CN114561639B - 一种工件表面修复装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种工件表面修复装置，涉及工件表面改性修复技术领域，可同时对工件进行机加工处理及激光熔覆，不仅缩短了机加工处理和激光熔覆两道工序的时间，提高工件表面改性修复整体的效率，而且有效防止机加工后的工件表面在熔覆前被氧化，提升激光熔覆的效果。工件表面修复装置，包括机架单元、机加工单元和熔覆单元。机加工单元随动地设置于机架单元，用于对工件表面进行机加工。熔覆单元随动地设置于机架单元，用于对经机加工单元加工后的工件的表面进行熔覆。

Description

一种工件表面修复装置

技术领域

本发明涉及工件表面改性修复技术领域，尤其涉及一种工件表面修复装置。

背景技术

激光熔覆亦称激光熔敷或激光包覆，是一种新的表面改性修复技术。它通过在工件表面添加熔覆材料，并利用高能密度的激光束使之与工件表面薄层一起熔凝的方法，在工件表面形成冶金结合的添料熔覆层。激光熔覆的熔覆层结合力强，粉末与工件呈冶金结合，可显著改善工件的耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化或电气特性，从而达到工件表面改性或修复的目的，满足工件表面特定性能要求的同时，可节约大量的材料成本。

激光熔覆作为一种相对精密的表面改性修复技术，对工件或基材的表面状态具有一定的要求，如表面相对平整、无杂质、无锈蚀等，如此，方能获得更好的熔覆效果。通常，在激光熔覆前，需要对工件或基材的表面进行机加工处理，如车、铣、刨、磨等。

目前，工件的表面机加工处理和激光熔覆两道工序往往使用独立的两套设备分开进行。部分活性金属，由于暴露在空气中，在对其表面进行机加工处理后，易发生氧化，影响激光熔覆的效果。另外，机加工处理和激光熔覆两道工序的分离，也造成了工作时间的延长，制约了工作效率的提升。

发明内容

本发明的目的在于提供一种工件表面修复装置，可同时对工件进行机加工处理及激光熔覆，不仅缩短了机加工处理和激光熔覆两道工序的时间，提高工件表面改性修复的工作效率，而且有效防止机加工后的工件表面在熔覆前被氧化，提升激光熔覆的效果。

为了实现上述目的，本发明提供一种工件表面修复装置，包括机架单元、机加工单元和熔覆单元。机加工单元随动地设置于机架单元，用于对工件表面进行机加工。熔覆单元随动地设置于机架单元，用于对经机加工单元加工后的工件的表面进行熔覆。

采用上述技术方案时，本发明提供的工件表面修复装置包括用于对工件表面进行机加工的机加工单元和用于对经机加工单元加工后的工件表面进行熔覆的熔覆单元，具有对于工件表面的机加工功能和熔覆功能，实现了本发明提供的工件表面修复装置的功能多样性，扩大了装置的适用范围。不仅如此，将对于工件表面的机加工功能和熔覆功能集成为一体，可以在机加工后随即进行熔覆作业，不仅缩短了工件表面改性修复的工期，而且有效避免机加工后的工件表面在熔覆前氧化，提升激光熔覆的效果。

另外，机加工单元以及熔覆单元均随动地设置于机架单元，换句话说，机加工单元以及熔覆单元均能够随着机架单元的移动而移动，如此，扩大了修复工作的作业面，进一步提升了装置的适用范围。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例提供的工件表面修复装置的结构示意图一；

图2为本发明实施例提供的工件表面修复装置的结构示意图二；

图3为本发明实施例提供的第一驱动机构、第三驱动机构、第二机架和转台的位置关系示意图；

图4为本发明实施例提供的第一机架、第一驱动机构、第三驱动机构、第二机架和转台的位置关系示意图；

图5为本发明实施例提供的机加工单元的结构示意图；

图6为本发明实施例提供的熔覆单元的结构示意图。

附图标记：

1—机架单元，11—第一机架，12—第二机架，2—机加工单元，

21—连接座，22—第二驱动机构，23—刀具，24—夹具，3—熔覆单元，

31—光纤连接模块，32—喷嘴，33—准直聚焦光学模块，34—同轴调节模块，

351—冷却水路接头，361—保护气路接头，4—第一驱动机构，51—气嘴，

6—第三驱动机构，61—第一驱动电机，62—传动轴，7—转台，

71—转台上体，72—转台下体。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。

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。“若干”的含义是一个或一个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”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。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”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或两个元件的相互作用关系。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。

