CN117004810A - 一种轴件冷却结构及轴件激光熔覆装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及激光熔覆技术领域，尤其涉及一种轴件冷却结构及轴件激光熔覆装置。一种轴件激光熔覆装置，包括工作台，工作台上设置变位机、激光熔覆头感应加热装置和冷却装置，冷却装置包括轴件冷却结构以及冷源发生装置，轴件冷却结构包括用于环设在轴件外周面的冷却基体，冷却基体包括冷却块，冷却块内开设有用于冷却液流通的流体通道，冷却块上设置有用于与轴件贴合且随轴件转动随之发生滚动以用来传热的滚动件，工作台上还配置有控制器，在工作台上配置有温度传感器，温度传感器连接于控制器且提供给控制器温度信号以调节感应加热装置和冷却装置。通过滚动件与轴件的接触式冷却对轴件进行降温处理，提高了对轴件的散热效率。
Description
技术领域
本发明涉及激光熔覆技术领域，尤其涉及一种轴件冷却结构及轴件激光熔覆装置。
背景技术
激光熔覆是一种表面改性技术，其通过在基材表面添加熔覆材料，并利用高能密度的激光束使熔覆材料与基材表面薄层一起熔凝，在基材表面上形成与基材成冶金结合的表面熔覆层。
由于激光熔覆加工是一个粉末快速熔化、熔池快速冷却并凝固的过程，其中较大的温度梯度将导致较大的热应力，这也使得材料在增材过程中热裂纹易于萌生与扩展，且在成形完成后的残余应力较大，而较大的残余应力将不利于材料的断裂韧性、疲劳寿命等力学性能，而且在轴类零件上由于热量堆积现象比较严重，会出现熔池增大，熔覆层过度氧化，以及难以熔覆成型的问题，对熔覆层宏观形貌影响较为严重，因此一般通过加热炉或者加热丝对工件进行预热处理后再进行激光熔覆，降低熔覆层温度差从而降低裂纹率，激光熔覆过程中高温环境会对作业旁侧工件热传递导致温度过高，因此需要采用冷却装置对工件进行降温处理，如此保证工件合适的温度范围。
目前，传统的降温方式一般是液冷或风冷，液冷是通过对工件施加冷却液或者对在工件底部放上冷却块进行冷却，但是对于激光熔覆中的轴件，需要保持其轴件上的干燥，如果轴件存在液体则其难以熔覆成型，此外轴件本身在转动且有一定弧度，冷却效率高的液冷方式因为不能直接接触，导致液冷降温难以实现。采用风冷对轴件进行降温是在熔覆过程中对熔覆层吹惰性气体，但这种方式容易影响送粉气流，而且仅采用风冷方式的冷却效率低。
发明内容
本发明的目的在于提供一种轴件冷却结构，用于解决现有的冷却结构对于轴件液冷方式不能直接接触难以实现，而风冷方式影响送分气流且冷却效率低的问题。
本发明的轴件冷却结构采用如下技术方案：一种轴件冷却结构，包括用于环设在轴件外周面的冷却组件，冷却组件包括冷却块，冷却块内开设有用于冷却液流通的流体通道，冷却块上设置有用于与轴件贴合且随轴件转动随之发生滚动以用来传热的滚动件。
本发明的轴件冷却结构为全新设计的一种轴件冷却结构，本发明的轴件冷却结构在具体使用时，将冷却组件环设在轴件的外表面上，冷却块内具有冷却液的流体通道，对冷却块进行降温，冷却块和轴件之间设置滚动件以使冷却块和轴件进行热量交换，对轴件进行冷却降温处理，降低热量堆积对熔覆层造成不良影响，通过滚动件与轴件的接触式冷却对轴件进行降温处理，提高了对轴件的散热效率，且冷却液不会接触轴件对熔覆效果产生影响，还避免了风冷方式影响送粉气流的影响。
进一步地，所述滚动件为冷却滚珠，冷却滚珠转动设置在冷却块上。冷却滚珠可以360度旋转，在与轴件相对转动时不会出现卡死现象，设置在冷却块与轴件之间对轴件的冷却传热效果良好。
