一种基于激光熔覆的机床主轴再制造方法

摘要

本分明涉及一种基于激光熔覆的机床主轴再制造方法，属于激光再制造技术领。包含七个步骤：1：清洗主轴表面，去除油污；2：根据零部件损伤机理及损伤特征理论，应用检测技术，对回收零部件进行检测；3：根据主轴损伤检测结果，对其剩余价值进行综合分析，并判断是否对主轴进行再制造；4：根据激光再制造技术要求，去除主轴损伤表层；5：选择工艺及材料对主轴进行激光再制造加工，在主轴表面形成冶金结合激光熔覆层；6：后处理使主轴恢复原有尺寸及精度；7：检测并判断修复质量，若修复质量不合格，则返回步骤4重新进行再制造；若合格则主轴激光再制造完成。本发明主轴再制造工艺过程规范，最终得到抗拉强度与显微硬度良好的主轴表面涂层。

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于激光熔覆的机床主轴再制造方法，属于激光再制造技术领域。

背景技术

对受损主轴进行再制造时，再制造工艺的选择与实施效果直接决定了再制造主轴的修复质量与性能，是影响主轴能否达到质量要求，重新投入使用的关键所在。

应用激光再制造技术对失效主轴进行再制造，可在其表面形成高强度金属涂层，从而达到修复主轴表面损伤，延长主轴使用寿命的目的。但激光再制造工艺过程复杂，且根据不同工艺实施水平，涂层成形质量差异较大。因此，迫切需要提出一种基于激光熔覆的机床主轴再制造方法，提升主轴再制造质量。

发明内容

针对上述不足，本发明提供一种基于激光熔覆的机床主轴再制造方法，该方法对受损主轴进行激光再制造，可明晰再制造工艺步骤，规范再制造工艺流程，最终提升主轴再制造质量。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案实现：

一种基于激光熔覆的机床主轴再制造方法，步骤如下：

步骤1：使用清水、酒精、丙酮清洗剂等清洗待修复主轴表面，去除油污、灰尘等杂质，暴露其损伤部位；

步骤2：根据零部件损伤机理及损伤特征理论，应用检测技术，对回收的零部件进行检测，检测内容主要包括局部变形、磨损、裂纹等缺陷；

步骤3：根据主轴的损伤检测结果，对其剩余价值进行综合分析，并判断是否对该主轴进行再制造；

步骤4：根据激光再制造技术要求，去除主轴的损伤表层，并使用清洗剂清洗干净；

步骤5：选择工艺及材料对主轴进行激光再制造加工，在主轴表面形成冶金结合的激光熔覆层；

步骤6：对修复后的熔覆层表面进行后处理，使主轴恢复原有尺寸及精度；

步骤7：对修复后的主轴进行尺寸精度及力学性能检测并判断修复质量，若修复质量不合格，则返回步骤4重新进行再制造；若合格则主轴激光再制造完成。

作为本发明的一种优选方案，所述步骤4及步骤6中的加工方式包括车削、磨削。

作为本发明的一种优选方案，所述步骤5中的激光加工方式为光内同轴送粉激光熔覆，送粉方式为四路送粉，保护气为氩气，光斑直径为2mm(毫米)。

作为本发明的一种优选方案，所述步骤7中的力学性能检测包括显微硬度及抗拉强度。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明提供了一种基于激光熔覆的机床主轴再制造方法，能够对从主轴回收到完成再制造的全再制造周期进行细致而综合的分析，全面考虑可能对修复质量产生影响的因素，继而可对主轴激光在制造工艺过程提供指导，最后得到修复质量较高的再制造主轴。

