基于激光加热旋压成形方法及装置与流程

本发明涉及金属塑性加工技术领域，尤其涉及基于激光加热旋压成形方法及设备。

背景技术：

旋压是一种连续局部塑性成形工艺，主要用于成形薄壁空心回转体零件，与整体成形工艺相比，具有成形载荷小、对成形设备吨位要求低、材料变形条件好等特点；常见的轻质材料，如铝合金、镁合金、钛合金等，以及高温合金在常温下无法成形，需要在加热的情况下进行塑形加工，因而加热旋压的应用逐渐增多。

由于炉内加热对旋压坯料尺寸的适应性差，生产实践中常采用火焰加热或感应加热装置对旋压过程中的坯料进行加热，例如专利号为CN101972808A的专利提出采用独立数控跟随火焰加热装置以解决人工火焰加热或将火焰加热装置固定在旋轮座时，旋压件温度场不均匀、火焰越界易烧损设备等问题；专利号为CN103706716A的专利提出采用局部加热设备对旋压坯料进行实时温度调节，以提高温度控制的准确性；专利号为CN105637356的专利提出采用感应加热旋压以解决火焰加热温度均匀性能以控制、热辐射大、劳动效率低的问题。

无论是电热炉对旋压坯料预先整体加热，还是采用在线加热对旋压坯料进行局部加热，成形前均需对成形涉及的工艺装备包括旋轮和芯模进行预热，这将使成形工艺装备的结构复杂化，例如专利号为CN104249116A的专利提出在热旋压中采用带有内加热装置的芯模，但仍存在着热辐射大、影响工艺装备和旋压设备使用寿命等问题。

随着激光技术的发展，使用寿命长、对使用环境和维护要求低的光纤激光技术逐渐成熟，使基于激光加热的旋压加工成为可能。采用高能量密度的激光替代常规能源对旋压坯料进行局部加热，不仅可以提高材料的塑性，使难加工材料的可加工性大大提高，而且可以减少旋压道次间的热处理工序，有效地提高生产效率。

技术实现要素：

针对现有技术存在的上述不足，本发明提供了一种基于激光加热旋压成形方法，同时提供一种相应的装置，通过同步施加加热激光束，实现变形区材料可旋压能力的提高，特别适合于成形精度且表面质量要求高的难加工材料的旋压成形。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种基于激光加热旋压成形装置，包括：数控旋压设备，旋压工艺装备和激光加热系统，其中：所述数控旋压设备包括数字控制系统、尾顶、旋轮架和主轴，所述数字控制系统设有旋压程序并分别与所述主轴和旋轮架连接；所述旋压工艺装备包括旋轮和芯模，所述芯模同轴连接于主轴输出端，所述旋轮安装在旋轮架上，尾顶与芯模同轴并顶紧套装在芯模上的旋压坯料；所述激光加热系统包括加热控制系统、激光器、导光系统、六自由度机器人、激光加工头和测温装置；所述加热控制系统设有六自由度机器人加工系统和加热程序，且分别与激光器和六自由度机器人连接，所述激光器通过导光系统将激光输送至激光加工头，所述激光加工头对激光进行准直和聚焦，聚焦光束辐照旋压坯料表面，在旋压坯料表面形成辐照区域，所述激光加工头固定在六自由度机器人末端，所述测温装置固定在激光加工头上，并对准激光在旋压坯料表面形成的加热区域中的测温区，所述测温装置与加热控制系统连接，以便将测得温度输出至加热控制系统。

优选的，所述激光器为续激光器。

优选的，所述旋轮为1个或2个或3个，其数量和分布形式根据旋压件的几何形状、壁厚及材料进行设计。

优选的，其特征在于，所述测温装置为非接触式的测温装置。

一种利用所述基于激光加热旋压成形装置实现基于激光加热旋压成形的方法，具体步骤如下：

(1)根据旋压坯料的形状、尺寸和材料，设计旋压成形工艺参数和/或旋轮轨迹，在数字控制系统中形成旋压程序；根据旋压成形工艺参数/或旋轮轨迹，以及旋压坯料对加热温度的要求，设计激光加热参数和/或辐照区域轨迹，所述激光加热参数包括光斑大小和激光功率，在输入加热控制系统中形成加热程序；

