CN114248004A - 一种旋扫式激光冲击强化加工装置及加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种旋扫式激光冲击强化加工装置及加工方法，适用于加工具有回转面结构的工件，包括激光光源，用于发射激光；中空转台，位于激光光源下方并沿激光的输出光路设置，并能够绕中空转台的轴线转动沿其轴线升降运动；导管组件，连接中空转台并将激光从中空转台的内部传递至靠近工件的位置，导管组件包括依次连接的第一导管、第二导管以及第三导管，第一导管的两端分别连接中空转台与第二导管，第三导管与第二导管的另一端摆动连接，使得第三导管能够绕其与第二导管的连接端沿靠近或远离第二导管的方向摆动。本发明通过第三导管的绕轴旋转与摆动功能，用于激光具有多种输出位置，能够适用于多种复杂或者大尺寸的工件的回转面的激光冲击强化。

Description

一种旋扫式激光冲击强化加工装置及加工方法

技术领域

本发明涉及激光加工技术领域，特别是涉及一种旋扫式激光冲击强化加工装置及加工方法。

背景技术

激光冲击强化可以通过工件运动或者激光加工头运动实现不同位置光斑的搭接，目前激光冲击强化一般采用机械手夹持工件，机械手具有转动法兰盘，对于一些具有回转面特征结构而言，一般采用法兰盘中心对应回转面转动中心的方式，可以很方便地实现圆孔等结构激光冲击强化，对于一些复杂或者大尺寸的工件的R区，孔结构，由于难以实现法兰盘正对孔中心、圆柱面中心的装夹方式，往往希望通过动光式加工头实现多孔结构、多圆柱结构或者难以机械手夹持结构件的激光冲击强化。

图1为现有技术对圆筒体结构实现回转面R区激光冲击强化方式，如采用左边动光式激光加工头(即工件不动，激光加工头转动)，不同角度激光冲击强化只需要激光加工头围绕R弧段圆心旋转加工角度即可，但由于R比较小，一般小于R10，因此没法采用转筒式旋转加工头；如采用右边不动光式激光加工头(即工件转动，激光加工头不动)，不同角度激光冲击强化需要机械手夹持工件摆动不同角度，由于机械手转动中心与R弧段圆心不一致，还需要两维直线运动弥补位置差异，因此会导致运动程序复杂。现有技术中方形光斑在激光冲击强化时由于搭接更均匀，因此多次激光冲击强化情况下铝箔胶带等吸收层不容易破损，因此在激光冲击强化时经常采用，但采用动光式激光加工头进行激光冲击强化时，由于光斑方位随激光加工头的方位变化变化，因此光斑搭接效果仍然是放射性对称分布；而采用不动光式激光加工头进行激光冲击强化时，由于光斑方位固定，因此圆周不同位置会导致搭接区域不一致，从而影响对工件的回转面的激光冲击强化的质量。

发明内容

(1)要解决的技术问题

本发明提供一种旋扫式激光冲击强化加工装置及加工方法，通过旋转工件和摆动第三导管能够适用于多种复杂或者大尺寸的工件的回转面的激光冲击强化，不仅安全有效，便于推广使用，还能够采用轻松实现在工件的回转面上形成环绕对称的光斑布局结构，提高对工件的回转面的激光冲击强化的质量。

(2)技术方案

第一方面，本发明的实施例提出了一种旋扫式激光冲击强化加工装置，适用于加工具有回转面结构的工件，包括激光光源，用于发射激光；中空转台，位于所述激光光源下方并沿所述激光的输出光路设置，并能够绕所述中空转台的轴线转动以及沿其轴线升降运动；导管组件，连接所述中空转台并将所述激光从所述中空转台的内部传递至靠近所述工件的位置，所述导管组件包括依次连接的第一导管、第二导管以及第三导管，所述第一导管的两端分别连接所述中空转台与所述第二导管，所述第三导管与所述第二导管的另一端的另一端摆动连接，使得所述第三导能够绕其与所述第二导管的连接端沿靠近或远离所述第二导管的方向摆动。

