CN114850888A - 轴类回转体零件电弧增材修复及变形强化装置 - Google Patents

Abstract

轴类回转体零件电弧增材修复及变形强化装置，包括工作台、运动组件、升降平台组件、装夹扫描组件、电弧增材组件、旋压变形组件、铣削组件和局部热处理组件，运动组件、旋压变形组件、铣削组件和局部热处理组件均设于工作台上，升降平台组件设于运动组件上，装夹扫描组件设于升降平台组件上，电弧增材组件设于装夹扫描组件上方，待修复轴零件装夹于装夹扫描组件上。本发明集增材修复、塑性变形强化、铣削加工及局部热处理于一体，修复的零件组织及性能与原构件母材差距小，结构设计合理，自动化程度高，工作效率高。

Description

轴类回转体零件电弧增材修复及变形强化装置

技术领域

本发明涉及增材修复技术领域，具体是涉及一种轴类回转体零件电弧增材修复及变形强化装置。

背景技术

轴类零件是机器中经常遇到的典型零件之一。它主要用来支承传动零部件，传递扭矩和承受载荷。被广泛的应用于航空航天，高端制造等领域。在轴类零件被应用的设备中，轴类零件所处的工况往往比较恶劣，复杂。为了使轴类零件在这些工况下也能有足够的寿命，这些轴类零件在制造成型后，通常会再进一步进行热处理，锻造等工艺，使得零件的机械性能得到强化，更适应工况。而相应的，制造成本也随之提高。轴类零件的失效形式包括变形，磨损，点蚀等，常见的失效为表面小范围磨损或开裂。这些轴类零件的主体部分往往还还具有足够的强度和寿命，但因为局部小范围内的失效，不能再进行服役。

电弧增材材制造技术是一种以电弧为热源，采用逐层熔覆原理，将熔化的丝材逐层沉积，根据三维数字模型由线–面–体逐渐成形出金属零件的先进增材制造技术。电弧增材制造技术以丝材为成形材料，材料利用率和沉积效率高；电弧增材无需密闭真空腔，设备制造成本低，在大规格结构件制造中具有广阔的应用前景。

采用电弧增材技术在受损轴类零件受损部位上进行增材制造，对受损零件进行修复，能使得破损零件在修复后形状与破损前一致。但由于增材制造中所产生的气孔，以及生成的金属组织颗粒粗大等问题，即便采用与原零件材料相匹配的材料进行增材制造，修复的部位力学性能往往远低于原零件，大大限制了修复后的零件再服役。现有技术如：CN113245551 A的发明专利公开了一种300M钢飞机起落架激光增材修复方法，该方法对破损构件采用激光增材的方式进行修复，由于缺少塑性变形强化，通过激光增材所修复的零件局部金属组织均为颗粒较粗大的铸造态组织，力学性能仍与原构件母材存在较大差距。CN102127762 A的发明专利公开了煤气透平膨胀机叶片损伤后的激光修复方法，叶片增材修复完成后通过整体放入加热炉进行热处理，由于叶片母材区经历了多次热处理工艺，其余修复区存在组织及性能差异。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，克服上述背景技术的不足，提供一种集增材修复、塑性变形强化、铣削加工及局部热处理于一体的轴类回转体零件电弧增材修复及变形强化装置，修复的零件组织及性能与原构件母材差距小。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是，一种轴类回转体零件电弧增材修复及变形强化装置，包括工作台、运动组件、升降平台组件、装夹扫描组件、电弧增材组件、旋压变形组件、铣削组件和局部热处理组件，所述运动组件、旋压变形组件、铣削组件和局部热处理组件均设于工作台上，所述升降平台组件设于运动组件上，所述装夹扫描组件设于升降平台组件上，所述电弧增材组件设于装夹扫描组件上方，待修复轴零件装夹于装夹扫描组件上。

进一步，所述运动组件包括轴向运动组件和径向运动组件，所述径向运动组件设于轴向运动组件上，所述轴向运动组件实现升降平台组件的轴向运动，所述径向运动组件实现升降平台组件的径向运动。

