一種基于激光加熱的旋壓成形設備的制作方法

本發明涉及金屬塑性加工裝備技術領域，尤其涉及一種基于激光加熱的旋壓成形設備。

背景技術：

旋壓技術作為一種先進的近凈成形工藝，在空心回轉體零件的加工中得到了廣泛的應用。除了節省材料外，旋壓成形還具有成形載荷小、對成形設備噸位要求低、材料變形條件好等特點，因此近年來隨著難加工材料的應用逐漸增多，熱旋技術得到了更多的關注。常用的熱旋方式有兩種，一種是內部電阻加熱，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提出了一種感應加熱旋壓成形系統，但都不可避免地要預熱旋壓模具，需多個工作人員協同工作，且成形過程中熱輻射大，不僅會損傷旋壓設備和旋壓模具，而且勞動強度大。

隨著光纖激光技術的逐漸成熟，應用高能量密度的激光替代常規能源對旋壓坯料進行在線加熱成為可能，控制激光參數可以在不加熱旋壓模具的情況下實現對加熱區域溫度的精確控制，加熱效果差的問題有望得到解決。激光加熱涉及到多個參數，不僅包括激光參數，還包括旋壓成形的工藝參數，需要通過參數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備，而現有旋壓設備的結構無法滿足激光頭的運動需求，因此需要將激光頭安裝到單獨的加工系統中方能進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執行，需要通過人工干預才能保證兩套系統的協調運作，存在操作難的問題。同時，為了在激光加熱軌跡加載過程中避免激光頭與旋壓設備(包括旋壓工具)的干涉，一般將激光頭安裝在機器人加工系統，系統中的機器人具備六個自由度。由于機器人加工系統自由度多，需要使用專用的上位軟件來處理算法，進而實現激光頭的運動規劃，因此生產工藝人員必須具備機器人操作的專業知識。如何簡化成形裝置的結構，降低成形難度，提高生產效率，實現生產的自動化是基于激光加熱旋壓技術應用過程中需要解決的問題。

技術實現要素：

本發明的目的是為了解決現有技術中存在的缺點，而提出的一種基于激光加熱的旋壓成形設備。

為了實現上述目的，本發明采用了如下技術方案：

一種基于激光加熱的旋壓成形設備包括成形系統、加熱系統和控制系統；所述成形系統包括機體、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行輻照加熱，形成加熱區，所述支架固定在機體上側，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動；同時測溫裝置對加熱區內的溫度進行實時檢測；所述控制系統分別與成形系統和加熱系統相連，用于控制成形系統和加熱系統的協調工作。

優選的，旋壓坯料的塑性成形由成形系統實現，所述機體的一側設有主軸箱，所述主軸箱內設有Z軸方向的主軸，用于連接旋壓模具；所述機體的另一側連接有尾頂，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于機體的縱向導軌上，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，按旋壓件的幾何形狀、壁厚及材料性能的要求調整旋壓工作臺，旋輪架帶動旋輪沿實現旋輪軌跡的加載。

優選的,所述旋輪架數量為1個或2個或3個。

優選的，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。

優選的，所述激光器為光纖激光器，獨立于所述機體單獨設置。

優選的，所述激光器加熱頭對激光進行準直聚焦，使得激光器輸出的激光能滿足一定厚度材料的加熱需求。

優選的，所述加熱工作臺包括十字滑臺和雙軸轉臺；所述支架固定在設于機體一側的主軸箱上方，水平設置，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。

優選的，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的控制下可實現Z軸和Y軸的聯動，用于加載激光加熱軌跡。

優選的，所述雙軸轉臺包括橫向轉臺和縱向轉臺，橫向轉臺固定在設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臺上，用于調整激光束聚焦在旋壓坯料表面的位置，縱向轉臺固定在橫向轉臺上，用于調整激光束的輻照角度。

優選的，測溫裝置連接在縱向轉臺或激光加熱頭上，對加熱區進行非接觸式溫度檢測，并將結果輸入控制系統，通過控制系統與激光器和/或加熱工作臺進行信息交互實現加熱溫度的閉環控制。

本發明提出的一種基于激光加熱的旋壓成形設備，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，瞬間即可達到塑性變形所需溫度，加熱效率高，節約能源，綠色環保；對變形區材料的局部加熱，不受旋壓件尺寸和形狀的限制，工藝柔性好；通過調整激光參數及其輻照區域，實現了加熱溫度及加熱深度的精確控制，旋壓工藝穩定性高，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，降低了勞動強度和成形過程的熱輻射，有效提高旋壓設備及工藝裝備的使用壽命，改善了工作環境；加熱旋壓由控制系統控制完成，操作方便，便于實現自動化。

