热作模具表面多点组合式仿生加工设备及强化修复方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种热作模具表面多点组合式的仿生加工设备及热作模具表面加工方法，用于处理并修复表面复杂化多样化同时在热疲劳磨损以及冲蚀磨损条件失效的热作模具。
【背景技术】
[0002]目前，热作模具主要用于热变形加工和压力铸造的模具。其工作特点是在再结晶温度以上使金属材料产生一定的塑性变形，或使高温的液态金属铸造成形。从而获得所需形状的零件或者精密毛坯。热作模具型腔内的磨损与冷作模具磨损的形成因素不同。热模锻的磨损主要是模具与被加工的红热金属坯料之间的摩擦得不到润滑，被红热的金属坯料氧化，型腔表面层被回火软化，而氧化又加剧了磨损，同时发生氧化磨损和粘着磨损。磨损不仅破坏模具的尺寸精度，使锻件差，也可以使模具表面出现擦伤沟槽，因而破坏锻件的表面粗糙度。此外，擦伤沟槽又是热疲劳裂纹的萌生处。由于擦伤沟槽破坏了锻件的表面粗糙度，或是由于擦伤沟槽诱发了热疲劳开裂而使模具失效。同时模具开裂也是主要的失效形式断裂和开裂失效在热锻模中约占总失效量的20%?25%，在压铸模中约占5%?10%左右。实践表明，如模块热处理后的硬度偏高，易产生早期脆断。模块硬度提高后，将降低钢的断裂韧度及冲击韧度，显著地增加脆断倾向。模块硬度提高，又使模具的冷热疲劳抗力降低，这就使模具型腔表面过早地产生热疲劳裂纹，由于钢的断裂韧度较低，使热疲劳裂纹的尺寸很小就可能达到临界尺寸，进而迅速失稳扩展导致模具脆断。目前采用激光仿生加工的方法可以大幅度的提高模具寿命，但是基于热作模具的结构复杂化，品种多样化，普通的激光仿生设备难以高效成批量的完成模具加工因此，开发一种能够高效快速多角度同时对热作模具进行加工的激光加工仿生装备，对提高热作模具寿命，提高产业生产效率有非常重要的意义。
【发明内容】
[0003]本发明要解决的技术问题是提供一种热作模具表面多点组合式的仿生加工设备，该设备可以利用激光熔凝和熔覆技术对单个热作模具表面进行多点组合式仿生强化处理，也可以同时对两个热作模具进行多点组合式仿生强化处理，改善其表面组织的耐磨性，工艺简单，成本低，效率高。
[0004]为了解决上述技术问题，本发明的热作模具表面多点组合式的仿生加工设备包括六自由度机器人，计算机，旋转工作台，激光器，第一激光头夹板，第二激光头夹板；所述旋转工作台包括底座，旋转伺服装置，转台；旋转伺服装置安装在底座上，转台固定在旋转伺服装置的驱动轴上；计算机与六自由度机器人的伺服控制系统、激光器、旋转工作台的旋转伺服装置连接；激光器包含多个光纤激光头；第一激光头夹板安装固定在六自由度机器人的旋转头上；第二激光头夹板位于转台上方。
[0005]本发明可以通过第一激光头夹板将多个光纤激光头装夹在六自由度机器人旋转头上，将待加工热作模具置于底面上，对其上圆形区域或其他任意形状区域进行激光处理，方便于对大型模具进行激光加工；可以通过第二激光头夹板将多个光纤激光头装夹在工作台上方，将待加工热作模具置于工作台上，对其上圆形区域或其他任意形状区域进行激光处理；可以将一个或多个光纤激光头装夹在第一激光头夹板，其余光纤激光头装夹在第二激光头夹板，同时对工作台上的热作模具进行圆形轨迹仿生单元体加工和地面上的热作模具进行任意形状单元体激光处理，以提高加工效率。
[0006]所述第一激光头夹板上加工有一个长条形孔或者多个通孔，各光纤激光头通过开口套和锁紧螺母安装固定在激光头夹板长条形孔或者通孔处。
[0007]或者，所述第一激光头夹板上加工有沟槽且沿沟槽方向加工长条形孔；各光纤激光头通过开口套和锁紧螺母安装固定在第一激光头夹板长条形孔上；可以根据加工需要调整各光纤激光头之间的距离。
[0008]所述第二激光头夹板上加工有长条形孔，各光纤激光头通过开口套和锁紧螺母安装固定在第二激光头夹板长条形孔处；支架固定于旋转工作台的底座上或地面上；第二激光头夹板安装在支架上，可绕支架转动。
[0009]本发明的有益效果:
[0010]1.本发明可以针对热作模具表面易产生疲劳裂纹的部位以及已报废模具的磨损部位，设计加工路径，采用不同分光方式的光路组合与不同运动轨迹的加工方式组合的多元化组合式加工方法，由6自由度机械手带激光头加工方法和激光头固定，模具在转台做旋转运动加工方式，同时也可以采取两种方式同时加工的方法对模具进行表面处理。根据不同的路径参数，选定激光头的个数、每个激光头的出光功率在模具表面加工出深浅不一，不同形状的仿生单元体。
[0011]2.热作模具大多具有表面规则不确定，多样性的特点，无法批量化，程式化大规模加工。很难在加工的同时保证加工效率，为了进一步提高热作模具处理效率，需要采用组合式加工设备满足热作模具复杂的加工路径要求。