进一步，所述轴向运动组件包括轴向运动电机、轴向平台和轴向运动导轨，所述轴向平台设于轴向运动导轨上，所述轴向运动电机与轴向平台相连，通过轴向运动电机驱动轴向平台在轴向运动导轨上轴向运动，所述轴向运动导轨安装于工作台的上表面。

进一步，所述径向运动组件包括径向运动电机、径向平台和径向运动导轨，所述径向平台设于径向运动导轨上，所述径向运动电机与径向平台相连，通过径向运动电机驱动径向平台在径向运动导轨上径向运动，所述径向运动导轨安装于轴向平台的上表面。

进一步，所述升降平台组件包括升降平台、叉形杆和气动缸，所述升降平台通过叉形杆安装于径向运动组件上表面，所述气动缸安装于升降平台与径向运动组件之间，通过气动缸的伸缩实现叉形杆的折叠打开，从而实现升降平台的升降。

进一步，所述装夹扫描组件包括第一旋转电机、三爪卡盘和扫描仪，所述第一旋转电机安装于升降平台组件上，第一旋转电机与三爪卡盘连接，驱动三爪卡盘转动，所述三爪卡盘用于装夹待修复轴零件，所述扫描仪安装于升降平台组件上表面，所述扫描仪位于待修复轴零件正下方。

进一步，所述电弧增材组件包括温度传感器、运动机构、焊枪、送丝机构和氩气罐，所述温度传感器、焊枪和送丝机构位于待修复轴零件上方，所述运动机构均与温度传感器、焊枪和送丝机构连接，控制温度传感器、焊枪和送丝机构的运动，所述焊枪与氩气罐连接。

进一步，所述旋压变形组件包括旋压底座、旋转平台、第二旋转电机、凸旋轮臂、凸旋轮、平旋轮臂、平旋轮、粗车刀和精车刀，所述旋压底座设于工作台的上表面，所述旋转平台设于旋压底座上表面，所述第二旋转电机与旋转平台连接，驱动旋转平台旋转，所述凸旋轮臂、平旋轮臂、粗车刀和精车刀安装于旋转平台上表面，所述凸旋轮安装于凸旋轮臂末端，所述平旋轮安装于平旋轮臂末端。

进一步，所述铣削组件包括铣刀、铣刀夹具和铣削电机，所述铣削电机安装于工作台上，铣削电机与铣刀夹具连接，所述铣刀安装于铣刀夹具上，通过铣削电机驱动铣刀转动。

进一步，所述局部热处理组件包括感应线圈、水泵、水管和储水箱，所述感应线圈为空心线圈，所述水管设于空心线圈内，所述水管、水泵与储水箱连接，通过水泵驱动储水箱中的水在水管内循环流动，从而防止感应线圈温度过高。

与现有技术相比，本发明的优点如下：

本发明装置将电弧增材组件、旋压变形组件、铣削组件和局部热处理组件集成到一个工作台上，通过轴向运动组件、径向运动组件和升降平台组件实现待修复零件各向运动，在一个工序内实时在线完成电弧增材修复、旋压变形强化、局部热处理和铣削加工等工艺过程，修复的零件组织及性能与原构件母材差距小，结构设计合理，自动化程度高，工作效率高，对于轴类等回转体零件修复适用性强。可通过旋压变形和局部热处理工艺将增材态铸造组织转变为变形态锻造组织，提升修复零件力学性能。

附图说明

图1是本发明实施例的结构示意图。

图2是图1所示实施例的旋压变形组件的结构示意图。

图3是图1所示实施例的凸旋轮的截面形状示意图。

图4是图1所示实施例的平旋轮的截面形状示意图。

1—工作台，2-1—轴向运动电机，2-2—轴向平台，2-3—轴向运动导轨，3-1—径向运动电机，3-2—径向平台，3-3—径向运动导轨，4-1—升降平台，4-2—叉形杆，4-3—气动缸，5-1—第一旋转电机，5-2—三爪卡盘，5-3—扫描仪，6-1—温度传感器，6-2—运动机构，6-3—焊枪，6-4—送丝机构，6-5—氩气罐，7-1—旋压底座，7-2—旋转平台，7-3—第二旋转电机，7-4—装夹盖板，7-5—螺栓，7-6—凸旋轮臂，7-7—凸旋轮，7-8—平旋轮臂，7-9—平旋轮，7-10—粗车刀，7-11—精车刀，8-1—铣刀，8-2—铣刀夹具，8-3—铣削电机，9-1—感应线圈，9-2—水泵，9-3—水管，9-4—储水箱，10—待修复轴零件。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细描述。

