CN107150175A - 损伤齿轮激光实时动态熔覆修复及应力调控***及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了损伤齿轮激光实时动态熔覆修复及应力调控***，包括分别与中控***连接的光学红外耦合动态监测与测量***、激光熔覆***、激光冲击***、夹持台；通过熔覆激光的热效应，实现熔覆材料的熔覆；通过冲击激光的辐照材料时产生的冲击波，作用于激光熔覆层材料表面，实现对激光熔覆层的强化，消除激光熔覆过程中在熔覆层内产生的气孔、稀疏组织等缺陷。该修复方法适用于齿轮疲劳裂纹、点蚀、断齿、齿面磨损等失效形式，通过激光熔覆修复，快速实现齿轮齿廓形状恢复，不浪费融覆材料；通过激光冲击应力调控，消除了激光熔覆过程中产生的缺陷，保证修复齿轮的力学性能，后续不需要复杂的机械加工，提高了修复效率，降低了齿轮修复成本。

Description

损伤齿轮激光实时动态熔覆修复及应力调控***及方法
技术领域
本发明涉及一种实时修复损伤齿轮的激光***及方法，具体涉及一种损伤齿轮激光实时动态熔覆修复及应力调控***及方法。
背景技术
齿轮是机械应用领域重要的传动构件，在整个国民生产中具有广泛的应用。轮的失效形式主要包括齿面点蚀、轮齿磨损、断齿等。对于一些大尺寸合金硬齿轮，由于生产加工周期长、加工过程刀具损耗量大、加工材料价格昂贵等原因，增加了企业直接更换损伤齿轮的成本。因此出现了一些对损伤齿轮修复的工艺方法研究。齿轮的常见修复工艺有堆焊、熔覆、电弧沉积、激光熔覆等方式。
申请号为201110326721.8 的发明专利公开一种硬齿面齿轮及硬齿面齿轮修复工艺，包括前期处理阶段，预处理硬齿面齿轮，使硬齿面齿轮达到修复要求；修复阶段，使硬齿面齿轮表面形成熔覆层；加工阶段，加工经过修复阶段的硬齿面齿轮，使硬齿面齿轮达到修复标准。即是在经过预处理的齿轮上融覆合金材料，然后加工到原设计尺寸，从而实现了齿轮的修复再利用，一定程度上节约了企业成本。上述修复工艺虽能满足基本需要，但是采用该工艺修复后的齿轮均需进行机械加工，使修复部位达到设计尺寸，既增加了修复工作量，又浪费贵重的合金材料，使齿轮的修复成本增加。
申请号为201310239780.0的发明专利涉及一种齿轮的激光修复工艺。该工艺过程包括以下步骤：首先对损伤齿轮表面进行处理和失效分析，然后对齿轮进行整体预热和待修复部位的局部预热，根据失效分析结果，优化工艺参数，进行逐层激光熔覆，最后对修复齿轮进行检测。该修复工艺虽然实现了损伤齿轮尺寸达到使用要求。但工艺过程复杂，加工效率低，不能满足快速生产这样的要求。
申请号为201510554398.8的发明专利，公开了一种损伤齿轮齿面激光3D打印修复方法。该方法首先采用大光斑激光束对清洗后的齿轮进行扫描预熔，消除齿轮上的疲劳裂纹；然后选定基准位置，采用图像识别方式检测齿轮轮廓形状，并在计算机上建立三维模型，与原设计图纸比对，确定各点的修复尺寸；然后采用3D激光打印机逐点打印，进行融覆修复，并对融覆后的齿廓进行图像识别检测，以确定下一轮融覆量，直至所有齿廓形状达到原设计尺寸。该方法实现了工艺过程的快速实现，提高了修复效率，降低了齿轮修复成本。但是该方法与前述方法普遍存在无法消除激光熔覆过程中在熔覆层内气孔、稀疏组织等缺陷的产生，致使修复齿轮性能得不到保证。
本发明通过激光熔覆过程中，同步耦合脉冲激光对熔覆区域同步的激光冲击处理，消除激光熔覆过程中在熔覆层内产生的气孔、稀疏组织等缺陷。
发明内容
为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种提高修复效率，降低修复成本，保证修复后齿轮性能，且适用于各种形式失效齿轮的激光实时动态熔覆修复及冲击应力调控***及方法。