进一步地，所述导管组件还包括用于连接中空转台与所述第一导管的第一转接头、用于连接所述第一导管与所述第二导管的第二转接头以及用于连接所述第二导管与所述第三导管的第三转接头，所述第一导管的两端分别与所述第一转接头以及所述第二转接头连接，所述第二导管的两端分别与所述第二转接头以及所述第三转接头摆动连接，所述第三导管的一端与所述第三转接头采用球头连接，所述第三导管的另一端为自由端用于输出所述激光，所述自由端可绕所述第三导管与所述第二导管的连接端沿靠近或远离所述第二导管的方向摆动。

进一步地，所述第一导管的轴线与所述中空转台的轴线相互垂直，所述第二导管的轴线与所述中空转台的轴线相互平行。

进一步地，所述第二导管位于所述第一导管的下方以及第三导管的上方。

进一步地，所述第一转接头、所述第二转接头以及所述第三转接头内均设有全反射镜，用于将所述激光从所述第一转接头内反射依次经过所述第一导管、所述第二转接头、所述第二导管、所述第三转接头以及所述第三导管向所述工件输出。

进一步地，所述第三导管内部还设有用于聚集进入所述第三导管内的所述激光后向输出至所述工件上的整形镜。

进一步地，第三导管上远离所述第二导管的一端设有用于喷射压缩空气的气嘴。

另一方面，本发明还提出了一种旋扫式激光冲击强化加工方法，包括步骤一：将待加工的所述工件放置于一固定平台上；步骤二：根据待加工的所述工件的回转面结构的特征来调整所述第三导管与所述工件上待加工的回转面的倾斜角度；步骤三：开启所述激光光源并同步启动用于驱动所述中空转台旋转的伺服电机，通过所述激光对所述工件的回转面进行加工；待所述中空转台旋转一周后停止完成一个圆周运动后停止，并调节所述第三导管绕所述第二导管的轴线摆动一个预设角度以及启动用于驱动所述中空转台进行升降运动的步进电机调来调节所述第三导管距离所述工件的垂直高度；步骤五：再次启动用于驱动所述中空转台旋转的伺服电机带动所述中空转台旋转一周；步骤六：重复步骤四和步骤五，直至完成对所述工件的加工。

进一步地，所述步骤二中的所述工件的回转面结构为外部圆周面或外部圆弧面时，调整所述第三导管与所述工件回转面的倾斜角度为90°；若所述工件的回转面结构为内部圆周面或内部圆弧面时，调整所述第三导管与所述工件回转面的倾斜角度为30°～60°。

进一步地，在所述步骤二中，所述第三导管内部还设有用于聚集进入所述第三导管内的所述激光后向输出至所述工件上的整形镜，调整所述第三导管与所述工件上待加工的回转面的倾斜角度的同时，使得所述整形镜距离所述工件为350mm～450mm。

(3)有益效果

综上，本发明通过第三导管的绕轴旋转与摆动的两种运动方式即具有绕中空转台的轴线旋转以及绕其与第二导管的连接端沿靠近或远离第二导管的方向摆动，用于激光具有多种输出位置，能够适用于多种复杂或者大尺寸的工件的回转面的激光冲击强化，不仅安全有效，便于推广使用，还能够采用轻松实现在工件的回转面上形成环绕对称的光斑布局结构，提高对工件的回转面的激光冲击强化的质量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述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是现有技术采用不同方式来加工回转面不同位置的结构示意图。

图2是本发明的旋扫式激光冲击强化加工装置的结构示意图。

图3是本发明的旋扫式激光冲击强化加工方法的流程示意图。

图中：

1-激光；10-工件；

2-激光中心轴线；

3-中空转台；31-中空板；32-第一转接头；

4-全反射镜；41-第一导管；42-第二导管；43-第三导管；44-第二转接头；45-第三转接头；

8-整形镜；

9-气嘴。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例的详细描述和附图用于示例性地说明本发明的原理，但不能用来限制本发明的范围，即本发明不限于所描述的实施例，在不脱离本发明的精神的前提下覆盖了零件、部件和连接方式的任何修改、替换和改进。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参照附图并结合实施例来详细说明本申请。

