本發(fā)明涉及金屬塑性加工裝備技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于激光加熱的旋壓成形設(shè)備。

背景技術(shù)：

旋壓技術(shù)作為一種先進(jìn)的近凈成形工藝，在空心回轉(zhuǎn)體零件的加工中得到了廣泛的應(yīng)用。除了節(jié)省材料外，旋壓成形還具有成形載荷小、對成形設(shè)備噸位要求低、材料變形條件好等特點(diǎn)，因此近年來隨著難加工材料的應(yīng)用逐漸增多，熱旋技術(shù)得到了更多的關(guān)注。常用的熱旋方式有兩種，一種是內(nèi)部電阻加熱，另一種方式是外部火焰加熱,這兩種方法均存在加熱不均勻、加熱效率低下以及環(huán)境污染等問題。專利號為CNIO3272948A提出了一種旋壓加熱裝置，試圖改善熱旋過程中存在的問題，專利號為CNIO5537356A提出了一種感應(yīng)加熱旋壓成形系統(tǒng)，但都不可避免地要預(yù)熱旋壓模具，需多個(gè)工作人員協(xié)同工作，且成形過程中熱輻射大，不僅會損傷旋壓設(shè)備和旋壓模具，而且勞動強(qiáng)度大。

隨著光纖激光技術(shù)的逐漸成熟，應(yīng)用高能量密度的激光替代常規(guī)能源對旋壓坯料進(jìn)行在線加熱成為可能，控制激光參數(shù)可以在不加熱旋壓模具的情況下實(shí)現(xiàn)對加熱區(qū)域溫度的精確控制，加熱效果差的問題有望得到解決。激光加熱涉及到多個(gè)參數(shù)，不僅包括激光參數(shù)，還包括旋壓成形的工藝參數(shù)，需要通過參數(shù)間的合理匹配才能保證加熱效果。由于目前尚無用于基于激光加熱的旋壓設(shè)備，而現(xiàn)有旋壓設(shè)備的結(jié)構(gòu)無法滿足激光頭的運(yùn)動需求，因此需要將激光頭安裝到單獨(dú)的加工系統(tǒng)中方能進(jìn)行基于激光加熱的旋壓成形。這樣，激光加熱軌跡和旋輪軌跡的加載將分由兩套系統(tǒng)執(zhí)行，需要通過人工干預(yù)才能保證兩套系統(tǒng)的協(xié)調(diào)運(yùn)作，存在操作難的問題。同時(shí)，為了在激光加熱軌跡加載過程中避免激光頭與旋壓設(shè)備(包括旋壓工具)的干涉，一般將激光頭安裝在機(jī)器人加工系統(tǒng)，系統(tǒng)中的機(jī)器人具備六個(gè)自由度。由于機(jī)器人加工系統(tǒng)自由度多，需要使用專用的上位軟件來處理算法，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)激光頭的運(yùn)動規(guī)劃，因此生產(chǎn)工藝人員必須具備機(jī)器人操作的專業(yè)知識。如何簡化成形裝置的結(jié)構(gòu)，降低成形難度，提高生產(chǎn)效率，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的自動化是基于激光加熱旋壓技術(shù)應(yīng)用過程中需要解決的問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺點(diǎn)，而提出的一種基于激光加熱的旋壓成形設(shè)備。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用了如下技術(shù)方案：

一種基于激光加熱的旋壓成形設(shè)備包括成形系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)和控制系統(tǒng)；所述成形系統(tǒng)包括機(jī)體、尾頂、旋壓工作臺和旋輪架，用于安裝旋壓成形模具和工具，以及固定旋壓坯料；所述加熱系統(tǒng)包括激光加熱裝置、支架、加熱工作臺和測溫裝置，激光加熱裝置對旋壓坯料表面進(jìn)行輻照加熱，形成加熱區(qū)，所述支架固定在機(jī)體上側(cè)，所述加熱工作臺固定在所述支架上，用于帶動激光加熱裝置移動和轉(zhuǎn)動；同時(shí)測溫裝置對加熱區(qū)內(nèi)的溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測；所述控制系統(tǒng)分別與成形系統(tǒng)和加熱系統(tǒng)相連，用于控制成形系統(tǒng)和加熱系統(tǒng)的協(xié)調(diào)工作。