为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：
损伤齿轮激光实时动态熔覆修复及应力调控***，包括分别与中控***连接的光学红外耦合动态监测与测量***、激光熔覆***、激光冲击***、夹持台；
所述中控***根据光学红外耦合动态监测与测量***实时反馈的固定在夹持台上损伤齿轮的信息，驱动激光熔覆***和激光冲击***修复损伤齿轮。
上述夹持台为五轴联动平台，包括嵌入平台的半球形台面和通过支撑柱连接平台的环形架，
所述平台和半球形平台的结合面设有X向转轴和Y向转轴；
所述支撑柱纵向可伸缩；
所述环形架包括外圈轨道和内圈轨道，分别用于架设激光熔覆***的熔覆头和激光冲击***的冲击头；
所述支撑柱、外圈轨道、内圈轨道和X向转轴、Y向转轴由中控***驱动。
上述的损伤齿轮激光实时动态熔覆修复及应力调控***的方法，包括以下步骤：
S1：对损伤齿轮表面处理，包括除油、除锈；
S2：将上述损伤齿轮固定在半球形台面上；
S3：利用光学红外耦合动态监测与测量***对损伤齿轮进行检测与测量，中控***根据测量结果建立实时动态三维模型；
S4：中控***将实时动态三维模型与齿轮原三维设计模型进行对比，确定修复方案，包括修复位置及修复量；
S5：中控***根据修复方案，设计激光熔覆与应力调控激光冲击路径；
S6：中控***根据上述路径驱动激光熔覆***、激光冲击***修复损伤齿轮，并同时通过光学红外耦合动态监测与测量***对损伤齿轮进行实时动态监控，中控***根据监控结果同步更新实时动态三维模型；
S7：重复上述步骤S4、S5和S6，至实时动态三维模型与齿轮原三维设计模型吻合，完成修复；
S8、利用打磨工艺微细修整上述完成修复的齿轮齿廓表面，提高齿面表面质量。
上述步骤S6中激光熔覆***中熔覆激光的参数为：激光光斑半径为0.2~4mm，激光脉冲宽度为5~30ms，激光功率密度为5~30×109W/m2，激光脉冲频率15~50Hz，扫描速度为0.5~10mm。
上述步骤S6中激光冲击***中的冲击激光参数为：激光半径0.3~4mm，激光脉冲宽度为18~55ns，激光能量为1~10J，激光脉冲频率10~50Hz。
上述步骤S1中表面处理，包括以下步骤：
A1、用酒精溶液清洗损伤齿轮表面，去除油渍；
A2、用稀盐酸溶液去除损伤齿轮表面的锈渍；
A3、去离子水冲洗后，冷风吹干。
上述步骤S3和S6中的光学红外耦合监测与测量***由光学扫描成像***和红外成像***耦合而成，两***分别独立成像，所成影像经中控***处理后，耦合成实时动态三维模型。
本发明的有益之处在于：
本发明的损伤齿轮激光实时动态熔覆修复及应力调控***及方法，通过熔覆激光的热效应，实现熔覆材料的熔覆；通过冲击激光的辐照材料时产生的冲击波，作用于激光熔覆层材料表面，实现对激光熔覆层的强化，消除激光熔覆过程中在熔覆层内产生的气孔、稀疏组织等缺陷。
该修复方法适用于齿轮疲劳裂纹、点蚀、断齿、齿面磨损等失效形式，通过激光熔覆修复，快速实现齿轮齿廓形状恢复，不浪费融覆材料；通过激光冲击应力调控，消除了激光熔覆过程中产生的缺陷，保证修复齿轮的力学性能，且后续不需要复杂的机械加工，大大提高了修复效率，降低了齿轮修复成本。
五轴联动平台上搭载熔覆头和冲击头，辅助激光熔覆***和激光冲击***，实现全方位、多角度的熔覆和冲击，并辅助红外耦合动态监测与测量***更新实时动态三维模型，即时对比、即时修正、即时修复，保证损伤齿轮修复的一次性和完整性。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明的五轴联动平台的结构示意图。
