CN113881841A - 一种五轴机床式激光冲击强化设备 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种五轴机床式激光冲击强化设备，包括五轴数控机床、工件夹具、激光器、激光导光装置、激光聚焦装置、水净化系统、水约束层加载装置和激光冲击强化控制系统，工件夹具安装在C轴旋转工作台上，用于夹持工件，激光导光装置将激光器发射的激光引导至B轴装置处，之后经激光聚焦装置聚焦后作用于工件表面，水净化系统连接水约束层加载装置，水约束层加载装置加载水约束层至工件表面，激光冲击强化控制系统分别与激光器、五轴数控机床和水约束层加载装置连接，用于完成激光冲击强化的自动化处理。本发明解决基于机械臂或坐标机器人的激光冲击强化设备进行小光斑冲击时，在高速运动中重复定位精度低以及难以进行复杂型面离线编程的难题。

Description

一种五轴机床式激光冲击强化设备

技术领域

本发明涉及激光冲击强化技术领域，特别涉及一种五轴机床式激光冲击强化设备。

背景技术

激光冲击强化技术是利用强激光束产生的等离子冲击波，提高金属材料的抗疲劳、耐磨损和抗腐蚀能力的一种高新技术。

目前，激光冲击强化设备一般采用机械臂或坐标机器人作为工件夹持运动系统，可以用于简单型面零件的激光冲击强化加工。这种基于机械臂或坐标机器人固定式激光冲击强化设备，在加工过程中激光不能移动，对于复杂型面的零件加工有一定难度，并且只能实现较简单型面的离线编程，不易实现路径的规划编制。当激光冲击强化中采用能量几十毫焦的高重频纳秒激光器作为激光源时，为达到激光冲击强化的目的（功率密度大于1GW/cm²），需要聚焦光斑小于1mm，这就需要加工时机械臂在速度较大的情况下重复定位精度也应该较高。

在较高的运动速度时，对于具有复杂型面的零件加工时，缺少既能快速移动且重复定位精度较高的设备。

一般的五轴数控机床虽然高速运动时重复定位高，且对于复杂型面零件可以离线编程，但是其采用刀头切削，无法进行激光冲击强化。

发明内容

本发明提出一种五轴机床式激光冲击强化设备，解决了现有技术中基于机械臂或坐标机器人的激光冲击强化设备进行小光斑冲击时，高速运动中重复定位精度低以及难以进行复杂型面离线编程的问题。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种五轴机床式激光冲击强化设备，包括五轴数控机床，所述五轴数控机床包括底座、支撑架、安装在支撑架上的Z轴装置、安装在底座上的X轴装置、安装在X轴装置上的Y轴装置、安装在Z轴装置上用于控制电主轴的摆动的B轴装置和安装在Y轴装置的C轴旋转工作台，所述X轴方向、Y轴方向和Z轴方向两两相互垂直，还包括工件夹具、激光器、激光导光装置、激光聚焦装置、水净化系统、水约束层加载装置和激光冲击强化控制系统，所述工件夹具安装在C轴旋转工作台上，用于夹持工件，所述激光导光装置将激光器发射的激光引导至B轴装置处，之后经激光聚焦装置聚焦后作用于工件表面，所述水净化系统连接水约束层加载装置，所述水约束层加载装置加载水约束层至工件表面，所述激光冲击强化控制系统分别与激光器、五轴数控机床和水约束层加载装置连接，用于完成激光冲击强化的自动化处理。

优选的，所述激光导光装置包括第一防尘管、第一反光镜、第二防尘管、第二反光镜、第三反光镜和第四反光镜，所述Z轴装置包括Z轴伸缩管，所述B轴装置包括B轴旋转电机，所述第一防尘管的第一端与激光器连接且其第二端与第一反光镜的一端连接，所述第一反光镜的另一端与第二防尘管的第一端连接，所述第二防尘管的第二端与第二反光镜的一端连接，所述第二反光镜的另一端与Z轴伸缩管的顶端连接，所述第三反光镜的一端与Z轴伸缩管的底端连接，所述第三反光镜的另一端与B轴旋转电机的一端连接，所述B轴旋转电机的另一端与第四反光镜的一端连接，所述第四反光镜的另一端与激光聚焦装置连接；

