基于激光加熱旋壓成形方法及裝置與流程

本發明涉及金屬塑性加工技術領域，尤其涉及基于激光加熱旋壓成形方法及設備。

背景技術：

旋壓是一種連續局部塑性成形工藝，主要用于成形薄壁空心回轉體零件，與整體成形工藝相比，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；常見的輕質材料，如鋁合金、鎂合金、鈦合金等，以及高溫合金在常溫下無法成形，需要在加熱的情況下進行塑形加工，因而加熱旋壓的應用逐漸增多。

由于爐內加熱對旋壓坯料尺寸的適應性差，生產實踐中常采用火焰加熱或感應加熱裝置對旋壓過程中的坯料進行加熱，例如專利號為CN101972808A的專利提出采用獨立數控跟隨火焰加熱裝置以解決人工火焰加熱或將火焰加熱裝置固定在旋輪座時，旋壓件溫度場不均勻、火焰越界易燒損設備等問題；專利號為CN103706716A的專利提出采用局部加熱設備對旋壓坯料進行實時溫度調節，以提高溫度控制的準確性；專利號為CN105637356的專利提出采用感應加熱旋壓以解決火焰加熱溫度均勻性能以控制、熱輻射大、勞動效率低的問題。

無論是電熱爐對旋壓坯料預先整體加熱，還是采用在線加熱對旋壓坯料進行局部加熱，成形前均需對成形涉及的工藝裝備包括旋輪和芯模進行預熱，這將使成形工藝裝備的結構復雜化，例如專利號為CN104249116A的專利提出在熱旋壓中采用帶有內加熱裝置的芯模，但仍存在著熱輻射大、影響工藝裝備和旋壓設備使用壽命等問題。

隨著激光技術的發展，使用壽命長、對使用環境和維護要求低的光纖激光技術逐漸成熟，使基于激光加熱的旋壓加工成為可能。采用高能量密度的激光替代常規能源對旋壓坯料進行局部加熱，不僅可以提高材料的塑性，使難加工材料的可加工性大大提高，而且可以減少旋壓道次間的熱處理工序，有效地提高生產效率。

技術實現要素：

針對現有技術存在的上述不足，本發明提供了一種基于激光加熱旋壓成形方法，同時提供一種相應的裝置，通過同步施加加熱激光束，實現變形區材料可旋壓能力的提高，特別適合于成形精度且表面質量要求高的難加工材料的旋壓成形。

為了實現上述目的，本發明采用了如下技術方案：

一種基于激光加熱旋壓成形裝置，包括：數控旋壓設備，旋壓工藝裝備和激光加熱系統，其中：所述數控旋壓設備包括數字控制系統、尾頂、旋輪架和主軸，所述數字控制系統設有旋壓程序并分別與所述主軸和旋輪架連接；所述旋壓工藝裝備包括旋輪和芯模，所述芯模同軸連接于主軸輸出端，所述旋輪安裝在旋輪架上，尾頂與芯模同軸并頂緊套裝在芯模上的旋壓坯料；所述激光加熱系統包括加熱控制系統、激光器、導光系統、六自由度機器人、激光加工頭和測溫裝置；所述加熱控制系統設有六自由度機器人加工系統和加熱程序，且分別與激光器和六自由度機器人連接，所述激光器通過導光系統將激光輸送至激光加工頭，所述激光加工頭對激光進行準直和聚焦，聚焦光束輻照旋壓坯料表面，在旋壓坯料表面形成輻照區域，所述激光加工頭固定在六自由度機器人末端，所述測溫裝置固定在激光加工頭上，并對準激光在旋壓坯料表面形成的加熱區域中的測溫區，所述測溫裝置與加熱控制系統連接，以便將測得溫度輸出至加熱控制系統。

