要求1所述的基于增减材复合制造的插齿刀具再制造装置，其特征在于，所述机器视觉处理系统(2)包括工业相机(21)、视觉处理器(24)和第二移动装置；
所述工业相机(21)与所述视觉处理器(24)均与所述控制单元(5)连接，所述工业相机(21)拍摄的照片由所述视觉处理器(24)进行视觉处理后传递至所述控制单元(5)。
4.根据权利要求1所述的基于增减材复合制造的插齿刀具再制造装置，其特征在于，所述刀具磨削系统(3)包括：刀具前刀面磨刀装置(31)、刀具侧刃磨削装置(32)、砂轮修整装置(33)、冷却装置(34)和防护罩(35)；
所述刀具前刀面磨刀装置(31)用于磨削插齿刀具前刀面，所述刀具侧刃磨削装置(32)用于磨削插齿刀具的侧刃后刀面和顶刃后刀面，所述砂轮修整装置(33)用于自动刃磨刀具前刀面磨刀装置(31)和所示刀具侧刃磨削装置(32)中的砂轮。
5.根据权利要求1所述的基于增减材复合制造的插齿刀具再制造装置，其特征在于，还包括刀具装夹系统(6)，所述刀具装夹系统(6)包括转台、刀具装夹装置和第三移动装置；
所述转台与所述第三移动装置连接，所述第三移动装置能使所述转台沿X轴方向移动，所述刀具装夹装置安装在所述转台上。
6.根据权利要求1-5任意一项所述的基于增减材复合制造的插齿刀具再制造装置的再制造方法，其特征在于，包括：
步骤一：在控制单元(5)中输入待加工的插齿刀具参数、激光熔覆工艺参数、刀具磨削工艺参数，并设置各个轴的进给速度；
步骤二：采用机器视觉处理系统(2)对插齿刀具前刀面进行扫描，自动采集和生成插齿刀具前刀面的截面形状；
步骤三：控制单元(5)根据机器视觉处理系统(2)获得的参数，自动规划激光头的熔覆路径，并优化匹配激光头移动速度和送粉速度；
步骤四：控制单元(5)通过控制所述激光熔覆系统(1)对插齿刀具进行激光熔覆；
步骤五：采用所述机器视觉处理系统(2)对熔覆后的插齿刀具前刀面进行扫描，采集和生成插齿刀具前刀面的截面形状；
步骤六：根据步骤五中所述机器视觉处理系统(2)获得的参数，采用刀具磨削系统(3)对熔覆后的插齿刀具进行磨削。
7.根据权利要求5所述的基于增减材复合制造的插齿刀具再制造装置的再制造方法，其特征在于，所述步骤五中激光熔覆第一层材料采用强度和硬度优于刀具基体的材料，用于与连接刀具基体与后续熔覆层，激光熔覆第二层材料，采用中低碳钢，激光熔覆第三层材料采用硬质合金材料。
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