其中，第一防尘管、Z轴伸缩管和激光聚焦装置相互平行，第一防尘管和第二防尘管相互垂直。

优选的，所述五轴数控机床的自由度包括水平方向的X轴、水平方向的Y轴、竖直方向的Z轴、沿X轴偏转的B轴和绕Z轴旋转的C轴。

优选的，所述激光器出射的激光经Z轴伸缩管传输的光路方向与Z轴方向平行，所述激光经B轴旋转电机传输的光路方向与B轴旋转电机的轴心同轴。

优选的，所述水净化系统为多级过滤净化系统，所述多级水质过滤净化系统包括前置PP棉层、活性炭层、RO反渗透膜和树脂层。

优选的，经所述水净化系统处理后的过滤水的水质电阻率＞10MΩ·cm。

优选的，还包括设置在所述五轴数控机床外的防护罩，所述防护罩与五轴数控机床采用硅橡胶密封。

优选的，所述水约束层加载装置为水光同轴式约束层加载系统或水膜式约束层加载系统中的一种；所述水光同轴式约束层加载机构以对金属工件采用水光同轴的方式加载约束层，所述水膜式约束层加载机构在金属工件表面形成均匀水膜的方式加载约束层；

在所述激光器为绿光脉冲激光器时，水约束层加载装置采用水光同轴式约束层加载系统。

优选的，所述激光聚焦装置包括椎管本体，所述椎管本体内设聚焦镜、进水口、出光/出水口和密封圈，所述聚焦镜沿椎管本体径向设置在椎管本体内，所述密封圈套设在聚焦镜外，椎管本体内通过聚焦镜划分为空气层和水流层，所述空气层位于椎管本体的大口径一端，所述水流层位于椎管本体的小口径一端，所述进水口设置在椎管本体位于水流层的外壁上。

优选的，所述水约束层加载装置包括第一水管、水加载增压泵和第二水管，所述水加载增压泵的一端通过第一水管与水净化系统连接且其另一端通过第二水管与进水口连接。

本发明的有益效果是：

（1）本发明通过激光导光装置将激光冲击强化设备与五轴数控机床结合，使得激光冲击强化设备进行小光斑冲击，高速运动时达到定位精度高，可加工复杂型面零件。

（2）本发明中激光可以在两个轴方向上运动，增加了零件可加工的类型，适应范围更广。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一种五轴机床式激光冲击强化设备的结构示意图；

图2为本发明中五轴数控机床各运动轴示意图；

图3为本发明中水光同轴时水净化系统与水约束层加载装置示意图。

附图标记

1、五轴数控机床，1-1、底座，1-2、支撑架，1-3、X轴方向，1-4、Y轴方向，1-5、Z轴方向，1-6、B轴方向、1-7、C轴方向；

2、工件夹具，3、激光器；

4、激光导光装置，4-1、第一防尘管，4-2、第一反光镜，4-3、第二防尘管，4-4、第二反光镜，4-5、第三反光镜，4-6、第四反光镜；

5、激光聚焦装置，5-1、聚焦镜，5-2、进水口，5-3、出光/出水口，5-4、空气层，5-5、水流层，5-6、密封圈；

6、水净化系统；

7、水约束层加载装置，8、激光冲击强化控制系统，9、C轴旋转工作台，10、B轴旋转电机，11、Z轴伸缩管，12-1、第一水管，12-2、第二水管，13、水加载增压泵。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1-3所示，一种五轴机床式激光冲击强化设备，包括五轴数控机床1，五轴数控机床1包括底座1-1、支撑架1-2、安装在支撑架1-2上的Z轴装置、安装在底座1-1上的X轴装置、安装在X轴装置上的Y轴装置、安装在Z轴装置上用于控制电主轴的摆动的B轴装置和安装在Y轴装置的C轴旋转工作台9，X轴方向1-3、Y轴方向1-4和Z轴方向1-5两两相互垂直，五轴数控机床1的自由度包括水平方向的X轴、水平方向的Y轴、竖直方向的Z轴、沿X轴偏转的B轴和绕Z轴旋转的C轴。

还包括设置在五轴数控机床1外的防护罩，防护罩与五轴数控机床1采用硅橡胶密封，五轴数控机床1内部电机、运动轴等安装有防护罩或密封处理，能够对加工中产生的水喷溅进行防护，并且可以收集废水，集中后排放。