(2)在激光加热旋压前使用酒精或丙酮清洗旋压坯料表面的油脂和污垢，然后干燥，接着在旋压坯料的相对激光加工头一侧表面预置吸光涂层；

(3)将旋压坯料卡紧在芯模上；

(4)通过数字控制系统，预设旋轮的初始位置和/或角度γ；

(5)通过加热控制系统移动和/或转动六自由度机器人，调整激光加工头的初始位置和/或角度β，预设激光光斑与局部变形区的相对位置，包括相对圆周角α和轴向间距Δ；

(6)采用磁性工具将测温装置固定在激光加工头或六自由度机器人的末端，将其对准加热区域的测温区；

(7)同时启动旋压程序和加热程序，主轴带动固定在其上的芯模转动，旋压坯料也随之转动，与此同时，激光器出光，通过激光加工头对旋压坯料表面进行辐照；

(8)在数字控制系统和加热控制系统的共同控制下，旋轮和激光加工头在保持预设轴向间距Δ的同时，同步进给，旋轮对加热区域内的材料进行碾压，测温装置将测温区内的温度实时反馈给加热控制系统，以保证加热区域的温度符合旋压成形的要求；

(9)成形结束后，系统初始化，激光器停止出光，激光加热头和旋轮各自回到初始位置；

(10)主轴停转，尾顶松开，卸下旋压件。

优选的，所述旋压程序中的参数包括主轴转速、进给比和/或压下量。

优选的，所述数字控制系统根据预设旋压程序控制所述主轴旋转和旋轮运动。

优选的，所述加热控制系统根据预设加热程序控制激光器的开启与关闭和输出功率、六自由度机器人和固定在其末端激光加工头的运动。

优选的，所述数字控制系统控制旋轮加载轨迹，所述加热控制系统通过控制激光辐照区轨迹和激光参数，保证局部变形区与激光辐照区运动的协调，使得局部变形区处于激光加热区范围内，且变形区内的温度符合旋压成形的需求。

优选的，所述测温区对准所述辐照区域或所述远离辐照区域的局部变形区或所述靠近辐照区域的区域或所述靠近远离辐照区域的局部变形区的区域。

本发明提出的基于激光加热旋压成形方法及设备，其具有以下有效益效果：

①采用激光作为加热热源，材料吸收激光能量，瞬间即可达到塑性变形所需温度，加热效率高，绿色环保；

②对材料的变形区及其周围进行在线加热，不受旋压件尺寸和形状的限制，工艺柔性好；

③通过控制加热区作用面积和加热深度，降低热量输入，不仅节约能源，而且能有效提高旋压设备及工艺装备的使用寿命；

④通过调整激光参数及其辐照区域大小，实现对加热区温度及加热深度的精确控制，变形区温度的变化具有一致性，工艺稳定性好，成形质量高；

⑤通过控制激光参数和激光辐照轨迹，控制旋压坯料表面加热区的分布，整个过程由计算机系统控制，成形过程的重复性好，易于实现自动化、精度高、劳动强度低。

附图说明

图1为本发明提出的基于激光加热旋压成形装置的结构示意图；

图2为图1的右视图，采用单旋轮成形时，激光辐照区、激光加热区和材料变形区在旋压坯料上的位置分布示意图；

图3为采用两个旋轮成形时，激光辐照区、激光加热区和材料变形区在旋压坯料上的位置分布示意图；

图4为采用三个旋轮成形时，激光辐照区、激光加热区域和材料变形区在旋压坯料上的位置分布示意图；

图5为本发明的具体实施例一示意图；

图6为本发明的具体实施例二示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

基于激光加热旋压成形装置包括数控旋压设备1，旋压工艺装备2，激光加热系统4；所述数控旋压设备1包括数字控制系统11、尾顶12、旋轮架13和主轴14；旋压工艺装备2包括旋轮21和芯模22，所述芯模22同轴连接于主轴14输出端，芯模22上套装有旋压坯料3，尾顶12与芯模22同轴并顶紧旋压坯料3，旋轮架13上设有旋轮21，旋轮21数目为1个或2个或3个，其数量和分布形式根据旋压件的几何形状、壁厚及材料进行设计，本实施方式中，优选的，旋轮21数目为两个时，沿旋压坯料3表面呈环形180度分布，旋轮21数目为三个时，沿旋压坯料3表面呈环形120度分布；激光加热系统4包括加热控制系统41、激光器42、导光系统43、六自由度机器人44、激光加工头45和测温装置46，激光器42为光纤激光器，导光系统43为光纤，激光器42通过导光系统43将激光输送至激光加工头45，形成聚焦光束，激光加工头45固定在与加热控制系统41连接的六自由度机器人44末端，通过设于加热控制系统41的加热程序控制六自由度机器人44运动，带动激光加工头45形成辐照区域(B)轨迹，加热控制系统41与激光器42连接，用于控制激光器42的开启与关闭和输出功率的大小，测温装置46固定在激光加工头45上，对准旋压坯料3表面的加热区域A的测温区，并将所测得的温度输出至与之连接的加热控制系统41；数字控制系统11设有旋压程序，控制与之连接的主轴14和旋轮架13，实现旋轮21在旋压坯料3表面加热区域A中产生的局部变形区D的轨迹。