優選的，所述激光器為續激光器。

優選的，所述旋輪為1個或2個或3個，其數量和分布形式根據旋壓件的幾何形狀、壁厚及材料進行設計。

優選的，其特征在于，所述測溫裝置為非接觸式的測溫裝置。

一種利用所述基于激光加熱旋壓成形裝置實現基于激光加熱旋壓成形的方法，具體步驟如下：

(1)根據旋壓坯料的形狀、尺寸和材料，設計旋壓成形工藝參數和/或旋輪軌跡，在數字控制系統中形成旋壓程序；根據旋壓成形工藝參數/或旋輪軌跡，以及旋壓坯料對加熱溫度的要求，設計激光加熱參數和/或輻照區域軌跡，所述激光加熱參數包括光斑大小和激光功率，在輸入加熱控制系統中形成加熱程序；

(2)在激光加熱旋壓前使用酒精或丙酮清洗旋壓坯料表面的油脂和污垢，然后干燥，接著在旋壓坯料的相對激光加工頭一側表面預置吸光涂層；

(3)將旋壓坯料卡緊在芯模上；

(4)通過數字控制系統，預設旋輪的初始位置和/或角度γ；

(5)通過加熱控制系統移動和/或轉動六自由度機器人，調整激光加工頭的初始位置和/或角度β，預設激光光斑與局部變形區的相對位置，包括相對圓周角α和軸向間距Δ；

(6)采用磁性工具將測溫裝置固定在激光加工頭或六自由度機器人的末端，將其對準加熱區域的測溫區；

(7)同時啟動旋壓程序和加熱程序，主軸帶動固定在其上的芯模轉動，旋壓坯料也隨之轉動，與此同時，激光器出光，通過激光加工頭對旋壓坯料表面進行輻照；

(8)在數字控制系統和加熱控制系統的共同控制下，旋輪和激光加工頭在保持預設軸向間距Δ的同時，同步進給，旋輪對加熱區域內的材料進行碾壓，測溫裝置將測溫區內的溫度實時反饋給加熱控制系統，以保證加熱區域的溫度符合旋壓成形的要求；

(9)成形結束后，系統初始化，激光器停止出光，激光加熱頭和旋輪各自回到初始位置；

(10)主軸停轉，尾頂松開，卸下旋壓件。

優選的，所述旋壓程序中的參數包括主軸轉速、進給比和/或壓下量。

優選的，所述數字控制系統根據預設旋壓程序控制所述主軸旋轉和旋輪運動。

優選的，所述加熱控制系統根據預設加熱程序控制激光器的開啟與關閉和輸出功率、六自由度機器人和固定在其末端激光加工頭的運動。

優選的，所述數字控制系統控制旋輪加載軌跡，所述加熱控制系統通過控制激光輻照區軌跡和激光參數，保證局部變形區與激光輻照區運動的協調，使得局部變形區處于激光加熱區范圍內，且變形區內的溫度符合旋壓成形的需求。