参照图1，本实施例包括工作台1、运动组件、升降平台组件、装夹扫描组件、电弧增材组件、旋压变形组件、铣削组件和局部热处理组件，运动组件、旋压变形组件、铣削组件和局部热处理组件均设于工作台1上，升降平台组件设于运动组件上，装夹扫描组件设于升降平台组件上，电弧增材组件设于装夹扫描组件上方，待修复轴零件10装夹于装夹扫描组件上。

运动组件包括轴向运动组件和径向运动组件，径向运动组件设于轴向运动组件上，轴向运动组件实现升降平台组件的轴向运动，径向运动组件实现升降平台组件的径向运动。

轴向运动组件包括轴向运动电机2-1、轴向平台2-2和轴向运动导轨2-3，轴向平台2-2设于轴向运动导轨2-3上，轴向运动电机2-1与轴向平台2-2相连，通过轴向运动电机2-1驱动轴向平台2-2在轴向运动导轨2-3上轴向运动，轴向运动导轨2-3安装于工作台1的上表面。

径向运动组件包括径向运动电机3-1、径向平台3-2和径向运动导轨3-3，径向平台3-2设于径向运动导轨3-3上，径向运动电机3-1与径向平台3-2相连，通过径向运动电机3-1驱动径向平台3-2在径向运动导轨3-3上径向运动，径向运动导轨3-3安装于轴向平台2-2的上表面。

升降平台组件包括升降平台4-1、叉形杆4-2和气动缸4-3，升降平台4-1通过叉形杆4-2安装于径向平台3-2上表面，气动缸4-3安装于升降平台4-1与径向平台3-2之间，通过气动缸4-3的伸缩实现叉形杆4-2的折叠打开，从而实现升降平台4-1的升降。

装夹扫描组件包括第一旋转电机5-1、三爪卡盘5-2和扫描仪5-3，第一旋转电机5-1安装于升降平台4-1上，第一旋转电机5-1与三爪卡盘5-2连接，驱动三爪卡盘5-2转动，三爪卡盘5-2用于装夹待修复轴零件10，

扫描仪5-3安装于升降平台4-1上表面，扫描仪5-3位于待修复轴零件10正下方。

电弧增材组件包括温度传感器6-1、运动机构6-2、焊枪6-3、送丝机构6-4和氩气罐6-5，温度传感器6-1、焊枪6-3和送丝机构6-4位于待修复轴零件10上方，运动机构6-2均与温度传感器6-1、焊枪6-3和送丝机构6-4连接，控制温度传感器6-1、焊枪6-3和送丝机构6-4的运动，焊枪6-3与氩气罐6-5连接。

参照图2、图3、图4，旋压变形组件包括旋压底座7-1、旋转平台7-2、第二旋转电机7-3、装夹盖板7-4、螺栓7-5、凸旋轮臂7-6、凸旋轮7-7、平旋轮臂7-8、平旋轮7-9、粗车刀7-10和精车刀7-11，旋压底座7-1设于工作台1的上表面，旋转平台7-2设于旋压底座7-1上表面，第二旋转电机7-3与旋转平台7-2连接，驱动旋转平台7-2旋转，凸旋轮臂7-6、平旋轮臂7-8、粗车刀7-10和精车刀7-11安装于旋转平台7-2上表面，凸旋轮臂7-6、平旋轮臂7-8、粗车刀7-10和精车刀7-11各朝前后左右中的一个方位安装，凸旋轮7-7安装于凸旋轮臂7-6末端，平旋轮7-9安装于平旋轮臂7-8末端，装夹盖板7-4位于凸旋轮臂7-6、平旋轮臂7-8、粗车刀7-10和精车刀7-11上方，通过螺栓7-5将凸旋轮臂7-6、平旋轮臂7-8、粗车刀7-10和精车刀7-11固定于旋转平台7-2上。