参照图1-6，一种基于激光加热旋压成形方法，其步骤如下：

(1)根据成形零件的形状、尺寸和材料，设计旋压成形工艺参数和/或旋轮轨迹，所述参数包括：主轴转速、进给比和/或压下量在数字控制系统11中形成旋压程序；根据旋压成形工艺参数/或旋轮轨迹，以及材料对加热温度的要求，设计激光加热参数和/或辐照区域B轨迹，激光加热参数包括光斑大小和激光功率，在输入加热控制系统41中形成加热程序；

(2)对于激光吸收率低的材料，在激光加热旋压前使用酒精或丙酮清洗旋压坯料3表面的油脂和污垢，然后干燥，接着在旋压坯料3的相对激光加工头45一侧表面预置吸光涂层；

(3)将旋压坯料3卡紧在芯模22上；

(4)通过数字控制系统11，预设旋轮21的初始位置和/或角度γ；

(5)通过加热控制系统41移动和/或转动六自由度机器人44，调整激光加工头45的初始位置和/或角度β，预设激光光斑与局部变形区D的相对位置，包括相对圆周角α和轴向间距Δ；

(6)采用磁性工具将测温装置46固定在激光加工头45或六自由度机器人44的末端，将其对准加热区域A的测温区；

(7)同时启动旋压程序和加热程序，主轴14带动固定在其上的芯模22转动，旋压坯料3也随之转动，与此同时，激光器42出光，通过激光加工头45对旋压坯料3表面进行辐照；

(8)在数字控制系统11和加热控制系统41的共同控制下，旋轮21和激光加工头45在保持预设距离Δ的同时，同步进给，旋轮21对加热区域A内的材料进行碾压，测温装置46将测温区内的温度实时反馈给加热控制系统41，以保证加热区域A的温度符合旋压成形的要求；

(9)成形结束后，系统初始化，激光器42停止出光，激光加热头45和旋轮21各自回到初始位置；

(10)主轴14停转，尾顶12松开，卸下旋压件。

本方法工作原理如下：

(1)采用连续激光作为加热源，对旋压坯料3表面进行辐照，形成辐照区域B，由于吸收激光能量，辐照区域B及其周围区域的温度迅速升高，形成加热区域A，当加热至温度升高至某一范围(低于旋压坯料3的再结晶温度)时，加热区域A内的材料的可旋压性得到提升，有利于成形加工；

(2)利用六自由度机器人44加工系统控制激光加工头45的运动，实现对激光加工头45相对于旋压坯料3表面的位置的调整和二者间的相对运动的控制，配合以相应的激光参数，可实现对加热区域A分布状况、加热温度和加热深度的精确控制，将加热温度控制在热旋成形需要的区间内，加热深度以不加热旋压工艺装备2为宜，减小加热对设备的损伤；

(3)根据旋压坯料3的几何参数、材料以及旋压程序工艺参数，设计激光加热轨迹，并确定激光输出功率和辐照区域B的位置和大小，在加热控制系统41中形成激光加热程序，旋压成形过程中，加热控制系统41除了控制激光器42外，还控制六自由度机器人44的运动，进而通过激光加工头45实现激光加热轨迹在旋压坯料表面的加载，保证成形过程中，旋轮21产生的局部变形区D始终处于激光加热作用形成的加热区域A内，且局部变形区D内表面与外表面的温度均满足旋压加工要求；

(4)测温装置46对加热区域A的温度进行实时检测，通过闭环控制系统对激光器42输出功率和激光光斑大小的调整，保持加热区域A温度的稳定，达到实现对加热过程的精确控制，以便实现自动化生产；

(5)对于激光吸收率低的材料，在激光加热旋压前使用酒精或丙酮清洗旋压坯料3表面的油脂和污垢，然后干燥，接着在旋压坯料3的相对激光加工头45一侧表面预置吸光涂层，提高材料对激光的吸收率。

实施例一：AZ31镁合金流动旋压

AZ31镁合金在常温下无法进行塑形加工，需加热至200-350℃方可旋压，且易氧化，对激光吸收率低；流动旋压又称筒形件强力旋压，将筒形件的壁厚为由初始值t₀减薄至工件壁厚为t工件，形状不发生变化，成形多采用多个旋轮的形式进行加工(旋轮沿圆周方向均匀分布)，生产中常采用双旋轮或三旋轮方式；成形工艺包括正旋和反旋两种。本例中采用反旋工艺(在旋压工艺装备中增加卡盘23)将初始壁厚为3.5mm，长度为40mm，旋制为壁厚为1.5mm，长度为93mm的工件，成形采用双旋轮进行，旋轮21按180°布置，分列在旋压设备主轴14的两侧。