进一步地，所述冷却块有多个且用于围绕轴件外周分布，相邻的冷却块之间连接有弹性连接结构。针对不同尺寸轴径的轴件，弹性连接结构可以调节冷却块之间距离，且弹性连接结构可以保证冷却块始终箍紧轴件，使用方便。
进一步地，所述冷却块包括固定冷却块和至少两个活动冷却块，固定冷却块用于与轴件激光熔覆装置工作台上的下方连接结构固定，活动冷却块用于环绕轴件外周。设置固定冷却块方便与下方连接结构固定，保持冷却组件的稳定，活动冷却块用于环绕轴件外周方便调节和与轴件箍紧。
进一步地，所述弹性连接结构为拉簧。拉簧结构简单，弹性效果好，弹性力大，能够适用于一定高温环境，使用寿命高。
进一步地，所述冷却块上设置有风冷通道，风冷通道的风冷出风口位于滚动件在冷却块上的同侧。在冷却块上设置有风冷通道使得冷却方式变为液冷加风冷，风冷在液冷的基础上提高了冷却效果。
进一步地，所述风冷通道的风冷出风口的开口朝向轴件一侧。将风冷通道的风冷出风口的开口朝向轴件一侧这种设置使得风冷出风口只吹向轴件的单侧，在安装时将其风冷出风口方向朝向远离激光熔覆作业方向，避免了对轴件上粉末、气体的扰动，可以使作业正常进行，更加高效的利用了气体冷却。
进一步地，所述流体通道在冷却块内回折延伸。设置回折延伸的流体通道增大流体通道体积，使得冷却块的散热冷却效果更加快速，保证滚动件的热量传递。
本发明的目的在于提供一种轴件激光熔覆装置，用于解决现有的轴件激光熔覆装置的冷却结构用于解决现有的冷却结构对于轴件液冷方式不能直接接触难以实现，而风冷方式影响送分气流且冷却效率低的问题。
本发明的轴件激光熔覆装置采用如下技术方案：包括工作台，工作台上设置有用于固定轴件位置以及驱动轴件旋转的变位机，工作台上设置有激光熔覆头以及用于对轴件预热的感应加热装置和用于对轴件冷却的冷却装置，冷却装置包括轴件冷却结构以及对轴件冷却结构提供冷源的冷源发生装置，轴件冷却结构包括用于环设在轴件外周面的冷却组件，冷却组件包括冷却块，冷却块内开设有用于冷却液流通的流体通道，冷却块上设置有用于与轴件贴合且随轴件转动随之发生滚动以用来传热的滚动件，工作台上还配置有控制器，控制器与感应加热装置和冷却装置控制连接，在工作台上配置有温度传感器用于监测轴件温度，温度传感器连接于控制器且提供给控制器温度信号以控制感应加热装置和冷却装置。
本发明的轴件激光熔覆装置为对现有的轴件激光熔覆装置进行改进，本发明的轴件激光熔覆装置在具体使用时，使用感应加热装置对轴件加热，针对轴件，对于短距离的激光熔覆热积累现象不明显，可以通过预热处理来降低轴件与熔覆层之间的温度梯度，从而减少热应力产生的熔覆裂纹。在完成一定距离的熔覆层后，通过调节感应电流频率大小，可以实现缓冷工艺，使熔覆层在空气中缓慢降温。通过冷却装置对轴件进行降温冷却，对于长距离的激光熔覆，由于热积累现象严重，会出现熔池增大，熔覆层过度氧化，以及难以熔覆成型的问题，将冷却基体环设在轴件的外表面上，冷却块内具有冷却液的流体通道，对冷却块进行降温，冷却块和轴件之间设置滚动件以使冷却块和轴件进行热量交换，对轴件进行冷却降温处理，降低热量堆积对熔覆层造成不良影响，通过滚动件与轴件的接触式冷却对轴件进行降温处理，提高了对轴件的散热效率，且冷却液不会接触轴件对熔覆效果产生影响，温度传感器监测轴件实时温度，控制器控制感应加热装置的加热温度以及控制冷却装置的冷源发生装置使得冷却效果良好。
进一步地，所述滚动件为冷却滚珠，冷却滚珠转动设置在冷却块上。冷却滚珠可以360度旋转，在与轴件相对转动时不会出现卡死现象，设置在冷却块与轴件之间对轴件的冷却传热效果良好。
进一步地，所述冷却块有多个且用于围绕轴件外周分布，相邻的冷却块之间连接有弹性连接结构。针对不同尺寸轴径的轴件，弹性连接结构可以调节冷却块之间距离，且弹性连接结构可以保证冷却块始终箍紧轴件，使用方便。
