CN210916253U - 一种超声振动多维影响激光熔覆设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及激光熔覆设备技术领域，尤其涉及一种超声振动多维影响激光熔覆设备。包括机架以及安装在机架上的机械手部件、熔覆卡盘部件、耦合超声系统部件以及转台系统部件；机械手部件设有熔覆头，熔覆头能做多维运动，所述耦合超声系统部件一端与转台系统部件相连，另一端与熔覆卡盘部件相连，熔覆卡盘部件设有熔覆件，耦合超声系统部件带动熔覆件做超声复合振动，转台系统部件带动熔覆件旋转。本实用新型将超声复合振动源的影响任意角度施加给熔覆基体上形成的熔覆道，实现对激光熔覆的多维超声振动影响，进而提高熔覆性能。

Description

一种超声振动多维影响激光熔覆设备

技术领域

本实用新型涉及激光熔覆设备技术领域，尤其涉及一种超声振动多维影响激光熔覆设备。

背景技术

随着现代工业的发展，对机械产品表面性能要求越来越高，要求能在高速、高温、高压、重载以及腐蚀工况下可靠持续工作，这对制造技术提出了挑战。一般金属材料在经过表面处理后，可以代替贵重金属，甚至因表面性能的改善，可延长机械产品使用寿命，提高生产力。激光熔覆作为一种新的加工技术，可以很好地满足上述要求，近年来受到广泛的关注与研究，并得到了一定的应用。但是具体的工艺实施过程中，熔覆层内部不可避免会产生微观裂纹，这种微观裂纹的存在对于工件的使役寿命产生重大影响，因此对熔覆过程施加影响，通过定量化细化晶粒组织减少微观裂纹成为激光熔覆领域的瓶颈难题。

通常人耳能听到的声波频率为16kHz～20kHz范围，频率超过20kHz的声波为超声波。超声波具有频率高、波长短、能量高、功率大、传播过程更易发生反射、折射、散射、共振、衰减等现象。超声振动是以超声波发生器产生的超声波为动力作用于振子系统，促使振子产生高频微振动，在振子振动同时，超声波发生器的高频电信号通过换能器输出为相同频率的机械振动，经过变幅杆将振幅放大后，超声波通过振子底部端面传递到作用物体表面，起到超声振动作用。超声振动技术凭借其超高频、微振动、安全、无污染等特点被广泛应用到诸多领域。实践表明：采用超声辅助的方式对激光熔覆过程施加影响，超声波的空化效应、机械效应和热效应将有效促使熔覆层应力场均匀化，进而细化晶粒组织，可以从根源上抑制裂纹的产生。与普通熔覆相比，超声辅助激光熔覆温度梯度为零的范围更大，温度场分布更为均匀，有效减小了成品的残余应力。

但目前利用超声振动影响激光熔覆的设备还不够完善，主要表现在：设备系统性差，超声功率不够稳定，振幅不稳定，振动施加方式过于单一(只停留在垂直向或水平向的单一方向影响)、振动影响方向不稳定，所以导致超声振动对激光熔覆的影响效果不能定量化，工艺实施过程也不尽如人意。

目前利用超声辅助激光熔覆的设备并没有考虑振动的多维加载，该领域尚属空白。CN 106350817 A公开了一种超声振动辅助激光熔覆制备无裂纹熔覆层的方法和装置，其超声辅助振动方向仅为单向振动，且其设计结构会导致激光熔覆头受到超声振动的干扰，不仅影响熔覆精度，甚至会损坏熔覆头。CN 106917086 A公开了一种超声振动辅助激光熔覆的方法和装置，其利用水平引入的超声振动这一外加的能场来改善激光熔覆层的组织和性能，采用冷却水槽中通入冷却水来降低激光熔覆过程中传递给换能器的热量，进而提高激光熔覆加工的生产效率。但其同样只考虑了单一方向上的超声加载，导致超声辅助效果得不到有效的发挥，且设计结构较为复杂，占地面积大。

实用新型内容

为了克服现有技术的不足，本实用新型提供一种超声振动多维影响激光熔覆设备。将超声复合振动源的影响任意角度施加给熔覆基体上形成的熔覆道，实现对激光熔覆的多维超声振动影响，进而提高熔覆性能。