優(yōu)選的，旋壓坯料的塑性成形由成形系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，所述機(jī)體的一側(cè)設(shè)有主軸箱，所述主軸箱內(nèi)設(shè)有Z軸方向的主軸，用于連接旋壓模具；所述機(jī)體的另一側(cè)連接有尾頂，所述尾頂與主軸保持同軸，用于固定旋壓坯料；所述旋壓工作臺連接在設(shè)于機(jī)體的縱向?qū)к壣?，用于安裝所述旋輪架，所述旋壓成形工具為旋輪，所述旋輪架上安裝有所述旋輪，成形時(shí)，按旋壓件的幾何形狀、壁厚及材料性能的要求調(diào)整旋壓工作臺，旋輪架帶動旋輪沿實(shí)現(xiàn)旋輪軌跡的加載。

優(yōu)選的,所述旋輪架數(shù)量為1個(gè)或2個(gè)或3個(gè)。

優(yōu)選的，激光加熱裝置包括激光器、光纖和激光加熱頭，激光器和激光加熱頭通過光纖連接。

優(yōu)選的，所述激光器為光纖激光器，獨(dú)立于所述機(jī)體單獨(dú)設(shè)置。

優(yōu)選的，所述激光器加熱頭對激光進(jìn)行準(zhǔn)直聚焦，使得激光器輸出的激光能滿足一定厚度材料的加熱需求。

優(yōu)選的，所述加熱工作臺包括十字滑臺和雙軸轉(zhuǎn)臺；所述支架固定在設(shè)于機(jī)體一側(cè)的主軸箱上方，水平設(shè)置，與所述主軸軸線(縱向，Z軸)平行；所述十字滑臺安裝在所述支架上，用于所述激光加熱頭沿主軸軸線(縱向，Z向)移動和垂直于地面方向(豎向，Y向)移動；所述雙軸轉(zhuǎn)臺安裝在十字滑臺底端，用于帶動激光加熱頭繞所述主軸軸線(Z軸)和垂直于十字滑臺平面(X軸)旋轉(zhuǎn)。

優(yōu)選的，所述十字滑臺包括縱向滑臺和豎向滑臺，縱向滑臺固定在所述支架上，豎向滑臺活動安裝縱向滑臺上，縱向滑臺和豎向滑臺在控制系統(tǒng)的控制下可實(shí)現(xiàn)Z軸和Y軸的聯(lián)動，用于加載激光加熱軌跡。

優(yōu)選的，所述雙軸轉(zhuǎn)臺包括橫向轉(zhuǎn)臺和縱向轉(zhuǎn)臺，橫向轉(zhuǎn)臺固定在設(shè)于十字滑臺的豎向滑臺的滑塊上，所述激光加熱頭固定在縱向轉(zhuǎn)臺上，用于調(diào)整激光束聚焦在旋壓坯料表面的位置，縱向轉(zhuǎn)臺固定在橫向轉(zhuǎn)臺上，用于調(diào)整激光束的輻照角度。

優(yōu)選的，測溫裝置連接在縱向轉(zhuǎn)臺或激光加熱頭上，對加熱區(qū)進(jìn)行非接觸式溫度檢測，并將結(jié)果輸入控制系統(tǒng)，通過控制系統(tǒng)與激光器和/或加熱工作臺進(jìn)行信息交互實(shí)現(xiàn)加熱溫度的閉環(huán)控制。

本發(fā)明提出的一種基于激光加熱的旋壓成形設(shè)備，其有效益效果是：采用激光作為加熱熱源，材料吸收激光能量，瞬間即可達(dá)到塑性變形所需溫度，加熱效率高，節(jié)約能源，綠色環(huán)保；對變形區(qū)材料的局部加熱，不受旋壓件尺寸和形狀的限制，工藝柔性好；通過調(diào)整激光參數(shù)及其輻照區(qū)域，實(shí)現(xiàn)了加熱溫度及加熱深度的精確控制，旋壓工藝穩(wěn)定性高，旋壓件變形小，成形精度高；通過控制加熱深度，減少熱量輸入，降低了勞動強(qiáng)度和成形過程的熱輻射，有效提高旋壓設(shè)備及工藝裝備的使用壽命，改善了工作環(huán)境；加熱旋壓由控制系統(tǒng)控制完成，操作方便，便于實(shí)現(xiàn)自動化。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的立體結(jié)構(gòu)圖；