进一步地，所述冷却块包括固定冷却块和至少两个活动冷却块，固定冷却块用于与轴件激光熔覆装置工作台上的下方连接结构固定，活动冷却块用于环绕轴件外周。设置固定冷却块方便与下方连接结构固定，保持冷却组件的稳定，活动冷却块用于环绕轴件外周方便调节和与轴件箍紧。
进一步地，所述弹性连接结构为拉簧。拉簧结构简单，弹性效果好，弹性力大，能够适用于一定高温环境，使用寿命高。
进一步地，所述冷却块上设置有风冷通道，风冷通道的风冷出风口位于滚动件在冷却块上的同侧。在冷却块上设置有风冷通道使得冷却方式变为液冷加风冷，风冷在液冷的基础上提高了冷却效果。
进一步地，所述风冷通道的风冷出风口的开口朝向轴件一侧。将风冷通道的风冷出风口的开口朝向轴件一侧这种设置使得风冷出风口只吹向轴件的单侧，在安装时将其风冷出风口方向朝向远离激光熔覆作业方向，避免了对轴件上粉末、气体的扰动，可以使作业正常进行，更加高效的利用了气体冷却。
进一步地，所述流体通道在冷却块内回折延伸。设置回折延伸的流体通道增大流体通道体积，使得冷却块的散热冷却效果更加快速，保证滚动件的热量传递。
附图说明
图1本发明的轴件激光熔覆装置与轴件配合的实施例一的结构示意图；
图2为图1中的冷却块的侧视图；
图3为图1中的冷却块的剖视图；
图4为图1中的冷却块的正视图；
图5为图1中的冷却结构与轴件配合的结构示意图。
图中：1、伺服电机；2、三爪卡盘；3、轴件；4、水冷管；5、冷却块；6、激光熔覆头；7、感应线圈；8、尾架顶尖；9、弹簧；10、风冷管；11、温度传感器；12、感应加热器；13、滑块；14、丝杠；15、水冷箱；16、电磁阀；17、冷风机；18、丝杠螺母；19、PLC控制柜；20、通信线；21、机床床身；22、滚珠保持架；23、冷却滚珠；24、风冷出风口；25、蛇形水冷道；26、紧固螺栓。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。
本发明的轴件激光熔覆装置的具体实施例一：
为了更加清楚的说明轴件激光熔覆装置的结构和使用场合，本实施例中以轴件激光熔覆装置和轴件配合使用时的情况进行展开说明。
本发明的轴件激光熔覆装置如图1-5所示，一种轴件激光熔覆装置，包括机床床身21，机床床身21包括水平的工作台，工作台上设置有用于固定轴件3位置以及驱动轴件3旋转的变位机，工作台上在轴件3旁侧设置有激光熔覆头6，激光熔覆头6用于对轴件3表面进行作业，激光熔覆头6通过隔热棉包裹，激光熔覆头6与轴件3有一定工作距离，工作台上还设置有用于对轴件3预热的感应加热装置以及用于对轴件3冷却的冷却装置，工作台上设置有驱动感应加热装置和冷却装置滑动在工作台上的驱动机构，工作台上还配置有控制器，控制器与感应加热装置和冷却装置控制连接，在工作台上配置有温度传感器11用于监测轴件3温度，温度传感器11连接于控制器且提供给控制器温度信号以调节感应加热装置和冷却装置。
变位机包括三爪卡盘2和变位机尾架，三爪卡盘2夹持轴件3的一端，轴件3的另一端通过变位机尾架的顶尖8固定，变位机尾架可以滑动在工作台上。机床床身21下部为中空结构，在机床床身21下的中空结构中配置有丝杠螺母机构，丝杠螺母机构的丝杠14两端嵌入机床床身21的内部，丝杠14一端伸出机床床身21与伺服电机1连接。在机床床身21的位于轴件3下方位置设置有沿轴件3方向的滑轨，滑轨上设置有滑块13，滑块13从上向下穿过机床床身21而与丝杠螺母机构的丝杠螺母18连接。
