熱作模具表面多點(diǎn)組合式仿生加工設(shè)備及強(qiáng)化修復(fù)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種熱作模具表面多點(diǎn)組合式的仿生加工設(shè)備及熱作模具表面加工方法，用于處理并修復(fù)表面復(fù)雜化多樣化同時(shí)在熱疲勞磨損以及沖蝕磨損條件失效的熱作模具。
【背景技術(shù)】
[0002]目前，熱作模具主要用于熱變形加工和壓力鑄造的模具。其工作特點(diǎn)是在再結(jié)晶溫度以上使金屬材料產(chǎn)生一定的塑性變形，或使高溫的液態(tài)金屬鑄造成形。從而獲得所需形狀的零件或者精密毛坯。熱作模具型腔內(nèi)的磨損與冷作模具磨損的形成因素不同。熱模鍛的磨損主要是模具與被加工的紅熱金屬坯料之間的摩擦得不到潤(rùn)滑，被紅熱的金屬坯料氧化，型腔表面層被回火軟化，而氧化又加劇了磨損，同時(shí)發(fā)生氧化磨損和粘著磨損。磨損不僅破壞模具的尺寸精度，使鍛件差，也可以使模具表面出現(xiàn)擦傷溝槽，因而破壞鍛件的表面粗糙度。此外，擦傷溝槽又是熱疲勞裂紋的萌生處。由于擦傷溝槽破壞了鍛件的表面粗糙度，或是由于擦傷溝槽誘發(fā)了熱疲勞開裂而使模具失效。同時(shí)模具開裂也是主要的失效形式斷裂和開裂失效在熱鍛模中約占總失效量的20%?25%，在壓鑄模中約占5%?10%左右。實(shí)踐表明，如模塊熱處理后的硬度偏高，易產(chǎn)生早期脆斷。模塊硬度提高后，將降低鋼的斷裂韌度及沖擊韌度，顯著地增加脆斷傾向。模塊硬度提高，又使模具的冷熱疲勞抗力降低，這就使模具型腔表面過(guò)早地產(chǎn)生熱疲勞裂紋，由于鋼的斷裂韌度較低，使熱疲勞裂紋的尺寸很小就可能達(dá)到臨界尺寸，進(jìn)而迅速失穩(wěn)擴(kuò)展導(dǎo)致模具脆斷。目前采用激光仿生加工的方法可以大幅度的提高模具壽命，但是基于熱作模具的結(jié)構(gòu)復(fù)雜化，品種多樣化，普通的激光仿生設(shè)備難以高效成批量的完成模具加工因此，開發(fā)一種能夠高效快速多角度同時(shí)對(duì)熱作模具進(jìn)行加工的激光加工仿生裝備，對(duì)提高熱作模具壽命，提高產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)效率有非常重要的意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種熱作模具表面多點(diǎn)組合式的仿生加工設(shè)備，該設(shè)備可以利用激光熔凝和熔覆技術(shù)對(duì)單個(gè)熱作模具表面進(jìn)行多點(diǎn)組合式仿生強(qiáng)化處理，也可以同時(shí)對(duì)兩個(gè)熱作模具進(jìn)行多點(diǎn)組合式仿生強(qiáng)化處理，改善其表面組織的耐磨性，工藝簡(jiǎn)單，成本低，效率高。
[0004]為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明的熱作模具表面多點(diǎn)組合式的仿生加工設(shè)備包括六自由度機(jī)器人，計(jì)算機(jī)，旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)，激光器，第一激光頭夾板，第二激光頭夾板；所述旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)包括底座，旋轉(zhuǎn)伺服裝置，轉(zhuǎn)臺(tái)；旋轉(zhuǎn)伺服裝置安裝在底座上，轉(zhuǎn)臺(tái)固定在旋轉(zhuǎn)伺服裝置的驅(qū)動(dòng)軸上；計(jì)算機(jī)與六自由度機(jī)器人的伺服控制系統(tǒng)、激光器、旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)的旋轉(zhuǎn)伺服裝置連接；激光器包含多個(gè)光纖激光頭；第一激光頭夾板安裝固定在六自由度機(jī)器人的旋轉(zhuǎn)頭上；第二激光頭夾板位于轉(zhuǎn)臺(tái)上方。
[0005]本發(fā)明可以通過(guò)第一激光頭夾板將多個(gè)光纖激光頭裝夾在六自由度機(jī)器人旋轉(zhuǎn)頭上，將待加工熱作模具置于底面上，對(duì)其上圓形區(qū)域或其他任意形狀區(qū)域進(jìn)行激光處理，方便于對(duì)大型模具進(jìn)行激光加工；可以通過(guò)第二激光頭夾板將多個(gè)光纖激光頭裝夾在工作臺(tái)上方，將待加工熱作模具置于工作臺(tái)上，對(duì)其上圓形區(qū)域或其他任意形狀區(qū)域進(jìn)行激光處理；可以將一個(gè)或多個(gè)光纖激光頭裝夾在第一激光頭夾板，其余光纖激光頭裝夾在第二激光頭夾板，同時(shí)對(duì)工作臺(tái)上的熱作模具進(jìn)行圓形軌跡仿生單元體加工和地面上的熱作模具進(jìn)行任意形狀單元體激光處理，以提高加工效率。