圖2為圖1所示本發(fā)明工作原理示意圖。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例。

參照圖1-2，一種基于激光加熱的旋壓成形設(shè)備，包括激光加熱系統(tǒng)1、成形系統(tǒng)2和控制系統(tǒng)3；

成形系統(tǒng)包括機(jī)體21、旋壓工作臺22、旋輪架23、尾頂24，用于安裝旋壓成形模具和工具，所述旋壓成形模具和工具根據(jù)旋壓件進(jìn)行配套設(shè)計(jì)，本實(shí)施方式中，所述旋壓成形模具采用芯模25和所述旋壓成形工具采用旋輪26；機(jī)體21的一側(cè)設(shè)有主軸箱211，主軸箱內(nèi)安裝有主軸212，軸線為Z軸，主軸212的轉(zhuǎn)速通過傳動變速裝置進(jìn)行調(diào)整，主軸212的輸出端同軸連接有芯模25，芯模25上套接有旋壓坯料4；設(shè)于機(jī)體21另一側(cè)的尾頂24與芯模25軸線重合，由油缸27驅(qū)動；機(jī)體1上設(shè)有縱向?qū)к?13，旋壓工作臺22活動安裝在縱向?qū)к?13上，并沿縱向?qū)к?13(Z軸方向)進(jìn)給運(yùn)動；旋輪架23活動安裝在旋壓工作臺22上，并沿旋壓工作臺22作橫向(X軸方向)進(jìn)給運(yùn)動，優(yōu)選的，旋壓工作臺22可設(shè)有橫向?qū)к壡覍⑿喖?3安裝在橫向?qū)к壣线M(jìn)行進(jìn)給運(yùn)動或旋輪架底面23安裝有滾輪進(jìn)行進(jìn)給運(yùn)動；旋輪架23上設(shè)有旋輪26，所述旋輪26為旋壓成形工具，旋輪架23及旋輪26組件的數(shù)量和分布形式根據(jù)旋壓件的幾何形狀、壁厚及材料性能進(jìn)行設(shè)計(jì)，數(shù)量為1組或2組或3組，根據(jù)成形工藝進(jìn)行選用；當(dāng)數(shù)量為兩組時(shí)，旋輪26對稱安裝于旋壓坯料4兩側(cè)；當(dāng)數(shù)量為3組時(shí)，旋輪26繞Z軸呈120度分布于旋壓坯料4外側(cè)，旋壓工作臺22和旋輪架23與控制系統(tǒng)3連接。

激光加熱系統(tǒng)1包括支架11、加熱工作臺12、激光加熱裝置13和測溫裝置14；所述激光加熱裝置13包括激光加熱頭131、激光器131和光纖133，所述激光器132為光纖激光器，激光加熱頭131與激光器132通過光纖133連接；支架11固定在主軸箱211上方，支架11上安裝有加熱工作臺12，加熱工作臺12上設(shè)有縱向滑臺121和固定安裝在縱向滑臺121的滑臺上的豎向滑臺122，所述滑臺可縱向移動，橫向轉(zhuǎn)臺123可上下滑動(Y軸方向)，也可繞X軸轉(zhuǎn)動，橫向轉(zhuǎn)臺123上固定有縱向轉(zhuǎn)臺124，所述縱向轉(zhuǎn)臺123可繞Z軸轉(zhuǎn)動，縱向轉(zhuǎn)臺124上固定有激光加熱頭131，所述激光加熱頭131可繞X和/或Z軸轉(zhuǎn)動；測溫裝置14通過磁性夾具安裝在激光加工頭131或縱向轉(zhuǎn)臺124上，所述測溫裝置14采用實(shí)現(xiàn)非接觸式測溫裝置檢測；激光器132的輸入端和測溫裝置14的輸出端分別與控制系統(tǒng)11的輸出端和輸入端電性連接。

所述縱向滑臺121和豎向滑臺122組成十字滑臺，且分別設(shè)有縱向滑臺導(dǎo)軌和豎向?qū)к?，所述縱向滑臺121的滑臺和豎向滑臺122上的滑塊在各自導(dǎo)軌上的直線移動均由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動滾珠絲杠實(shí)現(xiàn)；所述橫向轉(zhuǎn)臺123和縱向轉(zhuǎn)臺124組成雙軸轉(zhuǎn)臺，橫向轉(zhuǎn)臺123和縱向轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動124均由電機(jī)驅(qū)動蝸桿，蝸桿帶動蝸輪轉(zhuǎn)動實(shí)現(xiàn)，通過控制系統(tǒng)可分別調(diào)整橫向轉(zhuǎn)臺123和縱向轉(zhuǎn)臺124的角度；當(dāng)然，也可以在橫向轉(zhuǎn)臺123和縱向轉(zhuǎn)臺124上分別設(shè)置手柄驅(qū)動蝸桿，蝸桿帶動渦輪轉(zhuǎn)動，通過手動方式分別實(shí)現(xiàn)橫向轉(zhuǎn)臺123和縱向轉(zhuǎn)臺124繞X軸和Z軸的擺動。