为了达到上述目的，本实用新型采用以下技术方案实现：

一种超声振动多维影响激光熔覆设备，包括机架以及安装在机架上的机械手部件、熔覆卡盘部件、耦合超声系统部件以及转台系统部件；机械手部件设有熔覆头，熔覆头能做多维运动，所述耦合超声系统部件一端与转台系统部件相连，另一端与熔覆卡盘部件相连，熔覆卡盘部件设有熔覆件，耦合超声系统部件带动熔覆件做超声复合振动，转台系统部件带动熔覆件旋转。

所述机械手部件包括机械手系统与熔覆头；机械手系统一端通过自身底座固定在机架上表面，熔覆头为同轴激光熔覆头，熔覆头固定在机械手系统另一端。

所述熔覆卡盘部件包括开槽卡盘、熔覆件与卡具；熔覆件放置在开槽卡盘上方，通过卡具固定。

所述开槽卡盘中部上表面开十字贯穿的T型槽，开槽卡盘设有多个爪，每个爪上表面均设有T型槽。

所述耦合超声系统部件包括紧固螺栓、变幅杆、换能器、横向换能器支撑筒、侧向支架与纵向换能器支撑筒；变幅杆与纵向换能器支撑筒相连，紧固螺栓安装在变幅杆上，侧向支架固定在纵向换能器支撑筒上，横向换能器支撑筒固定在侧向支架上，横向换能器支撑筒与变幅杆相连；换能器安装在横向换能器支撑筒与纵向换能器支撑筒内。

所述变幅杆端部设有环形凹槽，紧固螺栓放置在凹槽内，耦合超声系统通过紧固螺栓与熔覆卡盘部件相连。

所述转台系统部件包括转盘、角度测量传感器、蜗轮、蜗杆、齿轮与动力系统；角度传感器安装在转盘上，转盘与蜗轮同轴，蜗轮与蜗杆配合，动力系统通过齿轮带动蜗轮旋转，进而带动转盘旋转。

所述机架包括定位销、底座与散热系统；底座为箱式结构，散热系统安装在箱壁上，定位销固定在底座上表面；底座通过定位销与熔覆卡盘部件相连。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

(1)本实用新型设有熔覆卡盘部件，开槽卡盘中部上表面开十字贯穿的T型槽，可实现对不同形状、不同尺寸的熔覆基板的夹紧固定作业；同时开槽卡盘设有多个爪，每个爪上表面均设有T型槽，适用于大尺寸熔覆基板的夹紧固定作业。

(2)本实用新型通过机械手带动熔覆头运动，进而可实现熔覆头任意方向的运动，熔覆卡盘部件实现对熔覆基体的固定，与机械手带动的熔覆头有效配合，在熔覆基体上形成任意方向的熔覆道。

(3)本实用新型耦合超声系统部件纵向与横向均设有换能器，将水平超声振动影响与竖直向超声振动影响固连耦合形成超声复合振动源。

(4)本实用新型设有转台系统部件，耦合超声系统部件与转台系统部件相连，转台系统部件带动耦合超声系统部件旋转，进而驱动复合振动源实现任意角度的周向转动。

本实用新型将水平超声振动影响与竖直向超声振动影响固连耦合形成超声复合

振动源，利用专门设计的卡盘实现对熔覆基体的固定，与机械手带动的熔覆头有效配合，在熔覆基体上形成任意方向的熔覆道。通过专门设计的转盘系统驱动复合振动源实现任意角度的周向转动，进而将定量化的超声复合振动源的影响任意角度施加给熔覆基体上形成的熔覆道，实现对激光熔覆的多维超声振动影响。

