一种发动机曲轴圆角激光熔覆修复装置及方法与流程

本发明涉及激光熔覆领域，特别是涉及一种发动机曲轴圆角激光熔覆修复装置及方法。

背景技术：

曲轴长期运行在高压、高温的工作环境中，常因轴颈表面的摩擦、划伤及裂纹等原因报废，造成巨大的资源浪费和经济损失，而绝大多数报废的发动机曲轴都蕴含着较高的再制造价值。如果通过激光熔覆技术对其进行修复，可以减少因曲轴报废而产生的浪费，还可以提升曲轴表面的性能。激光熔覆技术是指以不同的填料方式在被涂覆基体表面上放置选择的涂层材料，经激光辐照使之与基体表面薄层同时熔化，并快速凝固后形成稀释度极低并与基体材料成冶金结合的表面涂层，从而显著改善基体材料表面的耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化及电器特性等的工艺方法。

目前，发动机曲轴激光熔覆修复大部分在于修复轴颈，而对于曲轴圆角却难以修复。这是因为对于具有三轴运动结构的激光器而言，曲轴圆角受到结构限制，激光头与修复平面成平行状态，粉末以及激光束无法触及圆角部分，圆角难以加工。

技术实现要素：

为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种发动机曲轴圆角激光熔覆修复装置，该装置可使激光和金属粉末能够触及圆角来进行修复，该夹具操作方便、简单可靠，且成本低廉，能更好满足曲轴圆角修复要求。

一种发动机曲轴圆角激光熔覆修复装置的具体方案如下：

一种发动机曲轴圆角激光熔覆修复装置，包括：

用于夹持曲轴的曲轴熔覆夹具，曲轴熔覆夹具包括用于带动曲轴绕自身轴线旋转的卡盘，卡盘通过夹具支架进行支撑，曲轴熔覆夹具可升降以带动曲轴在设定角度范围内倾斜；

设于夹具支架一侧的三轴驱动机构，三轴驱动机构包括支撑架，支撑架支撑第一滑轨，第一滑轨上设置可沿着第一滑轨移动的x向导轨，x向导轨上设置可沿着x向导轨移动的y向连杆，在y向连杆上设置可相对y向连杆上下移动的z向丝杠，z向丝杠与激光熔覆头固定，三轴驱动机构的设置以驱动激光头在空间内按指定轨迹运动。

所述激光熔覆头设于z向丝杠的底部，z向丝杠设于所述曲轴熔覆夹具的上方。

所述夹具支架上还设置圆盘，圆盘与所述的卡盘相对设置，圆盘一侧设置顶针，卡盘与顶针配合以夹持曲轴，卡盘为三爪卡盘，在夹具支架底部设有驱动电机，驱动电机用于驱动夹具支架侧部的第三齿轮，第三齿轮通过皮带、第二齿轮与带动第一齿轮传动，三爪卡盘和第一齿轮之间通过球笼式万向节联接，进而通过三爪卡盘带动曲轴旋转；

进一步地，所述圆盘与卡盘两侧设置平台，平台内部设置用于带动圆盘移动的导轨，且固定螺栓可以把圆盘固定在导轨上。

所述平台下表面与升降机构连接以带动平台相对于夹具支架旋转，升降机构可以是电动推拉杆，其上端与平台铰接，下端则铰接在夹具基座上，夹具基座用于支撑夹具支架，夹具支架呈框形结构设置，平台设于夹具支架内部。

在所述夹具支架内侧设置用于固定所述平台的夹紧机构；

进一步地，所述平台包括两根连杆，两根连杆之间连接，所述夹紧机构包括两组夹紧板，一组夹紧板包括两个相对设置的夹紧板，一组夹紧板形成的空间用于夹持一根连杆。

所述支撑架包括两个间隔设定距离设置的第一支撑板，两个第一支撑板之间设置所述的第一滑轨，第一滑轨与y向驱动电机连接。

所述y向连杆与x向驱动电机连接。

所述x向导轨的端部设置滚轮，滚轮在第二滑轨上滑动，第二滑轨设于第二支撑板顶部，第二支撑板与第一支撑板相互垂直设置。

在两组夹紧板之间设置锁紧机构，锁紧机构包括连接两组夹紧板的可伸缩固定连杆，穿过可伸缩固定连杆设有底部或中部带有齿轮的自锁连杆，齿轮与齿条配合，齿条安装在设于两组夹紧板之间的齿条导轨上，自锁连杆上在可伸缩固定连杆与齿轮之间套有扭转弹簧，扭转弹簧的自锁力给予内侧夹紧板压紧力，从而夹紧固定伸入其中的平台，当逆时针旋转自锁连杆可以使内外侧夹紧板间距离增大，从而松开伸入其中的平台。此外，且外侧夹紧板带有圆弧形刻度可指示曲轴的倾斜角度。

