專利名稱：一種金屬功能表面激光填絲局部仿生紋理制備方法和設備的制作方法
技術領域：
本發明屬于金屬材料加工領域。
背景技術：
金屬功能表面仿生強化技術是從仿生角度出發，通過研究耐磨損生物原型、抗疲勞生物原型，將生物原型抗磨損、耐疲勞的結構在功能表面加以“復制”，通過激光實施仿生強化，在模具制品、車床導軌、閥門、軋輥等功能表面形成抗磨損、耐疲勞的仿生結構，從而提高模具、車床導軌、閥門、軋輥等壽命。[bl]以典型的金屬工件模具為例，雖然我國模具生產發展很快，但與國外先進水平相比還有很大差距，主要表現在制造周期長、制造精度低、模具壽命短等方面，其中模具壽命短的問題尤為突出。如國內普通壓鑄模具壽命一般為3-10萬模次，國外可達到10-35萬模次，對于那些要求保留壓鑄表面的制品，模具壽命有時僅有1-2萬模次。模具壽命短直接導致資源浪費和生產成本的上升。因此，利用現代高技術手段制備高性能的新型模具，延長模具的服役時間，避免發生過早失效，從而挽回生產中不必要的損失，將會大大推動工業和國民經濟的發展，具有顯著的經濟效益和社會意義。在模具材料選定的情況下，對模具表面進行強化處理是提高模具壽命的有效方法，如模具表面滲碳、氮化、仿生強化等。自然界中生物體表經過千百萬年的進化，形成了非常獨特的結構，如蜣螂、穿山甲等與硬物接觸部位的體表是由凹坑、凸包或鱗片等幾何結構組成的非光滑表面，生物的非光滑體表具有減粘、降阻、耐磨的作用，在運動過程中具有很好的耐磨性，由此有學者提出激光表面仿生強化提高模具使用壽命、改善使用性能的方法。通過激光實施仿生強化，可顯著提高模具的耐磨性與熱疲勞性，將這種方法應用到模具表面會提高模具壽命，會給企業帶來巨大經濟效益。通過激光熔凝或激光熔覆在模具表面加工出具有一定幾何形狀、組織結構優化或化學成分有區別于基體的凸凹狀紋理，是當前制備模具表面仿生紋理傳統加工手段。激光熔凝是利用激光快速加熱并熔化模具表層，使其迅速凝固，由于模具基體剛度大，激光熔凝層內存在應力較大，在熔凝層的枝晶界、氣孔和夾雜物等處易引起應力集中，在熔凝層產生微裂紋；因不添加焊絲或合金粉末，仿生紋理組織結構或化學成分優化受到一定限制；由此降低仿生紋理抗熱疲勞和耐磨性能，影響模具壽命提高幅度。激光熔覆在模具平面表面制備仿生紋理具有優勢，但制備效率低，由于受到送粉方式限制，不利于模具空間曲面仿生紋理制備。專利200610016699.6提出了一種通過在金屬表面涂覆金屬粉末，添加化學元素，利用激光加熱實現仿生強化的工藝方法和制備裝置。專利201110369559針對金屬工件表面容易發生破壞的部位，設計平面或空間曲線骨架，根據設計的曲線骨架，利用激光加熱的方法對金屬工件表面進行熔凝仿生強化方法及裝置。專利201210089286利用激光加熱的方法對機床導軌表面進行熔凝仿生強化方法及裝置。 然而上述方法在實踐中制備仿生紋理的質量和效率有一定局限性，實踐中需要一種具有更好性能的局部仿生紋理制備方法和設備。
發明內容
本發明是通過如下方式來解決上述技術問題的:
根據本發明的一個方面:提供了一種金屬功能表面激光填絲局部仿生紋理制備設備，由控制單元、視覺系統、可調溫熱絲送絲機、激光器和五自由度數控工作臺組成，控制單元分別與激光器、視覺系統、可調溫熱絲送絲機和五自由度數控工作臺的通訊接口系統相連。