附图中标记的含义如下：1、中控***，2、光学红外耦合动态监测与测量***，3、激光熔覆***，4、激光熔覆***，5、五轴联动平台，6、损伤齿轮，7、平台，8、支撑柱，9、内圈轨道，10、外圈轨道，11、熔覆头，12、冲击头，13、半球形台面，14、X向转轴，15、Y向转轴。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作具体的介绍。
损伤齿轮激光实时动态熔覆修复及应力调控***，包括分别与中控***连接的光学红外耦合动态监测与测量***、激光熔覆***、激光冲击***、五轴联动平台；
中控***根据光学红外耦合动态监测与测量***实时反馈的固定在五轴联动平台上损伤齿轮的信息，驱动激光熔覆***和激光冲击***修复损伤齿轮。
五轴联动平台，包括嵌入平台的半球形台面和通过支撑柱连接平台的环形架，平台和半球形平台的结合面设有X向转轴和Y向转轴；支撑柱纵向可伸缩；环形架包括外圈轨道和内圈轨道，分别用于架设激光熔覆***的熔覆头和激光冲击***的冲击头；支撑柱、外圈轨道、内圈轨道和X向转轴、Y向转轴由中控***驱动。
五轴联动平台分为上、下两部分。
上部分搭载了激光熔覆头和激光冲击头，熔覆头和冲击头可分别通过外圈轨道、内圈轨道在水平面作圆形转动，并通过支撑柱纵向调节高度。
下半部分为平台和半球形台面两部分，半球形台面通过底部的X向转轴、Y向转轴，带动台面上的损伤齿轮实现周向转动。
损伤齿轮激光实时动态熔覆修复及应力调控***的方法，包括以下步骤：
S1：对损伤齿轮表面处理，包括以下步骤：
A1、用酒精溶液清洗损伤齿轮表面，去除油渍；
A2、用稀盐酸溶液去除损伤齿轮表面的锈渍；
A3、去离子水冲洗后，冷风吹干；
S2：将上述损伤齿轮固定在半球形台面上；
S3：利用光学红外耦合动态监测与测量***对损伤齿轮进行检测与测量，光学扫描成像***和红外成像***分别独立成像，所成影像经中控***处理后，耦合成实时动态三维模型；
该***可实现静态和动态过程的测量，对修复齿轮进行实时动态模型再构建；同时在激光熔覆过程中，可以通过红外***对熔覆过程进行监测；
S4：中控***将实时动态三维模型与齿轮原三维设计模型进行对比，确定修复方案，包括修复位置及修复量；
S5：中控***根据修复方案，设计激光熔覆与应力调控激光冲击路径；
S6：中控***根据上述路径驱动激光熔覆***、激光冲击***修复损伤齿轮，并同时通过光学红外耦合动态监测与测量***对损伤齿轮进行实时动态监控，中控***根据监控结果同步更新实时动态三维模型；
激光熔覆***中熔覆激光的参数为：激光光斑半径为0.2~4mm，激光脉冲宽度为5~30ms，激光功率密度为5~30×109W/m2，激光脉冲频率15~50Hz，扫描速度为0.5~10mm；
激光冲击***中的冲击激光参数为：激光半径0.3~4mm，激光脉冲宽度为18~55ns，激光能量为1~10J，激光脉冲频率10~50Hz；
S7：重复上述步骤S4、S5和S6，至实时动态三维模型与齿轮原三维设计模型吻合，完成修复；
S8、利用打磨工艺微细修整上述完成修复的齿轮齿廓表面，提高齿面表面质量。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.损伤齿轮激光实时动态熔覆修复及应力调控***，其特征在于，包括分别与中控***连接的光学红外耦合动态监测与测量***、激光熔覆***、激光冲击***、夹持台；
所述中控***根据光学红外耦合动态监测与测量***实时反馈的固定在夹持台上损伤齿轮的信息，驱动激光熔覆***和激光冲击***修复损伤齿轮。
2.根据权利要求1所述的损伤齿轮激光实时动态熔覆修复及应力调控***，其特征在于，所述夹持台为五轴联动平台，包括嵌入平台的半球形台面和通过支撑柱连接平台的环形架，