按上述工作过程进行AZ31镁合金流动旋压，还包括如下步骤：

根据成形零件的形状、尺寸和材料，设计旋压成形工艺参数所述参数包括：主轴转速为450r/min、进给速率为0.25mm/s和压下量为2mm；

根据旋压成形工艺参数/或旋轮轨迹，以及材料对加热温度的要求，设计激光加热参数(用于成形过程中旋压坯料3形状不变，故采用与旋轮21加载一样的轨迹，此处无须设计)，激光加热参数包括光斑直径6mm和激光器额定功率1500w(输出功率1498w)；

使用酒精或丙酮清洗AZ31镁合金筒(旋压坯料3)外表面的油脂和污垢，并干燥，然后在其外侧表面预置碳粉，最后将AZ31镁合金筒推至卡盘23处，成形时旋轮21碾压坯料，将其卡紧在芯模22上；

移动六自由度机器人44，使激光加工头45输出激光垂直入射至旋压坯料3的表面(初始角度β为90°)，激光光斑与局部变形区D、D’间相对圆周角α为90°和轴向间距Δ为4mm；

将红外摄像仪固定在激光加工头45上，将其摄像头对准辐照区域B(在加热区域A内)；

同时启动旋压程序和加热程序，旋轮21和激光加工头45在保持预设距离Δ同步进给，旋轮21对局部变形区D、D’内的材料进行碾压，在此过程中，温度闭环控制系统将辐照区域B的温度控制在300—350℃范围内。

常温下无法成形的AZ31镁合金筒，采用基于激光加热旋压方法顺利成形，总耗时170秒(包括坯料装夹、流动旋压成形以及卸料)，与传统的炉内加热(炉内加热耗时需以小时计)和电感应加热(预热耗时需以分钟计)相比，加热效率高，大大缩短了加工周期。由于加热时间短，可直接采用冷旋设备和工艺装备进行生产，不需要采用热旋工艺装备，也不需要对在旋压设备上增加隔热元件或冷却装置；同时成形质量高，旋压件表面粗糙度为Ra0.8μm，无氧化皮，减少了材料的损耗。

实施例二：0Cr18Ni9不锈钢单道次拉深旋压

与实施例一不同之处在于：

成形工艺为拉深旋压，需将壁厚t₀为1.6mm的圆形平板旋制成壁厚t为1.6mm的杯形件，即壁厚不变，形状发生变化，同时成形采用单旋轮21进行。

成形材料为0Cr18Ni9不锈钢，该材料是奥氏体不锈钢，在常温下具有良好的塑性，但变形过程中，易诱发马氏体，从而导致破裂。在室温下进行加工时，宜采用多道次旋压成形，减少应变诱发马氏体的影响，为减少加工硬化的影响，需要在道次间增加退火工序；由于回弹的存在，旋压件的成形精度较差。

旋压成形工艺参数包括：主轴转速200r/min、进给速率为0.1mm/s(采用单道次加工，不许设置旋轮加载轨迹)；

材料的加热温度范围600-800℃，激光加热参数包括光斑直径5mm和激光器42额定功率2200w(输出功率2190w)，由于成形过程中旋压坯料的形状不断发生变化，需设计激光加热轨迹；

0Cr18Ni9不锈钢不需要进行预处理，旋压坯料3为平板型，通过尾顶12顶紧在芯模22上；

激光加工头45输出激光倾斜入射至旋压坯料3的表面，入射的初始角度β为60°)，激光光斑与局部变形区D间相对圆周角α为45°和轴向间距Δ为2.5mm；

采用比色测温仪对处于加热区域A中靠近局部变形区D一侧的测温区C进行温度测量，控制的温度为690—720℃。

尽管0Cr18Ni9不锈钢在常温下可以成形，但其可旋性差，对于直径为150mm的0Cr18Ni9板坯，至少需要两道次方能将其成为内径为100mm的杯形件，且成形工艺窗口小，易出现成形缺陷，但采用基于激光加热的旋压方式，单道次即可完成成形，且无成形缺陷，同时旋压件的回弹减少了15％。因此，基于激光加热的方法可提高材料的成形极限，即提高材料的可旋性，减少了成形道次，并可省略道次间的热处理工序，提高了生产效率，同时还可以提高旋压件的成形精度。

以上，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。