進一步地,控制單元包括一臺工業控制計算機,該計算機具有激光填絲仿生強化工藝模塊和數控加工模塊；“激光填絲仿生強化工藝模塊”第一部分是加工工藝參數數據庫，數據庫中每一條數據記錄包括被加工材料的牌號、原始顯微組織，激光器的頻率、電流強度、脈寬、掃描速度，激光焊絲材料、直徑、溫度、送絲速度，功能表面裂紋形式、位置，功能表面磨損形式、位置，仿生紋理的分布規律、寬度、深度、硬度、處理后的顯微組織激光填絲仿生強化工藝模塊”第二部分是仿生紋理視覺監控系統，該系統接受視覺硬件系統圖像信號，處理焊絲位置及熔化狀態和仿生紋理熔池及成形狀態，從而控制激光填絲工藝參數和五軸數控工作臺聯動狀態；“數控加工模塊”能夠根據功能表面的外形、尺寸、裂紋和磨損位姿、仿生紋理的幾何形狀進行示教,生成數控加工指令,并能夠根據功能表面裂紋和磨損位姿，視覺引導規劃激光加工仿生紋理路徑，生成數控加工指令；還能夠根據設計好的空間網格和工藝參數自動形成數控加工指令；并且也能夠在其它計算機根據金屬功能表面應力應變數值模擬，生成數控加工程序，然后導入示教系統中；視覺系統與激光器通過緊固件連接，通過CCD視覺傳感激光焊絲位置及熔化狀態、仿生紋理熔池及成形特征、金屬功能表面裂紋和磨損位姿，傳給控制單元中的仿生紋理視覺監控系統；激光器是小于500W光纖傳導小功率Nd: YAG固體激光器或光纖激光器；可調溫熱絲送絲機為微機控制，激光焊絲直徑為
·0.Γ0.6mm,焊絲控溫范圍5(T400°C，送絲速度為1000 20000 mm/min,送絲速度誤差小于設定值的±1%或±20mm/min中的最大值，與激光器通過緊固件連接，焊絲與激光束相互定位精度小于±0.2 mm ;五自由度數控工作臺包括激光填絲仿生強化數控加工系統和五自由度機械工作臺，數控加工軟件系統可以使激光頭沿A軸、C軸轉動，沿Z軸移動，使工件安裝臺沿X、Y軸移動，其中的五自由度機械工作臺包括X向進給機構、Y向進給機構、XY工作臺，Y向進給機構安裝在床身上，X向進給機構安裝在Y向進給機構上，XY工作臺上放置金屬工件；激光頭與A軸驅動相連，A軸驅動與C軸驅動相連，安裝在雙擺頭座上；雙擺頭座安裝在立柱上，可沿Z軸移動。根據本發明的另一方面:提供了一種利用前述設備進行金屬功能表面激光填絲局部仿生紋理制備的方法，在模具成型件、凸、凹模、軸、軋輥、閥或機床導軌的金屬功能表面，利用激光自動填熱絲加工的方法，對表面進行局部填加化學元素和仿生強化。進一步地，所述焊絲的直徑為0.1、.6mm，填加到金屬功能表面化學元素為Cr:0 15%，Mo: 0 5%，N1: 0 5%，W: 0 15%，Co: 0^10%, Nb: 0^5%, V: 0 5%，紋理形態的翅脈寬度S為0.riOmm,翅脈高度H為0.1、_，翅膜寬度W為0.5^30mm,翅膜長度L為
0.5 50mm，硬度比金屬基體材料硬度值高10(T400HV。通過本發明的上述技術方案能夠產生如下優點:
1、仿生紋理制備質量方面，因激光填絲能提高紋理強韌性，紋理質量比激光熔凝好；理論上激光熔覆因添加合金元素較激光填絲方便，優化仿生紋理化學成分方面占有優勢，但由于激光熔覆層不平整、易出現裂紋和氣孔、組織不均勻和合金層成分控制不精確等問題，使得激光熔覆沒有激光填絲制備仿生紋理質量穩定，有時制備質量并不好，且合金粉末浪
費嚴重。2、仿生紋理制備效率方面，由于受到送粉方式限制，激光熔覆在制備模具空間曲面仿生紋理受到限制，不利于仿生紋理制備自動化；激光熔凝和激光自動填絲制備仿生紋理效率基本相同，要高于激光熔覆。3、通過激光焊絲來優化模具仿生紋理化學成分和組織結構，提高仿生紋理強韌性，減小激光熔凝層微裂紋；通過自動填絲和視覺傳感技術融合，提高模具空間曲面仿生紋理制備質量和效率，克服激光合熔覆在制備模具空間曲面仿生紋理局限性；進而提高模具空間曲面仿生紋理抗熱疲勞性和耐磨性能，開發設備具有操作簡便、運行穩定和生產效率高特點。