铣削组件包括铣刀8-1、铣刀夹具8-2和铣削电机8-3，铣削电机8-3安装于工作台1上，铣削电机8-3与铣刀夹具8-2连接，铣刀8-1安装于铣刀夹具8-2上，通过铣削电机8-3驱动铣刀8-1转动。

局部热处理组件包括感应线圈9-1、水泵9-2、水管9-3和储水箱9-4，感应线圈9-1为空心铜线圈，水管9-3设于空心铜线圈内，水管9-3、水泵9-2与储水箱9-4连接，通过水泵9-2驱动储水箱9-4中的水在水管9-3内循环流动，从而防止感应线圈9-1温度过高。

本实施例中，待修复轴零件10为形状尺寸Φ150mm*400mm的铝合金轴零件。

本发明工作原理如下：

运动组件用于调节待修复零件10的水平位置，升降平台组件用于调节待修复零件10的上下位置，可将待修复零件10运动至装夹扫描组件、电弧增材组件、旋压变形组件、铣削组件、局部热处理组件的工作区域。装夹扫描组件用于装夹待修复零件10并对待修复轴零件10几何形状进行扫描。电弧增材组件用于在待修复轴零件10上形成电弧沉积层，修复损伤区域。旋压变形组件用于对待修复轴零件10进行旋压变形强化和车削。铣削组件用于去除待修复轴零件10上的含缺陷区域。局部热处理组件用于待修复轴零件10在电弧增材修复前的预热及修复后的局部热处理。

装置使用时，将待修复轴零件10装夹在装夹扫描组件的三爪卡盘5-2上，第一旋转电机5-1驱动三爪卡盘5-2带动待修复轴零件10进行低速旋转。扫描仪5-3对待修复轴零件10进行扫描，并在计算机中生成待修复轴零件10的三维模型。在计算机中将所得到的三维模型与原完整轴零件三维模型进行对比，计算出待修复轴零件10的破损区域(包括受损部位形状、尺寸大小)。

由计算机根据待修复轴零件10的破损区域确定铣削加工部分的面积和深度，规划出铣削路径，并生成相应的铣削路径代码。通过轴向运动组件、径向运动组件、升降平台组件将待修复轴零件10移动到铣削组件工作区域，启动铣削电机8-3驱动铣刀8-1高速旋转。所生成的铣削路径代码驱动轴向运动组件2，径向运动组件3，升降平台组件4完成铣削路径，高速旋转的铣刀8-1铣削掉待修复轴零件10受损部分，在待修复轴零件10表面破损区域铣削出平面。

由轴向运动组件，径向运动组件，升降平台组件将待修复轴零件10移至装夹扫描组件工作区域，由第一旋转电机5-1驱动三爪卡盘5-2带动待修复轴零件10进行低速旋转。启动扫描仪5-3对待修复轴零件10进行扫描，并在计算机中生成铣削后待修复轴零件10的三维模型；在计算机中将所得到的三维模型与原完整轴零件三维模型进行对比，计算出待修复轴零件10的增材区域三维模型，确定待增材区域的形状和几何尺寸。

计算机通过增材分层切片及路径规划软件(选用IungoPNT软件)对增材区域三维模型进行分层切片，生成用于增材制造的增材路径代码。

使用砂纸对待修复轴零件10的待增材区域表面进行打磨。使用丙酮试剂对待修复轴零件10的待增材区域表面进行清洗。通过轴向运动组件，径向运动组件，升降平台组件将待修复轴零件10移动至局部热处理组件工作区域，启动感应线圈9-1对待修复轴零件10的待增材区域表面进行预热。