图2是本发明实施例的一种旋扫式激光冲击强化加工装置的结构示意图，如图2所示，该旋扫式激光冲击强化加工装置，适用于加工具有回转面结构的工件10，该回转面结构为设于工件10内部的孔结构型面或者设于工件10外部的圆弧型面，包括激光光源(图中未示出)，向该工件10发射激光1用于加工该工件10内部的孔结构型面或者设于工件10外部的圆弧型面；中空转台3，位于该激光光源下方(也可称之为光路下游)且沿该激光1的输出方向上即输出光路设置，并能够绕中空转台3的轴线2转动并用于导向该激光1的传输，该激光1的输出方向的中心线与中空转台3的轴线2共线(当待加工工件的回转面的转动轴线不是垂直方位时即带有一定偏角位置设置，需要调整中空转台的轴线与其转动轴线同轴，才能保障激光沿中空转台的轴线方向传输)，还包括导管组件，连接中空转台3并将激光1从中空转台3的内部传递至靠近工件10的位置，该导管组件包括依次连接的第一导管41、第二导管42以及第三导管43，该第一导管41的两端分别连接中空转台3与第二导管42，第三导管43与第二导管42的另一端采用球头连接，使得第三导管43能够实现多个方向的摆动。

本发明通过旋转工件和摆动第三导管能够适用于多种复杂或者大尺寸的工件的回转面的激光冲击强化，不仅安全有效，便于推广使用，还能够采用轻松实现在工件的回转面上形成环绕对称的光斑布局结构，提高对工件的回转面的激光冲击强化的质量。

作为一种优选实施方式，如图2所示，该中空转台3包括固定设置的中空板31以及旋转设置于中空板31上的第一转接头32，该导管组件还包括用于连接第一导管41与第二导管42的第二转接头44以及用于连接第二导管42与第三导管43的第三转接头45，该第一导管41的两端分别与第一转接头32以及第二转接头44连接，该第二导管42的两端分别与第二转接头44以及第三转接头45连接，该第三导管43的一端与第三转接头45采用球头连接，该第三导管43的另一端为自由端用于输出激光1，该自由端可绕第三导管43与第二导管42的连接端自由摆动，各导管的长度为300～500mm。各导管与对应的转接头的连接方式可以采用固定连接的方式(如过盈配合、扣接、卡接、螺纹连接等)将导管与转接头进行锁紧，防止在移动过程中出现松动而影响激光能量的有效传输，也可以采用活动连接的方式(如轴承连接，球头连接)使得导管在各转接头的内部能够实现径向旋转或多方向自由摆动，便于调节激光反射与激光输出的角度，提高对工件进行激光冲击强化的工作环境的适应性。

作为另一种优选实施方式，如图2所示，该第一导管41的轴线与中空转台3的轴线2相互垂直，第二导管42的轴线与中空转台3的轴线2相互平行，第二导管42位于第一导管41的下方以及第三导管43的上方。当然还可以采用多余三个导管的组合方式构成的导管组件，根据工件与中空转台之间的实际距离以及加工环境的空间大小可以实现多个导管的连接组合，数量上不受本发明的限制，只要保障最后一个输出激光作用于工件的回转面的导管可以绕与其连接的相邻导管的一端自由摆动即可，采用上述布置的方式均可以采用45°的全反射镜(下文详述)，避免安装复杂。

作为其他可选实施方式。

优选地，如图2所示，该第一转接头32、第二转接头44以及第三转接头45内均设有全反射镜4，用于将激光1从第一转接头43内反射依次经过第一导管41、第二转接头44、第二导管42、第三转接头45以及第三导管43向工件10输出。通过将全反射镜布置在各转接头内，使得导管组件内部形成用于激光1的传输通道，便于激光的导向。

优选地，如图2所示，第三导管43内部还设有用于聚集进入第三导管43内的激光1后向输出至工件10上的整形镜8，用于保障从第三导管43输出的激光的强度，提高对回转面进行激光冲击强化的质量，第三导管43上远离第二导管42的一端设有用于喷射压缩空气的气嘴9，该气嘴的的直径为6mm-10mm，用于吹走因工件回转面的激光冲击强化加工而产生的进入到第三导管43内的水雾，防止水雾对激光1形成散射而影响激光的强度，避免降低对回转面进行激光冲击强化的质量。