X、Y、Z轴采用全密封风琴防护罩； C轴采用全密封不锈钢电动回转台；五轴机床床身与底部台架采用硅橡胶密封；五轴机床外部安装有防护罩，采用硅橡胶密封。

五轴机床式激光冲击强化设备还包括工件夹具2、激光器3、激光导光装置4、激光聚焦装置5、水净化系统6、水约束层加载装置7和激光冲击强化控制系统8，工件夹具2安装在C轴旋转工作台9上，用于夹持工件，激光导光装置4将激光器3发射的激光引导至B轴装置处，之后经激光聚焦装置5聚焦后作用于工件表面，水净化系统6连接水约束层加载装置7，水净化系统6提供激光冲击强化水约束层，水约束层加载装置7加载水约束层至工件表面，激光冲击强化控制系统8分别与激光器3、五轴数控机床1和水约束层加载装置7连接，用于完成激光冲击强化的自动化处理，激光冲击强化控制系统8，具有友好人机界面，在控制界面上可以实现激光器3的开关、五轴数控机床1的运动、水约束层的加载等。其中，激光冲击强化控制界面，可设置激光器3、五轴数控机床1、水约束层的加载协调工作的加工程序，调用后可自动进行激光冲击强化加工。

其中，激光导光装置4，采用对应激光波长的全反射镜，在激光传输光路上采用管道密封，具有防激光泄露、防尘作用，从激光出口处，将激光传输至激光聚焦装置5，经聚焦后作用于工件表面。激光导光装置4包括第一防尘管4-1、第一反光镜4-2、第二防尘管4-3、第二反光镜4-4、第三反光镜4-5和第四反光镜4-6，Z轴装置包括Z轴伸缩管11，B轴装置包括B轴旋转电机10，第一防尘管4-1的第一端与激光器3连接且其第二端与第一反光镜4-2的一端连接，第一反光镜4-2的另一端与第二防尘管4-3的第一端连接，第二防尘管4-3的第二端与第二反光镜4-4的一端连接，第二反光镜4-4的另一端与Z轴伸缩管11的顶端连接，第三反光镜4-5的一端与Z轴伸缩管11的底端连接，第三反光镜4-5的另一端与B轴旋转电机10的一端连接，B轴旋转电机10的另一端与第四反光镜4-6的一端连接，第四反光镜4-6的另一端与激光聚焦装置5连接，第四反光镜4-6的与激光聚焦装置5连接为一体，随着B轴的偏转而偏转，使得激光经聚焦后输出。

其中，第一防尘管4-1、Z轴伸缩管11和激光聚焦装置5相互平行，第一防尘管4-1和第二防尘管4-3相互垂直。

激光器3为纳秒级固体激光器，如1064nm或532nm的YAG固体激光器。激光器3出射的激光经Z轴伸缩管11传输的光路方向与Z轴方向1-5平行，激光经B轴旋转电机10传输的光路方向与B轴旋转电机10的轴心同轴。

水净化系统6为多级过滤净化系统，多级水质过滤净化系统包括前置PP棉层、活性炭层、RO反渗透膜和树脂层。水净化系统6通过前置PP棉对原水进行物理过滤，去除水中较粗颗粒杂质、污泥、胶体、悬浮物等；再经过活性炭过滤水中的微粒和色素；然后经过RO反渗透脱除水中90%以上的盐份，去除水中有机物、微生物、细菌、金属离子；最后经过树脂过滤剩余离子等。

经水净化系统6处理后的过滤水的水质电阻率＞10MΩ·cm。

激光聚焦装置5包括椎管本体，椎管本体内设聚焦镜5-1、进水口5-2、出光/出水口5-3和密封圈5-6，聚焦镜5-1沿椎管本体径向设置在椎管本体内，密封圈5-6套设在聚焦镜5-1外，椎管本体内通过聚焦镜5-1划分为空气层5-4和水流层5-5，空气层5-4位于椎管本体的大口径一端，水流层5-5位于椎管本体的小口径一端，进水口5-2设置在椎管本体位于水流层5-5的外壁上。

水约束层加载装置7包括第一水管12-1、水加载增压泵13和第二水管12-2，水加载增压泵13的一端通过第一水管12-1与水净化系统6连接且其另一端通过第二水管12-2与进水口5-2连接。