優選的，所述測溫區對準所述輻照區域或所述遠離輻照區域的局部變形區或所述靠近輻照區域的區域或所述靠近遠離輻照區域的局部變形區的區域。

本發明提出的基于激光加熱旋壓成形方法及設備，其具有以下有效益效果：

①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，綠色環保；

②對材料的變形區及其周圍進行在線加熱，不受旋壓件尺寸和形狀的限制，工藝柔性好；

③通過控制加熱區作用面積和加熱深度，降低熱量輸入，不僅節約能源，而且能有效提高旋壓設備及工藝裝備的使用壽命；

④通過調整激光參數及其輻照區域大小，實現對加熱區溫度及加熱深度的精確控制，變形區溫度的變化具有一致性，工藝穩定性好，成形質量高；

⑤通過控制激光參數和激光輻照軌跡，控制旋壓坯料表面加熱區的分布，整個過程由計算機系統控制，成形過程的重復性好，易于實現自動化、精度高、勞動強度低。

附圖說明

圖1為本發明提出的基于激光加熱旋壓成形裝置的結構示意圖；

圖2為圖1的右視圖，采用單旋輪成形時，激光輻照區、激光加熱區和材料變形區在旋壓坯料上的位置分布示意圖；

圖3為采用兩個旋輪成形時，激光輻照區、激光加熱區和材料變形區在旋壓坯料上的位置分布示意圖；

圖4為采用三個旋輪成形時，激光輻照區、激光加熱區域和材料變形區在旋壓坯料上的位置分布示意圖；

圖5為本發明的具體實施例一示意圖；

圖6為本發明的具體實施例二示意圖。

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。

基于激光加熱旋壓成形裝置包括數控旋壓設備1，旋壓工藝裝備2，激光加熱系統4；所述數控旋壓設備1包括數字控制系統11、尾頂12、旋輪架13和主軸14；旋壓工藝裝備2包括旋輪21和芯模22，所述芯模22同軸連接于主軸14輸出端，芯模22上套裝有旋壓坯料3，尾頂12與芯模22同軸并頂緊旋壓坯料3，旋輪架13上設有旋輪21，旋輪21數目為1個或2個或3個，其數量和分布形式根據旋壓件的幾何形狀、壁厚及材料進行設計，本實施方式中，優選的，旋輪21數目為兩個時，沿旋壓坯料3表面呈環形180度分布，旋輪21數目為三個時，沿旋壓坯料3表面呈環形120度分布；激光加熱系統4包括加熱控制系統41、激光器42、導光系統43、六自由度機器人44、激光加工頭45和測溫裝置46，激光器42為光纖激光器，導光系統43為光纖，激光器42通過導光系統43將激光輸送至激光加工頭45，形成聚焦光束，激光加工頭45固定在與加熱控制系統41連接的六自由度機器人44末端，通過設于加熱控制系統41的加熱程序控制六自由度機器人44運動，帶動激光加工頭45形成輻照區域(B)軌跡，加熱控制系統41與激光器42連接，用于控制激光器42的開啟與關閉和輸出功率的大小，測溫裝置46固定在激光加工頭45上，對準旋壓坯料3表面的加熱區域A的測溫區，并將所測得的溫度輸出至與之連接的加熱控制系統41；數字控制系統11設有旋壓程序，控制與之連接的主軸14和旋輪架13，實現旋輪21在旋壓坯料3表面加熱區域A中產生的局部變形區D的軌跡。

參照圖1-6，一種基于激光加熱旋壓成形方法，其步驟如下：

(1)根據成形零件的形狀、尺寸和材料，設計旋壓成形工藝參數和/或旋輪軌跡，所述參數包括：主軸轉速、進給比和/或壓下量在數字控制系統11中形成旋壓程序；根據旋壓成形工藝參數/或旋輪軌跡，以及材料對加熱溫度的要求，設計激光加熱參數和/或輻照區域B軌跡，激光加熱參數包括光斑大小和激光功率，在輸入加熱控制系統41中形成加熱程序；

(2)對于激光吸收率低的材料，在激光加熱旋壓前使用酒精或丙酮清洗旋壓坯料3表面的油脂和污垢，然后干燥，接著在旋壓坯料3的相對激光加工頭45一側表面預置吸光涂層；

(3)將旋壓坯料3卡緊在芯模22上；

(4)通過數字控制系統11，預設旋輪21的初始位置和/或角度γ；

(5)通過加熱控制系統41移動和/或轉動六自由度機器人44，調整激光加工頭45的初始位置和/或角度β，預設激光光斑與局部變形區D的相對位置，包括相對圓周角α和軸向間距Δ；

(6)采用磁性工具將測溫裝置46固定在激光加工頭45或六自由度機器人44的末端，將其對準加熱區域A的測溫區；

(7)同時啟動旋壓程序和加熱程序，主軸14帶動固定在其上的芯模22轉動，旋壓坯料3也隨之轉動，與此同時，激光器42出光，通過激光加工頭45對旋壓坯料3表面進行輻照；