圖1為金屬功 能表面仿生紋理形態示意圖。圖2為金屬功能表面仿生紋理翅脈形態示意圖。圖3為金屬功能表面激光填絲局部仿生強化設備的總體控制結構示意圖。圖4為金屬功能表面激光填絲局部仿生強化設備主視結構示意圖:
其中:1、翅膜，2、翅脈，3、模具母材，4、仿生紋理制備運動控制單元，5、同軸視覺單元，6、送絲系統，7、激光，8、X向進給機構，9、Z向進給機構，10、C軸驅動，11、A驅動，12、激光二極管，13、翅脈設備，14、Y向進給機構，15、床身，W、翅膜寬度，L、翅膜長度，S、翅脈寬度，H、翅脈高度。
具體實施例方式結合附圖給出的實施對本發明作進一步說明。下面對本發明作詳細描述:
本金屬功能表面激光填絲局部仿生強化設備，由控制單元、視覺系統、可調溫熱絲送絲機、激光器和五自由度數控工作臺組成，它的總體結構見附圖4，下面分別詳細說明。控制單元、控制單元包括一臺工業控制計算機，該計算機具有激光填絲仿生強化工藝模塊和數控加工模塊。“激光填絲仿生強化工藝模塊”第一部分是加工工藝參數數據庫，該數據庫是對大量實驗數據總結和優化的結果。數據庫中每一條數據記錄包括材料的牌號、原始顯微組織，激光器的頻率、電流強度、脈寬、掃描速度，激光焊絲材料、直徑、溫度、送絲速度，功能表面裂紋形式、位置，功能表面磨損形式、位置，仿生紋理的分布規律、寬度、深度、硬度、處理后的顯微組織。“激光填絲仿生強化工藝模塊”第二部分是仿生紋理視覺監控系統，該部分主要接受視覺硬件系統圖像信號，處理焊絲位置及熔化狀態和仿生紋理熔池及成形狀態，從而控制激光填絲工藝參數和五軸數控工作臺聯動狀態。“激光填絲仿生強化數控加工模塊”可根據功能表面的外形、尺寸、裂紋和磨損位姿、仿生紋理的幾何形狀等，手工示教，生成數控加工程序；可以根據功能表面裂紋和磨損位姿，視覺引導規劃激光加工仿生紋理路徑，生成數控加工程序；可以根據設計好的空間網格和工藝參數自動形成數控加工程序；也可以在其它計算機根據金屬功能表面應力應變數值模擬，生成數控加工程序，然后導入該示教系統中。視覺系統，視覺系統與激光器通過緊固件連接，通過CXD視覺傳感激光焊絲位置及熔化狀態、仿生紋理熔池及成形特征、金屬功能表面裂紋和磨損位姿，傳給控制單元中仿生紋理視覺監控系統。激光器，激光器是小于500W光纖傳導小功率Nd = YAG固體激光器或光纖激光器。可調溫熱絲送絲機為微機控制，激光焊絲直徑為0.1、.6mm，焊絲控溫范圍5(T400°C，送絲速度為1000 20000 mm/min，送絲速度誤差小于設定值的±1%或±20mm/min中的最大值，與激光器通過緊固件連接，焊絲與激光束相互定位精度小于±0.2 mm ;
五自由度數控工作臺，五自由度數控工作臺包括激光填絲仿生強化數控加工系統和五自由度機械工作臺，數控加工軟件系統可以使激光頭沿A軸、C軸轉動，沿Z軸移動，使工件安裝臺沿X、Y軸移動，其中的五自由度機械工作臺包括X向進給機構、Y向進給機構、XY工作臺，Y向進給機構安裝在床身上，X向進給機構安裝在Y向進給機構上，XY工作臺上放置金屬工件；激光頭與A軸驅動相連，A軸驅動與C軸驅動相連，安裝在雙擺頭座上；雙擺頭座安裝在立柱上，可沿Z軸移動；工作臺的機械構造如圖4所示。利用上述設備進行仿生紋理制備的方法包括，首先利用自動填絲技術、視覺傳感和小功率激光技術相結合，優化激光填絲仿生紋理制備參數，通過視覺傳感激光焊絲位置及熔化狀態、仿生紋理熔池及成形特征提取，建立激光填絲仿生紋理狀態同軸視覺傳感識別模型，由控制單元判斷后控制激光器、送絲機和五自由度數控工作臺；所述焊絲的直徑為0.1 0.6mm，填加到金屬功能表面化學元素為Cr: 0 15%，Mo: 0 5%，N1: 0 5%，W:0 15%，Co: 0^10%, Nb: 0^5%, V: 0 5%，紋理形態的翅脈寬度S為0.flOmm，翅脈高度H為