激光熔覆(Laser Cladding)亦称激光熔敷或激光包覆，是一种新的表面改性技术。它通过在工件表面添加熔覆材料，并利用高能密度的激光束使熔覆材料与工件表面薄层一起熔凝的方法，在工件表面形成冶金结合的添料熔覆层。激光熔覆的熔覆层稀释度低，但结合力强，与工件呈冶金结合，可显著改善工件的耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化或电气特性，从而达到表面改性或修复的目的，满足材料表面特定性能要求的同时，可节约大量的材料成本。与堆焊、喷涂、电镀和气相沉积相比，激光熔覆具有稀释度小、组织致密、涂层与基体结合好、适合熔覆材料多、粒度及含量变化大等特点，已成为国内外激光表面改性研究的热点。

激光熔敷技术具有很大的技术经济效益，世界上各工业先进国家对激光熔覆技术的研究及应用都非常重视，被广泛应用于机械制造与维修、汽车制造、纺织机械、航海与航天和石油化工等领域。

激光熔覆作为一种相对精密的表面改性修复技术，对工件或基材的表面状态具有一定的要求，如表面相对平整、无杂质、无锈蚀等，如此方能获得更好的熔覆效果。通常，在激光熔覆前，需要对工件或基材的表面进行加工处理，如车、铣、刨、磨等。但是目前，工件的表面加工处理和激光熔覆两道工序都是分开单独进行。部分活性金属(如铝箔合金)，表面加工后暴露在空气中，一段时间会发生氧化，影响激光熔覆的效果。另外，加工和熔覆两道工序的分离，也造成了工件修复工作时间的延长，制约了工作效率的提升。

因此，需要一种能够将表面机加工和激光熔覆两道工序紧密结合在一起的装置，防止机加工后的工件表面在熔覆前被氧化，以提高激光熔覆的效果，并提升表面改性修复的效率。

为了实现上述目的，如图1和图2所示，本发明提供一种工件表面修复装置，包括机架单元1、机加工单元2和熔覆单元3。机加工单元2随动地设置于机架单元1，用于对工件表面进行机加工。熔覆单元3随动地设置于机架单元1，用于对经机加工单元2加工后的工件的表面进行熔覆。

如此，本发明实施例提供的工件表面修复装置包括用于对工件表面进行机加工的机加工单元2和用于对经机加工单元2加工后的工件表面进行熔覆的熔覆单元3，具有对于工件表面的机加工功能和熔覆功能，实现了本发明提供的工件表面修复装置的功能多样性，扩大了装置的适用范围。不仅如此，将对于工件表面的机加工功能和熔覆功能集成为一体，可以在机加工后随即进行熔覆作业，不仅缩短了工件表面改性修复的工期，而且有效避免机加工后的工件表面在熔覆前氧化，提升激光熔覆的效果。

另外，机加工单元2以及熔覆单元3均随动地设置于机架单元1，换句话说，机加工单元2以及熔覆单元3均能够随着机架单元1的移动而移动，这种情况下，扩大了修复工作的作业面，进一步提升了本发明实施例提供的工件表面修复装置的适用范围。

具体实施时，机架单元1可以设置在能够带动机架单元1实现往复移动的设备上，例如可以为机械臂、桁架等，当然此处只是举例说明，不作具体限定。机架单元1往复移动时，同步带动机加工单元2和熔覆单元3往复移动。机加工单元2可以紧固设置在机架单元1上，随着机架单元1同步移动。当然，为了提高装置的灵活性，便于操作，优选地，机加工单元2可升降的设置在机架单元1上。

作为一种可能的实现方式，参见图1至图4，本发明实施例提供的工件表面修复装置还包括紧固设置于机架单元1的第一驱动机构4，机加工单元2通过第一驱动机构4可升降地设置于机架单元1。第一驱动机构4用于驱动机加工单元2向靠近或远离工件的方向移动。