(8)在數字控制系統11和加熱控制系統41的共同控制下，旋輪21和激光加工頭45在保持預設距離Δ的同時，同步進給，旋輪21對加熱區域A內的材料進行碾壓，測溫裝置46將測溫區內的溫度實時反饋給加熱控制系統41，以保證加熱區域A的溫度符合旋壓成形的要求；

(9)成形結束后，系統初始化，激光器42停止出光，激光加熱頭45和旋輪21各自回到初始位置；

(10)主軸14停轉，尾頂12松開，卸下旋壓件。

本方法工作原理如下：

(1)采用連續激光作為加熱源，對旋壓坯料3表面進行輻照，形成輻照區域B，由于吸收激光能量，輻照區域B及其周圍區域的溫度迅速升高，形成加熱區域A，當加熱至溫度升高至某一范圍(低于旋壓坯料3的再結晶溫度)時，加熱區域A內的材料的可旋壓性得到提升，有利于成形加工；

(2)利用六自由度機器人44加工系統控制激光加工頭45的運動，實現對激光加工頭45相對于旋壓坯料3表面的位置的調整和二者間的相對運動的控制，配合以相應的激光參數，可實現對加熱區域A分布狀況、加熱溫度和加熱深度的精確控制，將加熱溫度控制在熱旋成形需要的區間內，加熱深度以不加熱旋壓工藝裝備2為宜，減小加熱對設備的損傷；

(3)根據旋壓坯料3的幾何參數、材料以及旋壓程序工藝參數，設計激光加熱軌跡，并確定激光輸出功率和輻照區域B的位置和大小，在加熱控制系統41中形成激光加熱程序，旋壓成形過程中，加熱控制系統41除了控制激光器42外，還控制六自由度機器人44的運動，進而通過激光加工頭45實現激光加熱軌跡在旋壓坯料表面的加載，保證成形過程中，旋輪21產生的局部變形區D始終處于激光加熱作用形成的加熱區域A內，且局部變形區D內表面與外表面的溫度均滿足旋壓加工要求；

(4)測溫裝置46對加熱區域A的溫度進行實時檢測，通過閉環控制系統對激光器42輸出功率和激光光斑大小的調整，保持加熱區域A溫度的穩定，達到實現對加熱過程的精確控制，以便實現自動化生產；

(5)對于激光吸收率低的材料，在激光加熱旋壓前使用酒精或丙酮清洗旋壓坯料3表面的油脂和污垢，然后干燥，接著在旋壓坯料3的相對激光加工頭45一側表面預置吸光涂層，提高材料對激光的吸收率。

實施例一：AZ31鎂合金流動旋壓

AZ31鎂合金在常溫下無法進行塑形加工，需加熱至200-350℃方可旋壓，且易氧化，對激光吸收率低；流動旋壓又稱筒形件強力旋壓，將筒形件的壁厚為由初始值t₀減薄至工件壁厚為t工件，形狀不發生變化，成形多采用多個旋輪的形式進行加工(旋輪沿圓周方向均勻分布)，生產中常采用雙旋輪或三旋輪方式；成形工藝包括正旋和反旋兩種。本例中采用反旋工藝(在旋壓工藝裝備中增加卡盤23)將初始壁厚為3.5mm，長度為40mm，旋制為壁厚為1.5mm，長度為93mm的工件，成形采用雙旋輪進行，旋輪21按180°布置，分列在旋壓設備主軸14的兩側。

按上述工作過程進行AZ31鎂合金流動旋壓，還包括如下步驟：

根據成形零件的形狀、尺寸和材料，設計旋壓成形工藝參數所述參數包括：主軸轉速為450r/min、進給速率為0.25mm/s和壓下量為2mm；

根據旋壓成形工藝參數/或旋輪軌跡，以及材料對加熱溫度的要求，設計激光加熱參數(用于成形過程中旋壓坯料3形狀不變，故采用與旋輪21加載一樣的軌跡，此處無須設計)，激光加熱參數包括光斑直徑6mm和激光器額定功率1500w(輸出功率1498w)；