0.f 8mm，翅膜寬度W為0.5 30mm，翅膜長`度L為0.5 50mm，激光強化翅脈硬度比金屬基體材料硬度值高10(T400HV。其具體的操作流程如下:
1、將具有待加工金屬功能表面的工件夾持在工作臺上，閉合電源，啟動五自由度數控工作臺、激光器電源、視覺采集系統和可調溫熱絲送絲機。2、通過五自由度數控工作臺調整激光焦點和金屬功能表面相對位置，通過送絲機調整激光焊絲和功能表面、激光焦點位置。3、啟動“激光填絲仿生強化工藝模塊”，輸入信息，確定激光填絲優化工藝參數；啟動“激光填絲仿生強化數控加工程序”，可根據功能表面的外形、尺寸、裂紋和磨損位姿、仿生紋理的幾何形狀等，手工示教，生成數控加工程序。4、啟動“加工開始”，工藝參數中關于激光能量的參數傳遞到激光器，激光器電源按照微型計算機傳輸過來的信號設置激光參數；將加工程序傳遞到數控工作臺，數控平臺按照加工程序控制伺服電機驅動工作臺運動。5、加工過程中，CXD視覺監控激光焊絲位置及熔化狀態、仿生紋理熔池及成形特征、金屬功能表面裂紋和磨損位姿，對激光加工參數和工作臺運動軌跡做局部微調，保證金屬功能表面仿生強化條紋加工質量。本發明具有如下優點:1、仿生紋理制備質量方面，因激光填絲能提高紋理強韌性，紋理質量比激光熔凝好；理論上激光熔覆因添加合金元素較激光填絲方便，優化仿生紋理化學成分方面占有優勢，但由于激光熔覆層不平整、易出現裂紋和氣孔、組織不均勻和合金層成分控制不精確等問題，使得激光熔覆沒有激光填絲制備仿生紋理質量穩定，有時制備質量并不好，且合金粉末浪
費嚴重。2、仿生紋理制備效率方面，由于受到送粉方式限制，激光熔覆在制備模具空間曲面仿生紋理受到限制，不利于仿生紋理制備自動化；激光熔凝和激光自動填絲制備仿生紋理效率基本相同，要高于激光熔覆。
3、通過激光焊絲來優化模具仿生紋理化學成分和組織結構，提高仿生紋理強韌性，減小激光熔凝層微裂紋；通過自動填絲和視覺傳感技術融合，提高模具空間曲面仿生紋理制備質量和效率，克服激光合熔覆在制備模具空間曲面仿生紋理局限性；進而提高模具空間曲面仿生紋理抗熱疲勞性和耐磨性能，開發設備具有操作簡便、運行穩定和生產效率高特點。通過本發明的技術方案在汽車零件壓鑄模上進行試驗。根據模具表面易產生磨損和侵蝕位置，采用脈沖YAG激光器，聚焦透鏡焦距f=100mm，激光焊接電流150A、離焦量為-4.5，頻率5HZ，脈寬時間8.0s、焊接速度40.0mm/min,氬氣流量8.0ml/min,填絲直徑為0.2mm，送絲速度50mm/min，熱絲溫度150°C，模具表面激光填絲加工成蝴蝶翅膀強化條紋網格，強化條紋網格是由激光填絲翅脈和模具母材翅膜組成。加工測試后翅脈硬度為680HV，比基體材料高18(T200V，耐磨性、熱疲勞顯著提高，具有激光仿生表面的模具使用壽命比強化前提高了至少1.0倍以上。
權利要求
1.一種金屬功能表面激光填絲局部仿生紋理制備設備，由控制單元、視覺系統、可調溫熱絲送絲機、激光器和五自由度數控工作臺組成，其特征在于控制單元分別與激光器、視覺系統、可調溫熱絲送絲機和五自由度數控工作臺的通訊接口系統相連。