所述平台和半球形平台的结合面设有X向转轴和Y向转轴；
所述支撑柱纵向可伸缩；
所述环形架包括外圈轨道和内圈轨道，分别用于架设激光熔覆***的熔覆头和激光冲击***的冲击头；
所述支撑柱、外圈轨道、内圈轨道和X向转轴、Y向转轴由中控***驱动。
3.根据权利要求1-2所述的损伤齿轮激光实时动态熔覆修复及应力调控***的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：对损伤齿轮表面处理，包括除油、除锈；
S2：将上述损伤齿轮固定在半球形台面上；
S3：利用光学红外耦合动态监测与测量***对损伤齿轮进行检测与测量，中控***根据测量结果建立实时动态三维模型；
S4：中控***将实时动态三维模型与齿轮原三维设计模型进行对比，确定修复方案，包括修复位置及修复量；
S5：中控***根据修复方案，设计激光熔覆与应力调控激光冲击路径；
S6：中控***根据上述路径驱动激光熔覆***、激光冲击***修复损伤齿轮，并同时通过光学红外耦合动态监测与测量***对损伤齿轮进行实时动态监控，中控***根据监控结果同步更新实时动态三维模型；
S7：重复上述步骤S4、S5和S6，至实时动态三维模型与齿轮原三维设计模型吻合，完成修复；
S8、利用打磨工艺微细修整上述完成修复的齿轮齿廓表面，提高齿面表面质量。
4.根据权利要求3所述的损伤齿轮激光实时动态熔覆修复及冲击应力调控方法，其特征在于，所述步骤S6中激光熔覆***中熔覆激光的参数为：激光光斑半径为0.2~4mm，激光脉冲宽度为5~30ms，激光功率密度为5~30×109W/m2，激光脉冲频率15~50Hz，扫描速度为0.5~10mm。
5.根据权利要求3所述的损伤齿轮激光实时动态熔覆修复及冲击应力调控方法，其特征在于，所述步骤S6中激光冲击***中的冲击激光参数为：激光半径0.3~4mm，激光脉冲宽度为18~55ns，激光能量为1~10J，激光脉冲频率10~50Hz。
6.根据权利要求3所述的损伤齿轮激光实时动态熔覆修复及冲击应力调控方法，其特征在于，所述步骤S1中表面处理，包括以下步骤：
A1、用酒精溶液清洗损伤齿轮表面，去除油渍；
A2、用稀盐酸溶液去除损伤齿轮表面的锈渍；
A3、去离子水冲洗后，冷风吹干。
7.根据权利要求3所述的损伤齿轮激光实时动态熔覆修复及冲击应力调控方法，其特征在于，所述步骤S3和S6中的光学红外耦合监测与测量***由光学扫描成像***和红外成像***耦合而成，两***分别独立成像，所成影像经中控***处理后，耦合成实时动态三维模型。
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Application publication date: 20170912

Assignee: CHANGZHOU GUOFENG MACHINERY CO.,LTD.

Assignor: HUAIYIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY

Contract record no.: X2022980025819

Denomination of invention: System and method of real-time dynamic laser cladding repair and stress control for damaged gears

Granted publication date: 20190614

License type: Common License

Record date: 20221212