滑块13上设置有冷却装置、温度传感器11、感应加热装置，具体地，冷却装置包括冷却结构，冷却结构包括用于套设在轴件3外周面的冷却组件，冷却组件包括冷却块5，冷却块5为沿轴件3外壁均匀分布的4个，下方两个冷却块5为固定冷却块，上方两个冷却块5为活动冷却块，相邻的固定冷却块和活动冷却块之间连接有弹簧9，相邻的活动冷却块之间连接有弹簧9，至少一个弹簧9为可拆卸安装，针对不同尺寸的轴径可以调节弹簧9的拉伸长度，使用方便。冷却块5上设置有用于与轴件3贴合且随轴件3转动随之发生滚动以用来传热的冷却滚珠23，每个冷却块5上设置有四个冷却滚珠23。冷却块5上设置有滚珠保持架22用来保持冷却滚珠23在其内稳定滚动，确保冷却滚珠23与轴件3在滚动接触过程中的稳定性，实施时可以采用类似牛眼轮的结构。冷却块5内设置有蛇形水冷道25增大冷却液在冷却块5中的冷却面积。
冷却装置还包括冷源发生装置，冷源发生装置包括水冷箱15和冷风机17，水冷箱15通过水冷管4与冷却块5连接，冷风机17通过风冷管10与冷却块5连接，冷却块5上设置有风冷出风口24，风冷出风口24的出口朝向在远离激光熔覆头6一侧，使得风冷出风口24通过单侧出气口对轴件3进行冷却，避免了对右侧激光熔覆粉末、气体的扰动，更加高效的利用了气体冷却。位于下端的两个固定冷却块之间设置有紧固螺栓26，紧固螺栓26下设置有用于将冷却组件安装在滑块13上的立柱，立柱构成所述固定冷却块的下方连接结构，紧固螺栓26下还设置有手柄，通过拧紧紧固螺栓26将冷却组件固定在立柱上。
感应加热装置包括感应线圈7和感应加热器12，感应线圈7在轴件3上配合，感应线圈7在感应加热器12上固定。控制器为PLC控制柜19，温度传感器11检测轴件3局部温度，温度传感器11与PLC控制柜19通过通信线20连接，将实时温度传到PLC控制柜19。水冷箱15顶部的水冷管4上设置有电磁阀16，通过PLC控制柜19控制水流压力大小。冷风机17与PLC控制柜19连接，通过PLC控制柜19调节风冷排量。PLC控制柜19通过通信线20与水冷机15和冷风机17保持通信。
本发明的轴件激光熔覆装置在具体使用时，伺服电机1带动丝杠14旋转，丝杠螺母18带动滑块13进行直线滑动，滑块13与机床床身21之间有滑轨，通过电机控制实现滑块13与激光熔覆头6的随动控制，变位机的三爪卡盘2夹持轴件3，冷却块5套设于轴件3上，使用感应线圈7对轴件3预加热，温度传感器11检测轴件3局部温度，通过通信线20将实时温度传到PLC控制柜19，水冷箱15顶部有水冷管4的电磁阀16通过PLC控制柜19控制水流压力大小，冷风机17通过PLC控制柜19调节出气排量。冷却块5在水冷的作用下温度降低，通过冷却块5上的冷却滚珠23与轴件3的接触式冷却对轴件3进行降温处理，冷却块5上通过风冷出风口24对轴件3左侧进行风冷散热，避免了对右侧激光熔覆粉末、气体的扰动，可以使激光熔覆作业正常进行。
通过上述对本发明的轴件激光熔覆装置的具体实施例一的描述，可以看出本发明的轴件激光熔覆装置通过冷却滚珠与轴件的接触式冷却对轴件进行降温处理，提高了对轴件的散热效率，且冷却液不会接触轴件对熔覆效果产生影响，避免了对右侧激光熔覆粉末、气体的扰动，温度传感器监测轴件实时温度，控制器控制感应加热装置的加热温度以及控制冷却装置的冷源发生装置使得冷却效果良好。
当然，本发明的轴件激光熔覆装置并不仅限于上述实施例。以下还列举了其他几种基于本发明的设计构思的轴件激光熔覆装置的实施方式。
例如在其他实施方式中，与上述实施例一不同的是，滚动件设置为随轴件转动可随之转动的圆柱滚子。
例如在其他实施方式中，与上述实施例一不同的是，冷却块包括一个半圆形固定冷却块和一个半圆形活动冷却块，固定冷却块和活动冷却块之间连接有拉簧。