[0006]所述第一激光頭夾板上加工有一個(gè)長(zhǎng)條形孔或者多個(gè)通孔，各光纖激光頭通過(guò)開口套和鎖緊螺母安裝固定在激光頭夾板長(zhǎng)條形孔或者通孔處。
[0007]或者，所述第一激光頭夾板上加工有溝槽且沿溝槽方向加工長(zhǎng)條形孔；各光纖激光頭通過(guò)開口套和鎖緊螺母安裝固定在第一激光頭夾板長(zhǎng)條形孔上；可以根據(jù)加工需要調(diào)整各光纖激光頭之間的距離。
[0008]所述第二激光頭夾板上加工有長(zhǎng)條形孔，各光纖激光頭通過(guò)開口套和鎖緊螺母安裝固定在第二激光頭夾板長(zhǎng)條形孔處；支架固定于旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)的底座上或地面上；第二激光頭夾板安裝在支架上，可繞支架轉(zhuǎn)動(dòng)。
[0009]本發(fā)明的有益效果:
[0010]1.本發(fā)明可以針對(duì)熱作模具表面易產(chǎn)生疲勞裂紋的部位以及已報(bào)廢模具的磨損部位，設(shè)計(jì)加工路徑，采用不同分光方式的光路組合與不同運(yùn)動(dòng)軌跡的加工方式組合的多元化組合式加工方法，由6自由度機(jī)械手帶激光頭加工方法和激光頭固定，模具在轉(zhuǎn)臺(tái)做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)加工方式，同時(shí)也可以采取兩種方式同時(shí)加工的方法對(duì)模具進(jìn)行表面處理。根據(jù)不同的路徑參數(shù)，選定激光頭的個(gè)數(shù)、每個(gè)激光頭的出光功率在模具表面加工出深淺不一，不同形狀的仿生單元體。
[0011]2.熱作模具大多具有表面規(guī)則不確定，多樣性的特點(diǎn)，無(wú)法批量化，程式化大規(guī)模加工。很難在加工的同時(shí)保證加工效率，為了進(jìn)一步提高熱作模具處理效率，需要采用組合式加工設(shè)備滿足熱作模具復(fù)雜的加工路徑要求。
[0012]3.在熱作模具表面，根據(jù)其失效形式，采用激光熔凝和熔敷的方法制備類似生物體中硬質(zhì)單元體，在熱作模具表面，不同區(qū)域的失效形式不同，加工手段也不盡相同，同樣采用激光處理，不同位置的激光參數(shù)，處理區(qū)域的處理形狀都千差萬(wàn)別。組合式激光加工設(shè)備是采用光路數(shù)量、移動(dòng)軌跡、激光參數(shù)的多種相關(guān)加工條件的多元組合，使熱作模具在加工時(shí)可以一次性完成加工，不需要多次調(diào)整參數(shù)。
[0013]4.在用激光加工的方式處理熱作模具時(shí)，激光的加工軌跡采用組合式運(yùn)動(dòng)方式來(lái)完成不同的失效部位其仿生加工是不同的，針對(duì)多種失效方式組合式激光仿生加工可以同時(shí)對(duì)多個(gè)部位進(jìn)行同時(shí)加工。并且每個(gè)處理部位的單元體深度，大小，形狀均不相同，對(duì)于一個(gè)模具的多個(gè)加工路徑，機(jī)械手和伺服回轉(zhuǎn)平臺(tái)可以根據(jù)加工表面的復(fù)雜程度，加工面積大小共同組合運(yùn)動(dòng)，機(jī)械手在復(fù)雜表面帶動(dòng)激光頭運(yùn)動(dòng)進(jìn)行加工，伺服轉(zhuǎn)臺(tái)勻速轉(zhuǎn)動(dòng)便于圓形模具加工，同時(shí)多路激光同時(shí)工作，可以同時(shí)完成大面積區(qū)域的處理加工，避免了模具的反復(fù)裝卡，以及激光參數(shù)的反復(fù)調(diào)整。
[0014]5.根據(jù)模具激光處理時(shí)需要的時(shí)的表面材料強(qiáng)度，設(shè)計(jì)激光參數(shù)。包括處理面積的大小，決定采用幾路激光進(jìn)行處理，預(yù)設(shè)1-4路激光，每個(gè)激光頭可以單獨(dú)工作，也可以同時(shí)工作。根據(jù)激光所需能量不同采用時(shí)間分光和能量分光兩種方法，時(shí)間分光每路光依次按時(shí)間先后順序從各路光纖輸出，每路激光能量在0-1200W之間；能量分光每路激光能量相同，最多可分為4路，如果4路光同時(shí)輸出，4路激光輸出能量總和在0-1200W之間。激光的輸出能量與輸出光路數(shù)量與運(yùn)動(dòng)軌跡相組合，即保證了加工路徑的復(fù)雜性，又保證了加工時(shí)不同位置不同能量的需求，在提高效率的同時(shí)，節(jié)約了成本，使模具的使用壽命較普通激光加工還有所提尚。