水约束层加载装置7为水光同轴式约束层加载系统或水膜式约束层加载系统中的一种；水光同轴式约束层加载机构以对金属工件采用水光同轴的方式加载约束层，水膜式约束层加载机构在金属工件表面形成均匀水膜的方式加载约束层；而且在激光器3为绿光脉冲激光器时，水约束层加载装置7采用水光同轴式约束层加载系统。

该发明工作原理如下：

如图1所示，激光器1通过激光导光装置4的反射镜反射传输后，由激光聚焦装置5聚焦后作用于工件表面；激光传输光路由各防尘管屏蔽，避免了激光外泄，并且起到防尘作用；激光经激光导光装置4传输，在竖直方向上与五轴数控机床的Z轴方向1-5平行；激光经反射后经过B轴旋转电机10的轴心；经激光导光装置最末级第四反光镜4-6的反射，与B轴方向1-6相同；激光聚焦装置5与第四反光镜4-6相连，并且随着B轴旋转电机10偏转；工件夹具2安装在C轴旋转工作台9上，用于工件的夹持，并且随着五轴机床各轴运动；水净化系统6提供加工用的过滤水；激光冲击强化控制系统8控制激光器3、五轴数控机床1、水净化系统6和水约束层加载装置7的水加载增压泵的协调工作，达到工件激光冲击强化的目的。

如图2所示为五轴数控机床各运动轴示意图。在水平方向上，五轴机床可以在X轴方向1-3、Y轴方向1-4上运动；竖直方向上可在Z轴方向1-5运动；B轴旋转电机10的轴心与Y轴方向1-4平行，并且B轴旋转电机10随着Z轴方向1-5可向上向下运动，B轴旋转电机10旋转时，可带动B轴方向1-6偏转；C轴方向1-7绕着电动回转台的中心轴（Z轴方向1-5）可以360°旋转。

如图3，水光同轴时水净化系统与水约束层加载装置示意图，水净化系统6，提供电阻率＞10MΩ·cm的过滤水；水加载增压泵13通过第二水管12-2与激光聚焦装置5的进水口5-2相连接；聚焦镜5-1由密封圈5-6密封安装，将激光聚焦装置5的椎管分隔为空气层5-4和水流层5-5；水加载增压泵13工作时，可以增加进入进水口5-2的水流压力，使得水流层5-5充满纯水，通过出光/出水口5-3将水排出；激光经聚焦镜5-1聚焦，穿过水流层5-5，由出光/出水口5-3出射，作用于工件表面。

综上所述，激光器3通过激光导光装置4导光，使得激光与五轴数控机床的竖直方向、摆动方向同轴，末端激光通过聚焦镜5-1聚焦；工件安装在五轴数控机床的底座1-1上；在工件的待加工表面加载水约束层，聚焦激光透过水约束层作用在工件的表面；并通过机床几个轴的配合运动，可以将工件的待加工表面全部冲击强化。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种五轴机床式激光冲击强化设备，包括五轴数控机床（1），所述五轴数控机床（1）包括底座（1-1）、支撑架（1-2）、安装在支撑架（1-2）上的Z轴装置、安装在底座（1-1）上的X轴装置、安装在X轴装置上的Y轴装置、安装在Z轴装置上用于控制电主轴的摆动的B轴装置和安装在Y轴装置的C轴旋转工作台（9），所述X轴方向（1-3）、Y轴方向（1-4）和Z轴方向（1-5）两两相互垂直，其特征在于，还包括工件夹具（2）、激光器（3）、激光导光装置（4）、激光聚焦装置（5）、水净化系统（6）、水约束层加载装置（7）和激光冲击强化控制系统（8），所述工件夹具（2）安装在C轴旋转工作台（9）上，用于夹持工件，所述激光导光装置（4）将激光器（3）发射的激光引导至B轴装置处，之后经激光聚焦装置（5）聚焦后作用于工件表面，所述水净化系统（6）连接水约束层加载装置（7），所述水约束层加载装置（7）加载水约束层至工件表面，所述激光冲击强化控制系统（8）分别与激光器（3）、五轴数控机床（1）和水约束层加载装置（7）连接，用于完成激光冲击强化的自动化处理。