附圖說明

圖1為本發明的立體結構圖；

圖2為圖1所示本發明工作原理示意圖。

具體實施方式

下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。

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

成形系統包括機體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旋壓件進行配套設計，本實施方式中，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；機體21的一側設有主軸箱211，主軸箱內安裝有主軸212，軸線為Z軸，主軸212的轉速通過傳動變速裝置進行調整，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；設于機體21另一側的尾頂24與芯模25軸線重合，由油缸27驅動；機體1上設有縱向導軌213，旋壓工作臺22活動安裝在縱向導軌213上，并沿縱向導軌213(Z軸方向)進給運動；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)進給運動，優選的，旋壓工作臺22可設有橫向導軌且將旋輪架23安裝在橫向導軌上進行進給運動或旋輪架底面23安裝有滾輪進行進給運動；旋輪架23上設有旋輪26，所述旋輪26為旋壓成形工具，旋輪架23及旋輪26組件的數量和分布形式根據旋壓件的幾何形狀、壁厚及材料性能進行設計，數量為1組或2組或3組，根據成形工藝進行選用；當數量為兩組時，旋輪26對稱安裝于旋壓坯料4兩側；當數量為3組時，旋輪26繞Z軸呈120度分布于旋壓坯料4外側，旋壓工作臺22和旋輪架23與控制系統3連接。

激光加熱系統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，橫向轉臺123可上下滑動(Y軸方向)，也可繞X軸轉動，橫向轉臺123上固定有縱向轉臺124，所述縱向轉臺123可繞Z軸轉動，縱向轉臺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或縱向轉臺124上，所述測溫裝置14采用實現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，且分別設有縱向滑臺導軌和豎向導軌，所述縱向滑臺121的滑臺和豎向滑臺122上的滑塊在各自導軌上的直線移動均由步進電機驅動滾珠絲杠實現；所述橫向轉臺123和縱向轉臺124組成雙軸轉臺，橫向轉臺123和縱向轉臺轉動124均由電機驅動蝸桿，蝸桿帶動蝸輪轉動實現，通過控制系統可分別調整橫向轉臺123和縱向轉臺124的角度；當然，也可以在橫向轉臺123和縱向轉臺124上分別設置手柄驅動蝸桿，蝸桿帶動渦輪轉動，通過手動方式分別實現橫向轉臺123和縱向轉臺124繞X軸和Z軸的擺動。

所述旋壓成形設備還設有光柵位移傳感器，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；所述旋壓成形設備還設有防碰撞傳感器，所述防碰撞傳感器安裝在縱向轉臺124側面，用于防止激光加熱頭131與旋壓坯料4的碰撞；所述旋壓成形設備還設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對準旋壓坯料4的一側，用于測量激光加熱頭131到旋壓坯料4的距離，從而實現離焦量的調整。

采用基于激光加熱的旋壓成形設備進行熱旋成形，具體實施步驟如下：根據成形旋轉坯料4的形狀、結構、厚度和材料加熱的要求，在控制系統3中設定加工程序；根據成形需要，調整旋輪26在旋壓工作臺22的位置；將旋壓坯料4固定在芯模25上；根據加熱需要，轉動橫向轉臺123調整激光加熱頭131輸出激光的入射角度，轉動縱向轉臺124調整激光加熱頭131輸出激光與旋輪26與旋壓坯料4接觸區的圓周夾角，移動縱向滑臺121和豎向滑臺122調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轉動，旋壓坯料4也隨之轉動，與此同時，激光器132出光，通過激光加熱頭131準直聚焦激光束，對旋壓坯料4表面進行輻照加熱，形成加熱區，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3的控制下，旋輪架23沿旋壓工作臺22橫向進給，旋壓工作臺22沿機體縱向導軌213進給，通過二者的聯動實現旋輪軌跡的加載，加熱工作臺12帶動激光加熱頭131進給，旋壓坯料4上的輻照區域位置連續變化，測溫裝置14對旋壓坯料4上加熱區內材料的溫度進行實時檢測，并將結果傳輸給控制系統3，當溫度偏離成形溫度時，控制系統3根據內置調控模型進行調整，帶動縱向轉臺124轉動和/或豎向滑臺122滑塊移動，和/或調整激光器132的輸出功率，實現加熱區溫度的調整；旋輪26對加熱區內的材料進行碾壓，旋壓坯料4產生塑性變形，隨著旋壓工作臺22和加熱工作臺12的進給，變形擴展至整個旋壓坯料4；加工完成后，在控制系統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，尾頂24松開，卸下旋壓件。

以上，僅為本發明較佳的具體實施方式，但本發明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明揭露的技術范圍內，根據本發明的技術方案及其發明構思加以等同替換或改變，都應涵蓋在本發明的保護范圍之內。