[0012]3.在热作模具表面，根据其失效形式，采用激光熔凝和熔敷的方法制备类似生物体中硬质单元体，在热作模具表面，不同区域的失效形式不同，加工手段也不尽相同，同样采用激光处理，不同位置的激光参数，处理区域的处理形状都千差万别。组合式激光加工设备是采用光路数量、移动轨迹、激光参数的多种相关加工条件的多元组合，使热作模具在加工时可以一次性完成加工，不需要多次调整参数。
[0013]4.在用激光加工的方式处理热作模具时，激光的加工轨迹采用组合式运动方式来完成不同的失效部位其仿生加工是不同的，针对多种失效方式组合式激光仿生加工可以同时对多个部位进行同时加工。并且每个处理部位的单元体深度，大小，形状均不相同，对于一个模具的多个加工路径，机械手和伺服回转平台可以根据加工表面的复杂程度，加工面积大小共同组合运动，机械手在复杂表面带动激光头运动进行加工，伺服转台匀速转动便于圆形模具加工，同时多路激光同时工作，可以同时完成大面积区域的处理加工，避免了模具的反复装卡，以及激光参数的反复调整。
[0014]5.根据模具激光处理时需要的时的表面材料强度，设计激光参数。包括处理面积的大小，决定采用几路激光进行处理，预设1-4路激光，每个激光头可以单独工作，也可以同时工作。根据激光所需能量不同采用时间分光和能量分光两种方法，时间分光每路光依次按时间先后顺序从各路光纤输出，每路激光能量在0-1200W之间；能量分光每路激光能量相同，最多可分为4路，如果4路光同时输出，4路激光输出能量总和在0-1200W之间。激光的输出能量与输出光路数量与运动轨迹相组合，即保证了加工路径的复杂性，又保证了加工时不同位置不同能量的需求，在提高效率的同时，节约了成本，使模具的使用寿命较普通激光加工还有所提尚。
[0015]6.组合式加工设备，是指在一套热作模具加工时，需要处理的位置不同，所需的激光能量也不同，所需的激光能量也不同，在同一路径上由电脑控制激光参数和移动轨迹，机器人和伺服转台分别可配4跟光纤，根据现场加工需要进行分配，同时在加工路径上根据加工位置分配加光光路数量和能量，根据加工路径选择机器人或者伺服转台的组合方式。
[0016]利用上述热作模具表面多点组合式的仿生加工设备对热作模具表面进行加工的方法，可以采用下述三种技术方案。
[0017]技术方案一
[0018]利用上述热作模具表面多点组合式的仿生加工设备对热作模具表面进行强化修复的方法，包括下述步骤:
[0019]一、将A热作模具固定于旋转工作台上，B热作模具置于地面上，根据A热作模具和B热作模具表面各待加工处理区域的形状、尺寸确定加工路径并确定装夹在第一激光头夹板和第二激光头夹板上的光纤激光头数量；
[0020]二、根据步骤一确定的各待加工处理区域的加工路径、表面材料强度要求设置加工各区域所需的激光器出光路数、光纤激光头之间的间距、单个光纤激光头出光能量、各光纤激光头的分光方式、旋转工作台工作参数、以及六自由度机器人运动参数；
[0021]三、调整六自由度机器人的姿态使第一激光头夹板位于B热作模具上方，并且各光纤激光头的光轴垂直于B热作模具待加工处理区域的表面；调整第二激光头夹板位置使其位于A热作模具上方；
[0022]四、对于B热作模具上首先要加工处理的i区域，根据步骤一、二确定的该i区域加工路径调整第一激光头夹板上光纤激光头的位置；调整A热作模具使其上圆形的待加工的j区域中心对准工作台旋转中心，并根据该j区域圆形加工路径调整第二激光头夹板上光纤激光头的位置；
[0023]五、按照步骤二确定的加工B热作模具上i区域和A热作模具上j区域所需单个光纤激光头出光能量以及各光纤激光头的分光方式，通过计算机控制激光器工作；通过计算机按照步骤二确定的旋转工作台工作参数控制旋转工作台以设定转速运转，同时根据六自由度机器人运动参数控制六自由度机器人运动，使第一激光头夹板上的各出光光纤激光头按照步骤一确定的加工路径移动，同时在B热作模具上i区域和A热作模具上j区域制备仿生单元体；
[0024]六、重复步骤四、五，在B热作模具和A热作模具上待加工处理区域表面制备仿生单元体，直至完成热作模具表面激光仿生强化处理。
[0025]技术方案二、
[0026]利用上述热作模具表面多点组合式的仿生加工设备对热作模具表面进行强化修复的方法，包括下述步骤:
[0027]一、将热作模具置于地面上，根据热作模具表面各待加工处理区域的形状、尺寸确定加工路径；
[0028]二、根据步骤一确定的各待加工处理区域的加工路径、表面材料强度要求设置加工各区域所需的激光器出光路数、光纤激光头之间的间距