再例如在其他实施方式中，与上述实施例一不同的是，风冷出风口朝向轴件直对方向或远离激光熔覆头切线方向，对轴件进行风冷降温。
或者在其他实施方式中，与上述实施例一不同的是，弹性连接结构为橡皮带等其他弹性件。
再或者在其他实施方式中，与上述实施例一不同的是，冷却块包括进水口和出水口，冷却块内部为中空结构，冷却水容纳于中空结构中。
本发明的轴件冷却结构的实施例与上述轴件激光熔覆装置中的冷却结构的实施例相同，因此不再进行表述。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，本发明的专利保护范围以权利要求书为准，凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。
Claims (9)
1.一种轴件冷却结构，其特征是，包括用于环设在轴件(3)外周面的冷却组件，冷却组件包括冷却块(5)，冷却块(5)内开设有用于冷却液流通的流体通道，冷却块(5)上设置有用于与轴件(3)贴合且随轴件(3)转动随之发生滚动以用来传热的滚动件。
2.根据权利要求1所述的轴件冷却结构，其特征是，所述滚动件为冷却滚珠(23)，冷却滚珠(23)转动设置在冷却块(5)上。
3.根据权利要求1所述的轴件冷却结构，其特征是，所述冷却块(5)有多个且用于围绕轴件(3)外周分布，相邻的冷却块(3)之间连接有弹性连接结构。
4.根据权利要求3所述的轴件冷却结构，其特征是，所述冷却块(5)包括固定冷却块和至少两个活动冷却块，固定冷却块用于与下方连接结构固定，活动冷却块用于环绕轴件(3)外周。
5.根据权利要求3所述的轴件冷却结构，其特征是，所述弹性连接结构为拉簧。
6.根据权利要求1所述的轴件冷却结构，其特征是，所述冷却块(5)上设置有风冷通道，风冷通道的风冷出风口(24)位于滚动件在冷却块(5)上的同侧。
7.根据权利要求6所述的轴件冷却结构，其特征是，所述风冷通道的风冷出风口(24)的开口朝向轴件(3)一侧。
8.根据权利要求1-7任意一项所述的轴件冷却结构，其特征是，所述流体通道在冷却块(5)内回折延伸。
9.一种轴件激光熔覆装置，包括工作台，工作台上设置有用于固定轴件(3)位置以及驱动轴件(3)旋转的变位机，工作台上设置有激光熔覆头(6)以及用于对轴件(3)预热的感应加热装置和用于对轴件(3)冷却的冷却装置，冷却装置包括冷却结构以及对冷却结构提供冷源的冷源发生装置，其特征是，冷却结构为如权利要求1-8任意一项所述的轴件(3)冷却结构，工作台上还配置有控制器，控制器与感应加热装置和冷却装置控制连接，在工作台上配置有温度传感器(11)用于监测轴件(3)温度，温度传感器(11)连接于控制器且提供给控制器温度信号以控制感应加热装置和冷却装置。
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Country Status (1)
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| CN (1) | CN117004810A (zh) |
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2023
- 2023-07-28 CN CN202310941850.0A patent/CN117004810A/zh active Pending
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