温度传感器6-1对加热温度进行监测，温度传感器6-1检测到待增材区域表面温度到达设定温度时，通过轴向运动组件，径向运动组件，升降平台组件将待修复轴零件10移动至电弧增材组件工作区域。送丝机构6-4输送焊丝，经过焊枪6-3加热熔敷到待增材区域表面。所生成的增材路径代码驱动轴向运动组件，径向运动组件，升降平台组件完成增材路径，在待修复轴零件10的待增材区域按分层切片的增材区域三维模型进行增材修复，堆积出修复沉积层。

清除沉积层表面焊渣，通过轴向运动组件，径向运动组件，升降平台组件将待修复轴零件10移动至旋压变形组件工作区域，第二旋转电机7-3驱动旋转平台7-2进行旋转，将凸旋轮7-7调整至工作区域。由第一旋转电机5-1驱动三爪卡盘5-2带动待修复轴零件10进行高速旋转，通过凸旋轮7-7挤压待修复轴零件10的修复沉积层，进行塑性变形强化；第二旋转电机7-3驱动旋转平台7-2进行旋转，将平旋轮7-9调整至工作区域，平旋轮7-9对待修复轴零件10的修复沉积层进行平整修复，通过温度传感器6-1监测塑性变形温度和平整修复温度。

通过轴向运动组件，径向运动组件，升降平台组件将待修复轴零件10移动至局部热处理组件工作区域，由感应线圈9-1对待修复轴零件10的修复区域进行局部加热，进行局部固溶和时效热处理；由焊枪6-3喷出氩气对待修复轴零件10进行气冷处理，实现固溶后的淬火。

通过轴向运动组件，径向运动组件，升降平台组件将待修复轴零件10移动至装夹扫描组件工作区域，由第一旋转电机5-1驱动三爪卡盘5-2带动待修复轴零件10进行低速旋转，启动扫描仪5-3对待修复轴零件10进行扫描，并在计算机中生成局部固溶和时效热处理后待修复轴零件10的三维模型，在计算机中将所得到的三维模型与原完整轴零件三维模型进行对比，获得局部固溶和时效热处理后待修复轴零件10较原完整轴零件多余部分，计算出需要去除的多余修复层形状和几何尺寸，并据此生成出车削路径代码。

通过轴向运动组件，径向运动组件，升降平台组件将待修复轴零件10移动至旋压变形组件工作区域，第二旋转电机7-3驱动旋转平台7-2进行旋转，将粗车刀7-10调整至工作区域，由第一旋转电机5-1驱动三爪卡盘5-2带动待修复轴零件10进行高速旋转，由电机5-1驱动三爪卡盘5-2带动待修复轴零件10进行高速旋转，由轴向运动组件，径向运动组件移动待修复轴零件10完成粗车指令，粗车刀7-10对待修复轴零件10进行粗车削；第二旋转电机7-3驱动旋转平台7-2进行旋转，将精车刀7-11调整至工作区域，由轴向运动组件，径向运动组件移动待修复轴零件10完成精车指令，精车刀7-11对待修复轴零件10进行精车削，使待修复轴零件10形状与原完整轴零件一致以完成修复过程。

本发明装置将电弧增材组件、旋压变形组件、铣削组件和局部热处理组件集成到一个工作台上，通过轴向运动组件和径向运动组件实现待修复零件各向运动，在一个工序内实时在线完成电弧增材修复、旋压变形强化、局部热处理和铣削加工等工艺过程，修复的零件组织及性能与原构件母材差距小，结构设计合理，自动化程度高，工作效率高，对于轴类等回转体零件修复适用性强。可通过旋压变形和局部热处理工艺将增材态铸造组织转变为变形态锻造组织，提升修复零件力学性能。

本领域的技术人员可以对本发明进行各种修改和变型，倘若这些修改和变型在本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则这些修改和变型也在本发明的保护范围之内。

说明书中未详细描述的内容为本领域技术人员公知的现有技术。

Claims (10)

1.一种轴类回转体零件电弧增材修复及变形强化装置，其特征在于：包括工作台、运动组件、升降平台组件、装夹扫描组件、电弧增材组件、旋压变形组件、铣削组件和局部热处理组件，所述运动组件、旋压变形组件、铣削组件和局部热处理组件均设于工作台上，所述升降平台组件设于运动组件上，所述装夹扫描组件设于升降平台组件上，所述电弧增材组件设于装夹扫描组件上方，待修复轴零件装夹于装夹扫描组件上。