附图说明

图1为本实用新型立体结构示意图；

图2为本实用新型机械手部件结构示意图；

图3为本实用新型熔覆卡盘部件结构示意图；

图4为图4ⅡA向局部放大图；

图5为图4ⅡB向局部放大图；

图6为本实用新型耦合超声系统部件立体结构示意图；

图7为本实用新型变幅杆结构示意剖视图；

图8为本实用新型侧向支架结构示意主视图；

图9为本实用新型侧向支架结构示意俯视图；

图10为本实用新型纵向换能器支撑筒、换能器与换能器压盖结构示意图；

图11为本实用新型机架立体结构示意图；

图12为本实用新型机架结构示意主视图；

图13为本实用新型机架结构示意侧视图；

图14为本实用新型机架定位销立体结构示意图；

图15为本实用新型转台系统部件立体结构示意图；

图16为本实用新型转台系统部件结构示意主视图；

图17为图16的B向剖视图；

图18为图16的C向剖视图；

图19为本实用新型转台系统部件传动部分立体结构示意图；

图20为本实用新型熔覆件卡盘部件与耦合超声系统部件连接结构示意图。

图21为本实用新型超声系统部件与转台系统部件连接结构示意图。

图中：Ⅰ-机械手部件、Ⅱ-熔覆件卡盘部件、Ⅲ-耦合超声系统部件、Ⅳ-机架、Ⅴ-转台系统部件、Ⅰ01-机械手系统、Ⅰ02-同轴激光熔覆头、Ⅱ01-开槽卡盘、Ⅱ02-熔覆件、Ⅱ03-卡具、Ⅱ04-紧固螺母、Ⅲ01-紧固螺栓、Ⅲ02-变幅杆、Ⅲ03-换能器、Ⅲ04-横向换能器支撑筒、Ⅲ05-换能器压盖、Ⅲ06-侧向支架、Ⅲ07-纵向法兰换能器支撑筒、Ⅳ01-定位销、Ⅳ02-底座、Ⅳ03-箱门、Ⅳ04-散热系统、Ⅳ05-监视窗、Ⅴ01-转盘、Ⅴ02-角度测量传感器、Ⅴ03-蜗杆轴端盖、Ⅴ04-转台箱、Ⅴ05-油阀、Ⅴ06-小齿轮输入轴、Ⅴ07-大齿轮、Ⅴ08-吊耳、Ⅴ09-动力系统、Ⅴ10-动力系统支架、Ⅴ11-小齿轮、Ⅴ12-蜗轮、Ⅴ13-底盖、Ⅴ14-转盘空心轴、Ⅴ15-蜗杆轴。

具体实施方式

下面对本实用新型的具体实施方式作进一步说明，但不用来限制本实用新型的范围：

如图1所示，一种超声振动多维影响激光熔覆设备，包括机械手部件I、激光熔覆件卡盘部件Ⅱ、耦合超声系统部件Ⅲ、机架Ⅳ与转台系统部件V。

如图2所示，机械手部件Ⅰ包括同轴激光熔覆头Ⅰ01以及机械手系统Ⅰ02两部分，激光熔覆头Ⅰ01固定在机械手端部，机械手系统Ⅰ02通过自身底座紧固于机架Ⅳ上表面。

如图3、图4、图5所示，熔覆件卡盘部件Ⅱ是由Ⅱ01开槽卡盘、Ⅱ02熔覆件、Ⅱ03 卡具、Ⅱ04紧固螺母组成。卡盘表面开十字贯穿的T型横槽，卡具用于固定熔覆基体板的六角紧定螺栓可在卡盘的横槽内沿槽移动，以实现对不同形状、不同尺寸的熔覆基体板的夹紧固定作业。

同时，在卡盘四角沿对角线方向分别开设T型横槽，以适用于更大尺寸的熔覆基体板件的夹紧固定作业，具体横槽形状如图5所示。卡盘四角各开两定位孔，其孔径略大于如图12所示的Ⅳ01定位插销，该定位插销焊接固连于机架上表面，目的是为了限制卡盘部件Ⅱ的周向转动，但仍保证卡盘部件Ⅱ在竖直向的上下振动。

如图6-图10所示，超声振动系统部件Ⅲ由紧固螺栓Ⅲ01、变幅杆Ⅲ02、换能器Ⅲ03、横向换能器支撑筒Ⅲ04、换能器压盖Ⅲ05、侧向支架Ⅲ06、纵向法兰换能器支撑筒Ⅲ07组成。

如图7所示，变幅杆Ⅲ02顶部设有环形凹槽。如图21所示，紧固螺栓Ⅲ01放置于变幅杆Ⅲ02的凹槽内，松开状态时，螺栓可在凹槽内任意周向移动，当紧固螺栓被拧紧时，紧固螺栓Ⅲ01将变幅杆Ⅲ02与Ⅱ01连接并使二者同轴心转动，从而通过这样的方式实现卡盘部件Ⅱ与超声振动系统部件III根据需求实现可控分离。