2.如权利要求1所述的一种五轴机床式激光冲击强化设备，其特征在于，所述激光导光装置（4）包括第一防尘管（4-1）、第一反光镜（4-2）、第二防尘管（4-3）、第二反光镜（4-4）、第三反光镜（4-5）和第四反光镜（4-6），所述Z轴装置包括Z轴伸缩管（11），所述B轴装置包括B轴旋转电机（10），所述第一防尘管（4-1）的第一端与激光器（3）连接且其第二端与第一反光镜（4-2）的一端连接，所述第一反光镜（4-2）的另一端与第二防尘管（4-3）的第一端连接，所述第二防尘管（4-3）的第二端与第二反光镜（4-4）的一端连接，所述第二反光镜（4-4）的另一端与Z轴伸缩管（11）的顶端连接，所述第三反光镜（4-5）的一端与Z轴伸缩管（11）的底端连接，所述第三反光镜（4-5）的另一端与B轴旋转电机（10）的一端连接，所述B轴旋转电机（10）的另一端与第四反光镜（4-6）的一端连接，所述第四反光镜（4-6）的另一端与激光聚焦装置（5）连接；

其中，第一防尘管（4-1）、Z轴伸缩管（11）和激光聚焦装置（5）相互平行，第一防尘管（4-1）和第二防尘管（4-3）相互垂直。

3.如权利要求1或2所述的一种五轴机床式激光冲击强化设备，其特征在于，所述五轴数控机床（1）的自由度包括水平方向的X轴、水平方向的Y轴、竖直方向的Z轴、沿X轴偏转的B轴和绕Z轴旋转的C轴。

4.如权利要求3所述的一种五轴机床式激光冲击强化设备，其特征在于，所述激光器（3）出射的激光经Z轴伸缩管（11）传输的光路方向与Z轴方向（1-5）平行，所述激光经B轴旋转电机（10）传输的光路方向与B轴旋转电机（10）的轴心同轴。

5.如权利要求1所述的一种五轴机床式激光冲击强化设备，其特征在于，所述水净化系统（6）为多级过滤净化系统，所述多级水质过滤净化系统包括前置PP棉层、活性炭层、RO反渗透膜和树脂层。

6.如权利要求5所述的一种五轴机床式激光冲击强化设备，其特征在于，经所述水净化系统（6）处理后的过滤水的水质电阻率＞10MΩ·cm。

7.如权利要求1所述的一种五轴机床式激光冲击强化设备，其特征在于，还包括设置在所述五轴数控机床（1）外的防护罩，所述防护罩与五轴数控机床（1）采用硅橡胶密封。

8.如权利要求1所述的一种五轴机床式激光冲击强化设备，其特征在于，所述水约束层加载装置（7）为水光同轴式约束层加载系统或水膜式约束层加载系统中的一种；所述水光同轴式约束层加载机构以对金属工件采用水光同轴的方式加载约束层，所述水膜式约束层加载机构在金属工件表面形成均匀水膜的方式加载约束层；

在所述激光器（3）为绿光脉冲激光器（3）时，水约束层加载装置（7）采用水光同轴式约束层加载系统。

9.如权利要求1所述的一种五轴机床式激光冲击强化设备，其特征在于，所述激光聚焦装置（5）包括椎管本体，所述椎管本体内设聚焦镜（5-1）、进水口（5-2）、出光/出水口（5-3）和密封圈（5-6），所述聚焦镜（5-1）沿椎管本体径向设置在椎管本体内，所述密封圈（5-6）套设在聚焦镜（5-1）外，椎管本体内通过聚焦镜（5-1）划分为空气层（5-4）和水流层（5-5），所述空气层（5-4）位于椎管本体的大口径一端，所述水流层（5-5）位于椎管本体的小口径一端，所述进水口（5-2）设置在椎管本体位于水流层（5-5）的外壁上。

10.如权利要求1所述的一种五轴机床式激光冲击强化设备，其特征在于，所述水约束层加载装置（7）包括第一水管（12-1）、水加载增压泵（13）和第二水管（12-2），所述水加载增压泵（13）的一端通过第一水管（12-1）与水净化系统（6）连接且其另一端通过第二水管（12-2）与进水口（5-2）连接。

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