采用上述技术方案的情况下，机加工单元2在第一驱动机构4的驱动下，向靠近或远离工件的方向移动。当需要对工件表面进行机加工时，第一驱动机构4驱动机加工单元2向工件靠近，以便于机加工单元2对工件表面进行机加工。当不需对工件进行机加工时，第一驱动机构4驱动机加工单元2向远离工件的方向移动，不仅避免机加工单元2影响后续熔覆单元3的熔覆操作，而且提高了装置的灵活性。

在一种示例中，第一驱动机构4为直线模组，直线模组所具有的导轨紧固设置于机架单元1，直线模组所具有的滑块与机加工单元2紧固连接。如此，直线模组所具有的电机驱动滑块沿着导轨滑动时，同步带动机加工单元2运动。直线模组传动精度较高，能够较为精确的控制机加工单元2的升降，从而较为精准的控制机加工单元2对于工件的加工精度。

在另一种示例中，第一驱动机构4为动力缸，动力缸的缸体紧固设置于机架单元1，动力缸的动力端与机加工单元2连接，用于驱动机加工单元2往复移动。

具体实施时，动力缸可以为液压缸或气压缸，液压缸和气压缸结构简单、工作可靠，均能够带动机加工单元2作往复直线运动，且液压缸和气压缸往复运动时，可免去减速装置，并且没有传动间隙，使得机加工单元2的运动较为平稳。

作为一种可能的实现方式，如图1、图2和图5所示，机加工单元2包括连接座21、第二驱动机构22和刀具23。连接座21设置于机架单元1，连接座21通过第一驱动机构4设置于机架单元1，当第一驱动机构4为直线模组时，连接座21紧固设置在直线模组所具有的滑块上，滑块运动时，同步带动连接座21运动。当第一驱动机构4为动力缸时，连接座21与动力缸的驱动端连接，动力缸的驱动端带动连接座21升降。第二驱动机构22紧固设置于连接座21，且第二驱动机构22可以设置于连接座21远离工件的一侧面上。刀具23通过夹具24设置于第二驱动机构22的驱动端，第二驱动机构22用于驱动夹具24转动，夹具24同步带动刀具23转动，刀具23用于对工件的表面进行机加工。实际情况下，第二驱动机构22可以为电机，电机的输出轴转动时，同步带动刀具23旋转。刀具23可以为车刀、铣刀、刨刀、磨砂轮等能够对工件进行加工的工具。

在一种可选方式中，如图1、图2和图5所示，本发明实施例提供的工件表面修复装置还包括吹气单元，用于清理机加工单元2机加工工件后产生的碎屑，且吹气单元产生的气流的方向为远离熔覆单元3的方向。应理解，刀具23在机加工工件时，必然会产生碎屑，而吹气单元用于清理机加工单元2机加工工件后产生的碎屑，且吹气单元产生的气流的方向为远离熔覆单元3的方向，以免碎屑的存在影响工件表面激光熔覆的效果。吹气单元包括气嘴51，气流从气嘴51内吹出，用于吹走碎屑。气嘴51上端留有接头，可通过气管与外部压力气源连接，实现吹气清理碎屑的功能。

参见图2和图4，机架单元1包括第一机架11和第二机架12，其中，机加工单元2设置于第一机架11，第一机架11设置在能够带动机架单元1实现往复移动的设备上。第二机架12转动连接于第一机架11，熔覆单元3转动连接于第二机架12。在本发明提供的实施例中，第一机架11和第二机架12均为板状结构。

第一驱动机构4用于驱动机加工单元2相对于第一机架11上下往复运动，第二机架12转动连接于第一机架11，熔覆单元3转动连接于第二机架12。如此，具体操作时，当熔覆加工的路线为非直线时，可以实时调整熔覆单元3和机加工单元2的相对位置、角度等，以适用于实际情况下需同时进行机加工和熔覆操作时的熔覆加工路线，增大了本发明实施例提供的工件表面修复装置的适用范围。