[0015]6.組合式加工設(shè)備，是指在一套熱作模具加工時(shí)，需要處理的位置不同，所需的激光能量也不同，所需的激光能量也不同，在同一路徑上由電腦控制激光參數(shù)和移動(dòng)軌跡，機(jī)器人和伺服轉(zhuǎn)臺(tái)分別可配4跟光纖，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)加工需要進(jìn)行分配，同時(shí)在加工路徑上根據(jù)加工位置分配加光光路數(shù)量和能量，根據(jù)加工路徑選擇機(jī)器人或者伺服轉(zhuǎn)臺(tái)的組合方式。
[0016]利用上述熱作模具表面多點(diǎn)組合式的仿生加工設(shè)備對(duì)熱作模具表面進(jìn)行加工的方法，可以采用下述三種技術(shù)方案。
[0017]技術(shù)方案一
[0018]利用上述熱作模具表面多點(diǎn)組合式的仿生加工設(shè)備對(duì)熱作模具表面進(jìn)行強(qiáng)化修復(fù)的方法，包括下述步驟:
[0019]一、將A熱作模具固定于旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)上，B熱作模具置于地面上，根據(jù)A熱作模具和B熱作模具表面各待加工處理區(qū)域的形狀、尺寸確定加工路徑并確定裝夾在第一激光頭夾板和第二激光頭夾板上的光纖激光頭數(shù)量；
[0020]二、根據(jù)步驟一確定的各待加工處理區(qū)域的加工路徑、表面材料強(qiáng)度要求設(shè)置加工各區(qū)域所需的激光器出光路數(shù)、光纖激光頭之間的間距、單個(gè)光纖激光頭出光能量、各光纖激光頭的分光方式、旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)工作參數(shù)、以及六自由度機(jī)器人運(yùn)動(dòng)參數(shù)；
[0021]三、調(diào)整六自由度機(jī)器人的姿態(tài)使第一激光頭夾板位于B熱作模具上方，并且各光纖激光頭的光軸垂直于B熱作模具待加工處理區(qū)域的表面；調(diào)整第二激光頭夾板位置使其位于A熱作模具上方；
[0022]四、對(duì)于B熱作模具上首先要加工處理的i區(qū)域，根據(jù)步驟一、二確定的該i區(qū)域加工路徑調(diào)整第一激光頭夾板上光纖激光頭的位置；調(diào)整A熱作模具使其上圓形的待加工的j區(qū)域中心對(duì)準(zhǔn)工作臺(tái)旋轉(zhuǎn)中心，并根據(jù)該j區(qū)域圓形加工路徑調(diào)整第二激光頭夾板上光纖激光頭的位置；
[0023]五、按照步驟二確定的加工B熱作模具上i區(qū)域和A熱作模具上j區(qū)域所需單個(gè)光纖激光頭出光能量以及各光纖激光頭的分光方式，通過(guò)計(jì)算機(jī)控制激光器工作；通過(guò)計(jì)算機(jī)按照步驟二確定的旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)工作參數(shù)控制旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)以設(shè)定轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)，同時(shí)根據(jù)六自由度機(jī)器人運(yùn)動(dòng)參數(shù)控制六自由度機(jī)器人運(yùn)動(dòng)，使第一激光頭夾板上的各出光光纖激光頭按照步驟一確定的加工路徑移動(dòng)，同時(shí)在B熱作模具上i區(qū)域和A熱作模具上j區(qū)域制備仿生單元體；
[0024]六、重復(fù)步驟四、五，在B熱作模具和A熱作模具上待加工處理區(qū)域表面制備仿生單元體，直至完成熱作模具表面激光仿生強(qiáng)化處理。
[0025]技術(shù)方案二、
[0026]利用上述熱作模具表面多點(diǎn)組合式的仿生加工設(shè)備對(duì)熱作模具表面進(jìn)行強(qiáng)化修復(fù)的方法，包括下述步驟:
[0027]一、將熱作模具置于地面上，根據(jù)熱作模具表面各待加工處理區(qū)域的形狀、尺寸確定加工路徑；
[0028]二、根據(jù)步驟一確定的各待加工處理區(qū)域的加工路徑、表面材料強(qiáng)度要求設(shè)置加工各區(qū)域所需的激光器出光路數(shù)、光纖激光頭之間的間距