附图说明

图1为主轴激光再制造工艺流程图。

图2为3D打印设备结构示意图。

图3为回收的受损CW6163车床主轴。

图4a和4b为失效主轴表面损伤情况图，其中图4a中为典型的磨料磨损，图4b为粘着磨损。

图5为使用GOM软件进行主轴形变检测。

图6为完成预处理的再制造主轴毛坯。

图7为主轴激光熔覆规划路径示意图。

图8为完成激光熔覆的主轴表面。

图9为完成后处理的主轴表面。

图10为主轴修复层的显微硬度检测。

图11为主轴修复层的抗拉强度检测。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。图中序号说明：1-激光器，2-传输光纤，3-水冷机，4-加工头，5-机床主体，6-送粉器，7-整机运动控制系统，8-快速成型软件，9-铣刀。图1为主轴激光再制造工艺流程图。如图1所示，首先，进行主轴表面清洗；接着进行主轴损伤检测和剩余价值评估；如果不具有再制造价值，则报废处理，如果具有再制造价值，则依次进行损伤表面预处理、激光再制造加工、再制造后处理；然后进行修复质量检测，如质量不合格，则再依次进行损伤表面预处理、激光再制造加工、再制造后处理，如质量合格，则再制造完成。图2为3D打印设备结构示意图，如图所示，该3D打印设备包括激光器1，传输光纤2，水冷机3，加工头4，机床主体5，送粉器6，整机运动控制系统7，快速成型软件8，铣刀9，由此可进行激光再制造加工。图3示出了回收的受损CW6163车床主轴。

本实施例的方法如下所述：

使用清水、酒精、丙酮清洗剂等清洗待修复主轴表面，去除油污、灰尘等杂质，暴露其损伤部位。

根据零部件损伤机理及损伤特征理论，应用检测技术，对回收的零部件进行检测，检测内容主要包括局部变形、磨损、裂纹等缺陷；

观察主轴表面存在严重的磨损情况。其中图4a中为典型的磨料磨损。主轴在长期的挤压下形成压痕，并因为磨屑掉落切割并切割轴体，产生多道划痕；图4b为粘着磨损，可观察到明显的粘着点擦伤。

使用GOM光学扫描仪对该主轴的形变进行分析，得到结果如图5。长期使用后的主轴顶部末端发生了严重形变，最大形变量已达到0.2139mm。如图5所示，为使用GOM软件进行主轴形变检测。

采用机加工手段去除损伤部位。由于待修复的主轴外圆柱面为回转体表面，因此选择使用CAK6150普通车床车削轴段外表面，去除规定尺寸之外的主轴变形量及损伤痕迹。完成处理的待修复毛坯如图6，可直接用于激光再制造。

激光再制造材料选择：主轴的基体材料为45#钢，选择了粒度为200目的304不锈钢铁基自熔性合金粉末作为修复材料。材料元素成分如下表1。

表1 45#钢与304不锈钢元素成分对比表

两种材料的熔点与热膨胀系数较为接近，如下表2。形成的激光修复层能有效减少内部应力，达到良好的修复效果。

表2材料特性对比

激光熔覆路径规划：激光加工时固定激光头位置，通过使主轴绕轴线旋转的方式使激光加工沿着主轴的回转路径进行。以主轴旋转一周生成的轨迹为一条熔覆道，再平移主轴进行各道熔覆道之间的搭接。设定搭接率为40％。如图7所示，为主轴激光熔覆规划路径示意图。

再制造加工：采用同轴送粉激光熔覆的方式对受损主轴进行再制造。设定激光功率、激光扫描速度、送粉速度等工艺参数如下表所示。

表3主轴激光再制造工艺参数表

完成激光再制造的主轴如图8。初步判断其表面较为平整，无明显缺陷。

对完成激光再制造加工的主轴进行后处理。依次使用车床及使用外圆磨床打磨修复层外表面，使主轴表面粗糙度达到要求。完成后处理的再制造主轴如图9。

使用显微硬度计及抗拉试验机等设备测试修复区域的显微硬度，抗拉强度等性能，得到的数据如图10、11。在图10、11中，英文“cladding layer”为熔覆层，“Stress”为强度，“Strain”为压力。

综合分析检测结果表明，轴类零件熔覆层熔覆形貌良好，搭接致密。修复轴熔覆层的硬度为46～50.3HRC。修复后主轴可承受的最大载荷为20.72kN(千牛)，强度极限为886.86MPa(兆帕)，屈服极限为472.1MPa，达到了主轴质量标准。因此，再制造后的主轴符合实际工况需求。

以上优选的实施方式只为说明本发明的技术构思和特点，目的在于让本领域的技术人员了解本发明的内容并加以实施，并不能以此来限制本发明的保护范围，凡是根据本发明实质所做出的等效变化或修饰均属于本发明的保护范围。