如图6、图8、图9所示，横向换能器Ⅲ03与变幅杆Ⅲ02采用螺纹连接，并留有调节余量，横向换能器支撑筒Ⅲ04置于侧向支架Ⅲ06顶部，二者焊接固连。侧向支架Ⅲ06其底部平面与纵向法兰换能器支撑筒Ⅲ07法兰表面贴合。侧向支架Ⅲ06与纵向法兰换能器支撑筒Ⅲ07二者用螺栓紧固于转盘Ⅴ01上方。

如图10所示，换能器压盖Ⅲ05用于限制换能器纵向与周向自由度，放置于Ⅲ07筒壁凹槽内，然后用螺钉紧固。

如图11-14所示，机架Ⅳ是由Ⅳ01定位销、Ⅳ02底座、Ⅳ03箱门、Ⅳ04散热系统、Ⅳ05监视窗所组成。Ⅳ01定位销置于底座Ⅳ02的顶部表面并焊接固连；Ⅳ04散热系统与Ⅳ02底座通过螺纹固定；Ⅳ03箱门与Ⅳ02底座通过插销实现旋转连接。

如图15-19所示，转台系统部件Ⅴ由Ⅴ01转盘、Ⅴ02角度测量传感器、Ⅴ03蜗杆轴端盖、Ⅴ04转台箱、Ⅴ05油阀、Ⅴ06小齿轮输入轴、Ⅴ07大齿轮、Ⅴ08吊耳、Ⅴ09动力系统、Ⅴ10动力系统支架、Ⅴ11小齿轮、Ⅴ12蜗轮、Ⅴ13底盖、Ⅴ14转盘空心轴、Ⅴ15蜗杆轴组成。Ⅴ09动力系统采用电机。

Ⅴ01转盘与Ⅴ14转盘空心轴通过定位槽配合实现连接，Ⅴ14转盘空心轴与Ⅴ12蜗轮过盈装配，Ⅴ03蜗杆轴端盖与Ⅴ04转台箱通过螺栓连接，Ⅴ06小齿轮输入轴与Ⅴ11小齿轮通过键连接实现周向传动、与Ⅴ09动力系统通过键连接输入动力，Ⅴ11小齿轮与Ⅴ07 大齿轮啮合传动，Ⅴ07大齿轮与Ⅴ15蜗杆轴过盈装配，Ⅴ09动力系统与Ⅴ10动力系统支架通过螺栓连接，Ⅴ12蜗轮与Ⅴ15蜗杆轴相啮合，Ⅴ13底盖与Ⅴ04转台箱通过螺栓连接。

如图1-21所示，机械手部件Ⅰ与机架Ⅳ采用螺栓连接；熔覆件卡盘部件Ⅱ与耦合超声系统部件Ⅲ通过螺栓Ⅱ04连接，通过松开或拧紧螺栓Ⅱ04，实现卡盘部件Ⅱ与超声振动系统部件III根据需求可控分离。当松开时，螺栓可以在耦合超声系统部件Ⅲ的凹槽内自由移动，使得水平和竖直向复合超声振动源可以绕轴转动任意角度。但熔覆件卡盘部件Ⅱ与机架Ⅳ采用插销定位，使熔覆件卡盘部件Ⅱ不随耦合超声系统部件Ⅲ绕轴旋转，限制熔覆件周向固定，但保留其竖直向自由度。耦合超声系统部件Ⅲ与转台系统部件Ⅴ采用螺栓连接，转盘带动超声系统整体绕轴转动；转台系统部件Ⅴ与机架Ⅳ采用螺栓连接，限制转台底座的全部自由度；机架Ⅳ与大地采用螺栓固连，限制其全部自由度。

将被熔覆件通过卡具Ⅱ03、六角螺栓、六角螺母装夹于开槽卡盘Ⅱ01上，六角螺栓螺头嵌于界面为ⅡB的槽内，当螺母放松时，螺栓可沿槽自由移动使卡具及熔覆件可任意位置、任意角度装夹于开槽卡盘Ⅱ01上。将Ⅱ04螺母放松后，驱动Ⅴ09动力系统Ⅴ09输出相应的转矩，经Ⅴ06小齿轮输入轴传递至由Ⅴ11小齿轮及Ⅴ07大齿轮组成的齿轮副，带动Ⅴ15蜗杆轴轴向转动，进而使得与其相啮合的Ⅴ12蜗轮低速轴向转动，带动Ⅴ14转盘空心轴转动最终使得Ⅴ01转盘转动。Ⅴ01转盘带动Ⅲ耦合超声系统部件整体转动，进而Ⅲ03换能器输出方向发生改变，此时拧紧Ⅱ04紧固螺母，开始熔覆动作。平台工作过程中，Ⅳ04散热系统持续工作为箱体内部散热。