为了克服现有技术的不足，本发明还提供了一种曲轴圆角激光熔覆方法，采用所述的一种发动机曲轴圆角激光熔覆修复装置，包括以下步骤：

1)将曲轴装夹到曲轴熔覆夹具上，一端由卡盘固定，一端有顶针固定，保持曲轴为水平状态；

2)控制升降机构的伸缩量调整平台向下倾斜设定的角度，带动曲轴倾斜，使曲轴一侧圆角修复部位可以被激光头发出的激光照射；

3)采用自动送粉装置，设置合理的激光熔覆工艺参数，包括曲轴旋转速度、激光功率、送粉速率、离焦量；

4)曲轴按设定的速率进行旋转，输入指令使三轴驱动机构带动激光熔覆头与曲轴协同运动，保持激光熔覆头与曲轴圆角修复部位距离不变，实现一侧曲轴圆角激光修复；

5)调整平台倾斜方向，使曲轴向上倾斜一定角度，按照上述步骤3)-步骤4)，完成曲轴另一侧圆角修复。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1)本发明中可以有效解决曲轴在长期运行过程中常因轴颈表面的摩擦、划伤及裂纹等原因造成巨大的资源浪费和经济损失，通过激光熔覆再制造技术实现发动机曲轴的再制造与再利用。

2)本发明中通过曲轴熔覆夹具与三轴驱动机构的联合设置，可实现对待修复曲轴圆角的修复，简单效果好。

3)本发明中通过激光和金属粉末能够触及圆角来进行修复，从而实现了曲轴轴径和圆角的全面修复。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1：夹具结构总体示意图

图2：曲轴熔覆夹具结构图

图3：夹紧机构结构图

图4：激光熔覆头三轴驱动机构结构图

图5：修复主轴颈及连杆轴颈时示意图

图6：修复右端圆角时示意图

图7：修复左端圆角时示意图

图中，1平台，2固定螺丝，3圆盘，4顶针，5导轨，6三爪卡盘，7第一齿轮，8第二齿轮，9第三齿轮，10驱动电机，11推拉杆与基座铰接，12推拉杆与平台铰接，13电动推拉杆，14基座，15夹板，16锁紧机构，17扭转弹簧，18齿条，19齿条导轨，20自锁齿轮，21自锁连杆，22可伸缩固定连杆，23支撑板，24第一滑轨，25y向丝杠，26y向驱动电机，27x向导轨，28y向连杆，29x向齿轮，30x向驱动电机，31z向驱动电机，32z向齿轮，33滚轮，34第二滑轨，35z向丝杠，36齿轮套筒，37可更换锁紧机构，38三轴驱动机构，39曲轴熔覆夹具，40主轴颈，41连杆轴颈，42熔覆区域，43圆角，44激光束，45激光头。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

正如背景技术所介绍的，现有技术中存在的不足，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种发动机曲轴圆角激光熔覆修复装置及方法。

本申请的一种典型的实施方式中，如图1所示，一种发动机曲轴圆角激光熔覆修复装置，包括两大部分，第一部分为曲轴熔覆夹具，可以装夹曲轴，带动曲轴旋转并使曲轴倾斜一定角度，第二部分为三轴驱动机构，用来驱动激光熔覆头实现三轴运动。

如图2所示，曲轴熔覆夹具包括平台1，平台1上有圆盘3、固定螺栓2和顶针4，圆盘3带动顶针4可沿导轨5滑动，固定螺栓2可以把圆盘3固定在导轨5上，三爪卡盘6固定于平台1右端上，平台1右端通过连接杆及轴承与夹具支架联接，夹具支架与基座14固定，基座14底部有升降机构如电动推拉杆13可上下推动平台1绕平台1右端的连接杆旋转，驱动机构电机10通过第三齿轮9、第二齿轮8、第一齿轮7及链传动带动三爪卡盘6旋转，三爪卡盘6与第一齿轮7通过球笼式万向节联接。