作为一种可能的实现方式，如图2、图3和图4所示，工件表面修复装置还包括第三驱动机构6，设置于第一机架11，用于驱动第二机架12相对第一机架11转动。第三驱动机构6根据实际情况下的熔覆加工路线，驱动第二机架12相对第一机架11转动，提高了装置的自动化水平，节约人力的同时，提高了工件表面修复的工作效率。

在一种可选方式中，第三驱动机构6包括第一驱动电机61和传动轴62，第一驱动电机61紧固设置于第一机架11。传动轴62紧固设置于第二机架12，第一驱动电机61的输出轴与传动轴62驱动连接，用于驱动传动轴62转动。

具体实施时，第一机架11和第二机架12可以为板状结构，传动轴62的轴线与第一机架11和第二机架12平行设置，传动轴62位于第一机架11与第二机架12相邻的侧面之间。传动轴62的一端与第一驱动电机61的输出轴传动连接，传动轴62的下部与第二机架12固定连接，且传动轴62通过轴承座与第一机架11转动连接。传动轴62可以采用焊接的方式与第二机架12固定连接。在本发明提供的实施例中，第一机架11和第二机架12上均紧固设置有连接耳孔，且第一机架11的连接耳孔的轴线和第二机架12的连接耳孔的轴线重合，传动轴62插入连接耳孔内，连接耳孔与传动轴62组合类似于折页的功能。传动轴62与第一机架11的连接耳孔转动连接，传动轴62与第二机架12的连接耳孔固定连接。传动轴62与第二机架12的连接耳孔固定连接的方式可以采用焊接或过盈配合的方式，当然此处只是举例说明，不作具体限定。在本发明提供的实施例中，传动轴62与第二机架12的连接耳孔通过键来实现固定连接。

在一种示例中，如图1至图4所示，工件表面修复装置还包括转台7，转台7包括相对转动的转台上体71和转台下体72，转台下体72紧固设置于第二机架12，熔覆单元3紧固设置于转台上体71。转台上体71和转台下体72之间可手动旋转以调节熔覆单元3与工件表面之间的角度，从而达到调整熔覆区域与机加工区域之间的间距的效果。

作为一种可能的实现方式，熔覆单元3包括光纤连接模块31、进粉管和喷嘴32。光纤连接模块31用于接收并传输激光，进粉管用于传输粉末，喷嘴32与光纤连接模块31和进粉管均连通，在工件表面集聚粉末，以在工件表面进行激光熔覆。光纤连接模块31可通过光纤连接外部激光器，将激光导入熔覆单元3，并从喷嘴32处输出至工件表面，进行熔覆作业。喷嘴32通过进粉管与外部送粉器连接，在熔覆时将熔覆材料送入熔池中。

熔覆单元3还包括冷却水路、准直聚焦光学模块33、同轴调节模块34和保护气路，其中，冷却水路可通过冷却水路接头351和水管连接外部水冷机，利用循环水路实现对熔覆单元3的降温冷却。准直聚焦光学模块33用于减小激光的发散角，使激光能量更集中，有利于激光的传输。同轴调节模块34用于调节激光和喷嘴32的同轴度，以免喷嘴32温度过高，造成粉末在喷嘴32处聚集，甚至灼伤喷嘴32。保护气路可通过保护气路接头361和气管连接外部保护气源，利用保护气体对激光熔覆区域实现保护效果。