使用酒精或丙酮清洗AZ31鎂合金筒(旋壓坯料3)外表面的油脂和污垢，并干燥，然后在其外側表面預置碳粉，最后將AZ31鎂合金筒推至卡盤23處，成形時旋輪21碾壓坯料，將其卡緊在芯模22上；

移動六自由度機器人44，使激光加工頭45輸出激光垂直入射至旋壓坯料3的表面(初始角度β為90°)，激光光斑與局部變形區D、D’間相對圓周角α為90°和軸向間距Δ為4mm；

將紅外攝像儀固定在激光加工頭45上，將其攝像頭對準輻照區域B(在加熱區域A內)；

同時啟動旋壓程序和加熱程序，旋輪21和激光加工頭45在保持預設距離Δ同步進給，旋輪21對局部變形區D、D’內的材料進行碾壓，在此過程中，溫度閉環控制系統將輻照區域B的溫度控制在300—350℃范圍內。

常溫下無法成形的AZ31鎂合金筒，采用基于激光加熱旋壓方法順利成形，總耗時170秒(包括坯料裝夾、流動旋壓成形以及卸料)，與傳統的爐內加熱(爐內加熱耗時需以小時計)和電感應加熱(預熱耗時需以分鐘計)相比，加熱效率高，大大縮短了加工周期。由于加熱時間短，可直接采用冷旋設備和工藝裝備進行生產，不需要采用熱旋工藝裝備，也不需要對在旋壓設備上增加隔熱元件或冷卻裝置；同時成形質量高，旋壓件表面粗糙度為Ra0.8μm，無氧化皮，減少了材料的損耗。

實施例二：0Cr18Ni9不銹鋼單道次拉深旋壓

與實施例一不同之處在于：

成形工藝為拉深旋壓，需將壁厚t₀為1.6mm的圓形平板旋制成壁厚t為1.6mm的杯形件，即壁厚不變，形狀發生變化，同時成形采用單旋輪21進行。

成形材料為0Cr18Ni9不銹鋼，該材料是奧氏體不銹鋼，在常溫下具有良好的塑性，但變形過程中，易誘發馬氏體，從而導致破裂。在室溫下進行加工時，宜采用多道次旋壓成形，減少應變誘發馬氏體的影響，為減少加工硬化的影響，需要在道次間增加退火工序；由于回彈的存在，旋壓件的成形精度較差。

旋壓成形工藝參數包括：主軸轉速200r/min、進給速率為0.1mm/s(采用單道次加工，不許設置旋輪加載軌跡)；

材料的加熱溫度范圍600-800℃，激光加熱參數包括光斑直徑5mm和激光器42額定功率2200w(輸出功率2190w)，由于成形過程中旋壓坯料的形狀不斷發生變化，需設計激光加熱軌跡；

0Cr18Ni9不銹鋼不需要進行預處理，旋壓坯料3為平板型，通過尾頂12頂緊在芯模22上；

激光加工頭45輸出激光傾斜入射至旋壓坯料3的表面，入射的初始角度β為60°)，激光光斑與局部變形區D間相對圓周角α為45°和軸向間距Δ為2.5mm；

采用比色測溫儀對處于加熱區域A中靠近局部變形區D一側的測溫區C進行溫度測量，控制的溫度為690—720℃。

盡管0Cr18Ni9不銹鋼在常溫下可以成形，但其可旋性差，對于直徑為150mm的0Cr18Ni9板坯，至少需要兩道次方能將其成為內徑為100mm的杯形件，且成形工藝窗口小，易出現成形缺陷，但采用基于激光加熱的旋壓方式，單道次即可完成成形，且無成形缺陷，同時旋壓件的回彈減少了15％。因此，基于激光加熱的方法可提高材料的成形極限，即提高材料的可旋性，減少了成形道次，并可省略道次間的熱處理工序，提高了生產效率，同時還可以提高旋壓件的成形精度。

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。