2.根據權利要求I所述的設備，其特征在于 控制單元包括一臺工業控制計算機，該計算機具有激光填絲仿生強化工藝模塊和數控加工模塊； “激光填絲仿生強化工藝模塊”第一部分是加工工藝參數數據庫，數據庫中每一條數據記錄包括被加工材料的牌號、原始顯微組織，激光器的頻率、電流強度、脈寬、掃描速度，激光焊絲材料、直徑、溫度、送絲速度，功能表面裂紋形式、位置，功能表面磨損形式、位置，仿生紋理的分布規律、寬度、深度、硬度、處理后的顯微組織；“激光填絲仿生強化工藝模塊”第二部分是仿生紋理視覺監控系統，該系統接受視覺硬件系統圖像信號，處理焊絲位置及熔化狀態和仿生紋理熔池及成形狀態，從而控制激光填絲工藝參數和五軸數控工作臺聯動狀態； “數控加工模塊”能夠根據功能表面的外形、尺寸、裂紋和磨損位姿、仿生紋理的幾何形狀進行示教，生成數控加工指令，并能夠根據功能表面裂紋和磨損位姿，視覺引導規劃激光加工仿生紋理路徑，生成數控加工指令；還能夠根據設計好的空間網格和工藝參數自動形成數控加工指令；并且也能夠在其它計算機根據金屬功能表面應力應變數值模擬，生成數控加工程序，然后導入示教系統中； 視覺系統與激光器通過緊固件連接，通過CCD視覺傳感激光焊絲位置及熔化狀態、仿生紋理熔池及成形特征、金屬功能表面裂紋和磨損位姿，傳給控制單元中的仿生紋理視覺監控系統，激光器是小于500W的光纖傳導小功率Nd = YAG固體激光器或光纖激光器； 可調溫熱絲送絲機為微機控制，激光焊絲直徑為O. Γ0. 6mm，焊絲控溫范圍5(T40(TC，送絲速度為1000 20000 mm/min,送絲速度誤差小于設定值的±1%或±20mm/min中的最大值，與激光器通過緊固件連接，焊絲與激光束相互定位精度小于±0.2 mm; 五自由度數控工作臺包括激光填絲仿生強化數控加工系統和五自由度機械工作臺，數控加工軟件系統可以使激光頭沿A軸、C軸轉動，沿Z軸移動，使工件安裝臺沿X、Y軸移動，其中的五自由度機械工作臺包括X向進給機構、Y向進給機構、XY工作臺，Y向進給機構安裝在床身上，X向進給機構安裝在Y向進給機構上，XY工作臺上放置金屬工件；激光頭與A軸驅動相連，A軸驅動與C軸驅動相連，安裝在雙擺頭座上；雙擺頭座安裝在立柱上，可沿Z軸移動。
3.一種利用權利要求I或2所述的設備進行金屬功能表面激光填絲局部仿生紋理制備的方法，其特征在于在模具成型件、凸、凹模、軸、軋棍、閥或機床導軌的金屬功能表面，利用激光自動填熱絲加工的方法，對表面進行局部填加化學元素和仿生強化。
4.根據權利要求3所述的方法，其特征在于所述焊絲的直徑為O.Γ0. 6mm,填加到金屬功能表面化學元素為Cr: 0 15%，Mo: 0 5%，Ni: 0 5%，W: 0 15%，Co: 0^10%, Nb:0 5%，V: 0 5%，紋理形態的翅脈寬度S為O. riOmm,翅脈高度H為O. I 8mm，翅膜寬度W為O. 5 30mm，翅膜長度L為O. 5 50mm，激光強化翅脈硬度比金屬基體材料硬度值高100 400HV。
全文摘要
一種金屬功能表面激光填絲局部仿生紋理制備方法和設備屬于金屬材料加工領域，目的是提供一種能有效提高金屬功能表面抗熱疲勞性和耐磨性的工藝方法及制備裝置。本發明針對不同金屬基體材料，利用自動填絲技術、視覺傳感和小功率激光技術相結合，制備金屬功能空間曲面仿生紋理新方法。為實施上述工藝方法，研制了由控制單元、視覺系統、可調溫熱絲送絲機、激光器和五自由度數控工作臺構成的強化設備，有效提高金屬功能表面抗熱疲勞性和耐磨性，且性能價格比好，生產效率高。
文檔編號B23K26/42GK103252582SQ20131012719
公開日2013年8月21日 申請日期2013年4月12日 優先權日2013年4月12日
發明者劉立君, 王義強, 楊文浩, 賈志欣, 李繼強, 柳學楊, 姜亞青 申請人:浙江大學寧波理工學院