本实用新型的工作原理与工作过程为：

工作时将被熔覆件加紧于Ⅱ01开槽卡盘表面，调整机械手带动熔覆头完成指定动作、转盘转动指定角度、换能器输出指定振幅、相位的振动，最终完成对被熔覆件施加指定方向、振幅、相位的多维超声振动影响。在对熔覆件进行激光熔覆时，超声辅助可以细化熔覆层晶粒、减少残余应力、减低表面粗糙度、提高表面耐磨性等；在此基础上，针对不同材料使用该多维超声辅助激光熔覆平台进行激光熔覆，可以达到对工件表面微观形貌、熔覆层内部晶粒细化程度的可控精确加工，以满足各种极限工况对零件表面性能的需求。

本实用新型将水平超声振动影响与竖直向超声振动影响固连耦合形成超声复合振动源，利用专门设计的卡盘实现对熔覆基体的固定，与机械手带动的熔覆头有效配合，在熔覆基体上形成任意方向的熔覆道。通过专门设计的转盘系统驱动复合振动源实现任意角度的周向转动，进而将定量化的超声复合振动源的影响任意角度施加给熔覆基体上形成的熔覆道，实现对激光熔覆的多维超声振动影响，进而提高熔覆性能。

以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型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实用新型揭露的技术范围内，根据本实用新型的技术方案及其实用新型构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种超声振动多维影响激光熔覆设备，其特征在于：包括机架以及安装在机架上的机械手部件、熔覆卡盘部件、耦合超声系统部件以及转台系统部件；机械手部件设有熔覆头，熔覆头能做多维运动，所述耦合超声系统部件一端与转台系统部件相连，另一端与熔覆卡盘部件相连，熔覆卡盘部件设有熔覆件，耦合超声系统部件带动熔覆件做超声复合振动，转台系统部件带动熔覆件旋转。

2.根据权利要求1所述的一种超声振动多维影响激光熔覆设备，其特征在于：所述机械手部件包括机械手系统与熔覆头；机械手系统一端通过自身底座固定在机架上表面，熔覆头为同轴激光熔覆头，熔覆头固定在机械手系统另一端。

3.根据权利要求1所述的一种超声振动多维影响激光熔覆设备，其特征在于：所述熔覆卡盘部件包括开槽卡盘、熔覆件与卡具；熔覆件放置在开槽卡盘上方，通过卡具固定。

4.根据权利要求3所述的一种超声振动多维影响激光熔覆设备，其特征在于：所述开槽卡盘中部上表面开十字贯穿的T型槽，开槽卡盘设有多个爪，每个爪上表面均设有T型槽。

5.根据权利要求1所述的一种超声振动多维影响激光熔覆设备，其特征在于：所述耦合超声系统部件包括紧固螺栓、变幅杆、换能器、横向换能器支撑筒、侧向支架与纵向换能器支撑筒；变幅杆与纵向换能器支撑筒相连，紧固螺栓安装在变幅杆上，侧向支架固定在纵向换能器支撑筒上，横向换能器支撑筒固定在侧向支架上，横向换能器支撑筒与变幅杆相连；换能器安装在横向换能器支撑筒与纵向换能器支撑筒内。

6.根据权利要求5所述的一种超声振动多维影响激光熔覆设备，其特征在于：所述变幅杆端部设有环形凹槽，紧固螺栓放置在凹槽内，耦合超声系统通过紧固螺栓与熔覆卡盘部件相连。

7.根据权利要求1所述的一种超声振动多维影响激光熔覆设备，其特征在于：所述转台系统部件包括转盘、角度测量传感器、蜗轮、蜗杆、齿轮与动力系统；角度传感器安装在转盘上，转盘与蜗轮同轴，蜗轮与蜗杆配合，动力系统通过齿轮带动蜗轮旋转，进而带动转盘旋转。

8.根据权利要求1所述的一种超声振动多维影响激光熔覆设备，其特征在于：所述机架包括定位销、底座与散热系统；底座为箱式结构，散热系统安装在箱壁上，定位销固定在底座上表面；底座通过定位销与熔覆卡盘部件相连。

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