2.如权利要求1所述的轴类回转体零件电弧增材修复及变形强化装置，其特征在于：所述运动组件包括轴向运动组件和径向运动组件，所述径向运动组件设于轴向运动组件上，所述轴向运动组件实现升降平台组件的轴向运动，所述径向运动组件实现升降平台组件的径向运动。

3.如权利要求2所述的轴类回转体零件电弧增材修复及变形强化装置，其特征在于：所述轴向运动组件包括轴向运动电机、轴向平台和轴向运动导轨，所述轴向平台设于轴向运动导轨上，所述轴向运动电机与轴向平台相连，通过轴向运动电机驱动轴向平台在轴向运动导轨上轴向运动，所述轴向运动导轨安装于工作台的上表面。

4.如权利要求3所述的轴类回转体零件电弧增材修复及变形强化装置，其特征在于：所述径向运动组件包括径向运动电机、径向平台和径向运动导轨，所述径向平台设于径向运动导轨上，所述径向运动电机与径向平台相连，通过径向运动电机驱动径向平台在径向运动导轨上径向运动，所述径向运动导轨安装于轴向平台的上表面。

5.如权利要求2所述的轴类回转体零件电弧增材修复及变形强化装置，其特征在于：所述升降平台组件包括升降平台、叉形杆和气动缸，所述升降平台通过叉形杆安装于径向运动组件上表面，所述气动缸安装于升降平台与径向运动组件之间，通过气动缸的伸缩实现叉形杆的折叠打开，从而实现升降平台的升降。

6.如权利要求1或2所述的轴类回转体零件电弧增材修复及变形强化装置，其特征在于：所述装夹扫描组件包括第一旋转电机、三爪卡盘和扫描仪，所述第一旋转电机安装于升降平台组件上，第一旋转电机与三爪卡盘连接，驱动三爪卡盘转动，所述三爪卡盘用于装夹待修复轴零件，所述扫描仪安装于升降平台组件上表面，所述扫描仪位于待修复轴零件正下方。

7.如权利要求1或2所述的轴类回转体零件电弧增材修复及变形强化装置，其特征在于：所述电弧增材组件包括温度传感器、运动机构、焊枪、送丝机构和氩气罐，所述温度传感器、焊枪和送丝机构位于待修复轴零件上方，所述运动机构均与温度传感器、焊枪和送丝机构连接，控制温度传感器、焊枪和送丝机构的运动，所述焊枪与氩气罐连接。

8.如权利要求1或2所述的轴类回转体零件电弧增材修复及变形强化装置，其特征在于：所述旋压变形组件包括旋压底座、旋转平台、第二旋转电机、凸旋轮臂、凸旋轮、平旋轮臂、平旋轮、粗车刀和精车刀，所述旋压底座设于工作台的上表面，所述旋转平台设于旋压底座上表面，所述第二旋转电机与旋转平台连接，驱动旋转平台旋转，所述凸旋轮臂、平旋轮臂、粗车刀和精车刀安装于旋转平台上表面，所述凸旋轮安装于凸旋轮臂末端，所述平旋轮安装于平旋轮臂末端。

9.如权利要求1或2所述的轴类回转体零件电弧增材修复及变形强化装置，其特征在于：所述铣削组件包括铣刀、铣刀夹具和铣削电机，所述铣削电机安装于工作台上，铣削电机与铣刀夹具连接，所述铣刀安装于铣刀夹具上，通过铣削电机驱动铣刀转动。

10.如权利要求1或2所述的轴类回转体零件电弧增材修复及变形强化装置，其特征在于：所述局部热处理组件包括感应线圈、水泵、水管和储水箱，所述感应线圈为空心线圈，所述水管设于空心线圈内，所述水管、水泵与储水箱连接，通过水泵驱动储水箱中的水在水管内循环流动，从而防止感应线圈温度过高。

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