所述旋壓成形設(shè)備還設(shè)有光柵位移傳感器，所述光柵位移傳感器安裝在尾頂24和主軸212之間，用于控制尾頂24的位置；所述旋壓成形設(shè)備還設(shè)有防碰撞傳感器，所述防碰撞傳感器安裝在縱向轉(zhuǎn)臺124側(cè)面，用于防止激光加熱頭131與旋壓坯料4的碰撞；所述旋壓成形設(shè)備還設(shè)有非接觸式距離傳感器，所述非接觸式距離傳感器安裝在激光加熱頭131對準(zhǔn)旋壓坯料4的一側(cè)，用于測量激光加熱頭131到旋壓坯料4的距離，從而實(shí)現(xiàn)離焦量的調(diào)整。

采用基于激光加熱的旋壓成形設(shè)備進(jìn)行熱旋成形，具體實(shí)施步驟如下：根據(jù)成形旋轉(zhuǎn)坯料4的形狀、結(jié)構(gòu)、厚度和材料加熱的要求，在控制系統(tǒng)3中設(shè)定加工程序；根據(jù)成形需要，調(diào)整旋輪26在旋壓工作臺22的位置；將旋壓坯料4固定在芯模25上；根據(jù)加熱需要，轉(zhuǎn)動橫向轉(zhuǎn)臺123調(diào)整激光加熱頭131輸出激光的入射角度，轉(zhuǎn)動縱向轉(zhuǎn)臺124調(diào)整激光加熱頭131輸出激光與旋輪26與旋壓坯料4接觸區(qū)的圓周夾角，移動縱向滑臺121和豎向滑臺122調(diào)整激光加熱頭的離焦量；啟動加工程序，主軸212帶動固定在其上的芯模25轉(zhuǎn)動，旋壓坯料4也隨之轉(zhuǎn)動，與此同時(shí)，激光器132出光，通過激光加熱頭131準(zhǔn)直聚焦激光束，對旋壓坯料4表面進(jìn)行輻照加熱，形成加熱區(qū)，并使得激光器132輸出的激光能滿足一定厚度材料的加熱需求；在控制系統(tǒng)3的控制下，旋輪架23沿旋壓工作臺22橫向進(jìn)給，旋壓工作臺22沿機(jī)體縱向?qū)к?13進(jìn)給，通過二者的聯(lián)動實(shí)現(xiàn)旋輪軌跡的加載，加熱工作臺12帶動激光加熱頭131進(jìn)給，旋壓坯料4上的輻照區(qū)域位置連續(xù)變化，測溫裝置14對旋壓坯料4上加熱區(qū)內(nèi)材料的溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測，并將結(jié)果傳輸給控制系統(tǒng)3，當(dāng)溫度偏離成形溫度時(shí)，控制系統(tǒng)3根據(jù)內(nèi)置調(diào)控模型進(jìn)行調(diào)整，帶動縱向轉(zhuǎn)臺124轉(zhuǎn)動和/或豎向滑臺122滑塊移動，和/或調(diào)整激光器132的輸出功率，實(shí)現(xiàn)加熱區(qū)溫度的調(diào)整；旋輪26對加熱區(qū)內(nèi)的材料進(jìn)行碾壓，旋壓坯料4產(chǎn)生塑性變形，隨著旋壓工作臺22和加熱工作臺12的進(jìn)給，變形擴(kuò)展至整個(gè)旋壓坯料4；加工完成后，在控制系統(tǒng)3的控制下，激光器132停止出光，旋壓工作臺22和加熱工作臺12回到初始位置，主軸212停轉(zhuǎn)，尾頂24松開，卸下旋壓件。

以上，僅為本發(fā)明較佳的具體實(shí)施方式，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)方案及其發(fā)明構(gòu)思加以等同替換或改變，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。