图3是本发明实施例的一种旋扫式激光冲击强化加工方法的流程示意图，如图3所示，该旋扫式激光冲击强化加工方法是采用该旋扫式激光冲击强化加工装置对工件10进行加工的操作方法，包括步骤如下，步骤一S1：将待加工的工件10放置于一固定平台上，使得工件10的回转轴线向上并与中空转台3的中心线同轴，当待加工工件10的回转面的转动轴线不是垂直方位时即带有一定偏角位置设置，需要调整中空转台的轴线与其转动轴线同轴，才能保障激光沿中空转台的轴线方向传输；步骤二S2：根据待加工的工件10的回转面结构的特征来调整第三导管41与工件10上待加工的回转面的倾斜角度；步骤三S3：开启激光光源并同步启动用于驱动中空转台3旋转的伺服电机(图中未示出)带动中空转台3旋转，通过激光1对工件10的回转面进行加工；步骤四S4：待中空转台3完成一个圆周运动(当回转面为全周面时，中空转台完成一个圆周运动，若回转面为非完整圆周或圆弧面是，中空转台旋转对应工件回转面的待加工弧度的角度即可，例如半圆则旋转180°，直角T形结构区则旋转90°)后停止，开始调节激光1向工件10的输出位置，包括通过调节第三导管43绕第三导管43与第二导管42的连接端摆动一个预设角度以及调节中空转台在其外接的步进电机(图中未示出)的驱动下升降运动的距离，当然也可以将第二导管42设置成由两段相互嵌套且具备伸缩运动功能的套管组成，通过调节两段套管之间的嵌套长度大小来调节上下位置，移动距离根据光斑尺寸确定，一般为0.5到0.9倍方形光斑尺寸，0.3到0.5倍圆形光斑直径；步骤五S5：再次启动用于驱动中空转台3的伺服电机带动中空转台3一周；步骤六S6：重复步骤四和步骤五，直至完成对工件10的回转面的激光冲击强化。当要强化工件10圆柱顶面或者孔口侧面左右位置的激光冲击强化时，通过将第一导管41或者第三导管43设置成与第二导管42相同的结构而具备伸缩运动功能即可。

优选地，在步骤二中的工件10的回转面结构为外部圆周面或外部圆弧面时，即该回转面的垂直方向无遮挡情况下或若工件10的回转面结构为内部圆周面或内部圆弧面时，且内部圆周面或内部圆弧面的周长或弧长小于350mm的情况下，调整第三导管43与工件10的回转面的倾斜角度为90°(回转面的法线方向)，使得第三导管43的轴线即激光1的输出方向与工件10回转面垂直；若工件10的回转面结构为内部圆周面或内部圆弧面时，即该工件10具有内孔结构(该回转面的垂直方向有遮挡情况下，且该内孔的直径小于350mm)，调整第三导管43与工件10回转面的倾斜角度为30°～60°，在步骤二中，第三导管43内部还设有用于聚集进入第三导管43内的激光1后向输出至工件10上的整形镜8。对于带孔结构的工件10上的孔口位置进行激光冲击强化时，调整第三导管41与工件10上待加工的回转面的倾斜角度(即1-5°)就能实现情况下，也可以采用摆动角度方法实现，在45度情况下可允许摆动±3度，比如工作距离为400mm，上下左右28mm的直线运动可通过小范围摆动角度计算，其他距离计算依据为0.07倍工作距离。具体而言，是根据工件的回转面的弧度或周长预先计算出激光所需摆动的角度大小，可以是通过人工摆动第三导管或者是通过气缸驱动第三导管摆动，利用控制器(图中未示出)接收到旋转平台已经完成一周的结束信号后，控制第三导管自动摆动至下一次加工的预设角度位置后，再控制停止第三导管停止运动同时启动旋转平台开始驱动工件旋转完成激光对工件的回转面的激光冲击强化。

需要明确的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同或相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。本发明并不局限于上文所描述并在图中示出的特定步骤和结构。并且，为了简明起见，这里省略对已知方法技术的详细描述。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不限制于本申请。在不脱离本发明的范围的情况下对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围内。

Claims (10)

1.一种旋扫式激光冲击强化加工装置，适用于加工具有回转面结构的工件(10)，其特征在于，包括

激光光源，用于发射激光(1)；

中空转台(3)，位于所述激光光源下方并沿所述激光(1)的输出光路设置，并能够绕其轴线(2)转动以及沿其轴线(2)升降运动；

导管组件，连接所述中空转台(3)并将所述激光(1)从所述中空转台(3)的内部传递至靠近所述工件(10)的位置，所述导管组件包括依次连接的第一导管(41)、第二导管(42)以及第三导管(43)，所述第一导管(41)的两端分别连接所述中空转台(3)与所述第二导管(42)，所述第三导管(43)与所述第二导管(42)的另一端摆动连接，使得所述第三导管(43)能够绕其与所述第二导管(42)的连接端沿靠近或远离所述第二导管(42)的方向摆动。