下面以一种可能的实现方式为例，描述工件表面修复装置的工作原理。应理解，以下描述仅用于理解，不用于具体限定。

需要进行机加工和/或熔覆加工时，本发明实施例提供的通过第一机架11与机械臂或工装支架固定连接，在机械臂或工装支架的带动下使机加工单元2和熔覆单元3贴近待加工工件处进行机加工和熔覆加工。通过手动调节第二机架12上的转台，可使熔覆单元3同步转动，达到调整熔覆单元3熔覆区域与机加工单元2机加工区域之间间距的目的。当熔覆加工的线路为直线时，机加工单元2和熔覆单元3的位置、角度相对固定，第一机架11与第二机架12的角度固定，无需第三驱动机构6进行调整。当熔覆加工的路线为非直线时，机加工单元2和熔覆单元3的相对位置、角度需根据熔覆加工路径进行实时调整，第二机架12可通过传动轴62在第一驱动电机61的带动下转动以调整其与第一机架11的角度，使机加工单元2和熔覆单元3可以在水平方向独立沿加工路径进行加工，实现非直线加工路径时机加工和熔覆加工同步进行。在加工路线的开端、结尾，以及转接、过渡等阶段时，机加工和熔覆工作需要错时进行，此时，机加工单元2可通过第一驱动机构4，在第一驱动机构4的驱动下根据需要进行上下往复运动，通过控制机加工单元2和熔覆单元3的相对高度来实现刀具23单独机加工或退出，从而做到机加工和熔覆同步与错时状态的切换。在进行机加工工作时，吹气单元可利用压缩空气将机加工产生的碎屑吹离熔覆路径，避免碎屑被熔覆在工件上，影响熔覆效果。

在上述实施方式的描述中，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。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种工件表面修复装置，其特征在于，包括：

机架单元，

机加工单元，随动地设置于所述机架单元，用于对工件表面进行机加工；

熔覆单元，随动地设置于所述机架单元，用于对经所述机加工单元加工后的所述工件的表面进行熔覆；

所述机架单元包括：

第一机架，所述机加工单元设置于所述第一机架；

第二机架，转动连接于所述第一机架；所述熔覆单元转动连接于所述第二机架；

所述工件表面修复装置还包括第三驱动机构，设置于所述第一机架，用于驱动所述第二机架相对所述第一机架转动；

所述第三驱动机构包括：

第一驱动电机，设置于所述第一机架；

传动轴，紧固设置于所述第二机架，所述第一驱动电机的输出轴与所述传动轴驱动连接，用于驱动所述传动轴转动；

所述第一机架和所述第二机架均为板状结构，所述传动轴的轴线与所述第一机架和所述第二机架平行设置，所述第一机架和所述第二机架上均紧固设置有连接耳孔，所述第一机架上的所述连接耳孔的轴线与所述第二机架上的所述连接耳孔的轴线重合，所述传动轴插入所述连接耳孔内。

2.根据权利要求1所述的工件表面修复装置，其特征在于，还包括紧固设置于所述机架单元的第一驱动机构，所述机加工单元通过所述第一驱动机构可升降地设置于所述机架单元；所述第一驱动机构用于驱动所述机加工单元向靠近或远离所述工件的方向移动。

3.根据权利要求2所述的工件表面修复装置，其特征在于，所述第一驱动机构为直线模组，所述直线模组所具有的导轨紧固设置于所述机架单元，所述直线模组所具有的滑块与所述机加工单元紧固连接；和/或，

所述第一驱动机构为动力缸，所述动力缸的缸体紧固设置于所述机架单元，所述动力缸的动力端与所述机加工单元连接，用于驱动所述机加工单元往复移动。

4.根据权利要求1-3任一项所述的工件表面修复装置，其特征在于，所述机加工单元包括：

连接座，设置于所述机架单元；

第二驱动机构，紧固设置于所述连接座；

刀具，设置于所述第二驱动机构的驱动端，所述第二驱动机构用于驱动所述刀具转动，所述刀具用于对所述工件的表面进行机加工。

5.根据权利要求1所述的工件表面修复装置，其特征在于，还包括吹气单元，用于清理所述机加工单元机加工所述工件后产生的碎屑，且所述吹气单元产生的气流的方向为远离所述熔覆单元的方向。

6.根据权利要求5所述的工件表面修复装置，其特征在于，还包括转台，所述转台包括相对转动的转台上体和转台下体，所述转台下体紧固设置于所述第二机架，所述熔覆单元紧固设置于所述转台上体。

7.根据权利要求1所述的工件表面修复装置，其特征在于，所述熔覆单元包括：

光纤连接模块，用于接收并传输激光；

进粉管，用于传输粉末；

喷嘴，与所述光纤连接模块和所述进粉管均连通，在所述工件表面集聚所述粉末，以在所述工件表面进行激光熔覆。