2.根据权利要求1所述的旋扫式激光冲击强化加工装置，其特征在于，所述导管组件还包括用于连接中空转台(3)与所述第一导管(41)的第一转接头(32)、用于连接所述第一导管(41)与所述第二导管(42)的第二转接头(44)以及用于连接所述第二导管(42)与所述第三导管(43)的第三转接头(45)，所述第一导管(41)的两端分别与所述第一转接头(32)以及所述第二转接头(44)连接，所述第二导管(42)的两端分别与所述第二转接头(44)以及所述第三转接头(45)连接，所述第三导管(43)的一端与所述第三转接头(45)摆动连接，所述第三导管(43)的另一端为自由端用于输出所述激光(1)，所述自由端可绕所述第三导管(43)与所述第二导管(42)的连接端沿靠近或远离所述第二导管(42)的方向摆动。

3.根据权利要求2所述的旋扫式激光冲击强化加工装置，其特征在于，所述第一导管(41)的轴线与所述中空转台(3)的轴线(2)相互垂直，所述第二导管(42)的轴线与所述中空转台(3)的轴线(2)相互平行。

4.根据权利要求2所述的旋扫式激光冲击强化加工装置，其特征在于，所述第二导管(42)位于所述第一导管(41)的下方以及第三导管(43)的上方。

5.根据权利要求2所述的旋扫式激光冲击强化加工装置，其特征在于，所述第一转接头(32)、所述第二转接头(44)以及所述第三转接头(45)内均设有全反射镜(4)，用于将所述激光(1)从所述第一转接头(43)内反射依次经过所述第一导管(41)、所述第二转接头(44)、所述第二导管(42)、所述第三转接头(45)以及所述第三导管(43)向所述工件(10)输出。

6.根据权利要求2所述的旋扫式激光冲击强化加工装置，其特征在于，所述第三导管(43)内部还设有用于聚集进入所述第三导管(43)内的所述激光(1)后向输出至所述工件(10)上的整形镜(8)。

7.根据权利要求1至6任意一项所述的旋扫式激光冲击强化加工装置，其特征在于，第三导管(43)上远离所述第二导管(42)的一端设有用于喷射压缩空气的气嘴(9)。

8.一种旋扫式激光冲击强化加工方法，其特征在于，采用上述权利要求1所述的旋扫式激光冲击强化加工装置对所述工件(10)进行加工，包括如下步骤：

步骤一：将待加工的所述工件(10)放置于一固定平台上；

步骤二：根据待加工的所述工件(10)的回转面结构的特征来调整所述第三导管(41)与所述工件(10)上待加工的回转面的倾斜角度；

步骤三：开启所述激光光源并同步启动用于驱动所述中空转台(3)旋转的伺服电机，通过所述激光(1)对所述工件(10)的回转面进行加工；

步骤四：待所述中空转台(3)旋转一周后停止，并调节所述第三导管(43)绕所述第三导管(43)与所述第二导管(42)的连接端摆动一个预设角度以及启动用于驱动所述中空转台(3)进行升降运动的步进电机调来调节所述第三导管(43)距离所述工件(10)的垂直高度；

步骤五：再次启动用于驱动所述中空转台(3)旋转的伺服电机带动所述中空转台(3)旋转一周；

步骤六：重复步骤四和步骤五，直至完成对所述工件(10)的激光冲击强化。

9.根据权利要求8所述的旋扫式激光冲击强化加工方法，其特征在于，所述步骤二中的所述工件(10)的回转面结构为外部圆周面或外部圆弧面时，调整所述第三导管(43)与所述工件(10)回转面的倾斜角度为90°；若所述工件(10)的回转面结构为内部圆周面或内部圆弧面时，调整所述第三导管(43)与所述工件(10)回转面的倾斜角度为30°-60°。

10.根据权利要求8所述的旋扫式激光冲击强化加工方法，其特征在于，在所述步骤二中，所述第三导管(43)内部还设有用于聚集进入所述第三导管(43)内的所述激光(1)后向输出至所述工件(10)上的整形镜(8)，调整所述第三导管(41)与所述工件(10)上待加工的回转面的倾斜角度的同时，使得所述整形镜(8)距离所述工件(10)为350mm-450mm。

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