夹紧机构15包括四块夹紧板，一侧两块，外侧夹紧板与夹具支架固定连接，通过操纵锁紧机构，内侧夹紧板可以夹紧固定伸入其中的平台1，且外侧夹紧板带有圆弧形刻度可指示平台1的倾斜高度。

锁紧机构16，如图3所示，包括扭转弹簧17，齿条18，齿条导轨19，自锁齿轮20，自锁连杆21，可伸缩固定连杆22。扭转弹簧17套在自锁连杆21上且有一定的自锁力，自锁连杆下端与自锁齿轮20连接，齿条18与内侧夹紧板固定连接且齿条18可沿齿条导轨19滑动，当无外力作用时，由于扭转弹簧17的自锁力存在，通过自锁齿轮20和齿条18给予内侧夹紧板一个压紧力，从而夹紧固定伸入其中的平台的连杆，当逆时针旋转自锁连杆21，自锁齿轮20带动齿条18和内侧夹紧板向其滑动，使内外侧夹紧板间距离增大，从而松开平台1。

电动推拉杆13可通过遥控器电动控制其伸缩量，其上端与平台1铰接，下端则铰接在基座上，第三齿轮9、第二齿轮8、第一齿轮7构成二级减速装置通过链传动来传递动力，驱动电机10与第三齿轮9键连接。

激光熔覆头三轴驱动机构，可驱动激光头在空间内按指定轨迹运动。如图4所示，y向驱动电机26旋转带动y向丝杠25旋转，使得x向导轨27沿着第一滑轨24移动，即y轴运动。

右端有滚轮33沿着第二滑轨34移动且内部有齿条形轨道，x向驱动电机30固定在y向连杆28上，x向驱动电机30带动x向齿轮29沿着齿条形轨道移动，即x轴运动。

齿轮套筒36靠内部螺纹与z向丝杠35啮合，z向齿轮32与齿轮套筒36外部齿轮啮合，在z向驱动电机31的驱动下z向丝杠35上下运动，即z轴运动。

z向丝杠35下端装有可更换锁紧机构37，用来锁紧激光熔覆头。

当修复主轴颈及连杆轴颈时，无需修复圆角，曲轴保持水平旋转可以实现修复。如图5所示，首先将待修复曲轴一端装夹在三爪卡盘6上，圆盘3沿导轨5左右移动顶住曲轴另一端，旋转螺栓2使圆盘3固定在此时的位置，在通过旋转顶针4进一步使顶针压紧在曲轴一端，实现曲轴的装夹。然后逆时针旋转锁紧机构16，夹紧板松开，再通过遥控器控制电动推拉杆13的伸缩量使平台1保持水平，松开锁紧机构，夹紧板夹紧平台1，使之保持稳定不产生晃动，之后打开驱动电机10，驱动电机带动第三齿轮9旋转，通过链传动及第三齿轮9、第二齿轮8、第一齿轮7构成的二级减速装置带动第一齿轮7旋转，第一齿轮7与三爪卡盘6之间通过球笼式万向节连接，从而实现曲轴的匀速旋转，然后三轴驱动机构带动激光头绕曲轴轴颈旋转同时沿x轴有一定的进给量，即激光头轨迹为螺旋线，激光头始终位于轴颈正上方，随轴颈旋转而旋转，实现曲轴的轴颈修复。

为了克服现有技术的不足，本发明还提供了一种曲轴圆角激光熔覆方法，采用所述的一种发动机曲轴圆角激光熔覆修复装置，包括以下步骤：

第一步：将待修复曲轴一端装夹在三爪卡盘6上，圆盘3沿导轨5左右移动顶住曲轴另一端，旋转螺栓2使圆盘3固定在此时的位置，在通过旋转顶针4进一步使顶针压紧在曲轴一端，实现曲轴的装夹，保持曲轴水平。

第二步：逆时针旋转锁紧机构16，夹紧板松开，再通过遥控器控制电动推拉杆13向下收缩一段距离使平台1向下倾斜一合适角度，松开锁紧机构，夹紧板夹紧平台1，使之保持稳定不产生晃动。

第三步：采用自动送粉装置，设置合理的激光熔覆工艺参数，包括曲轴旋转速度、激光功率、送粉速率、离焦量等。在数控装置中输入相关参数，三轴驱动机构带动激光头按一圆形轨迹运动修复曲轴圆角。

第四步：打开电机带动曲轴按设定的速率旋转，输入指令使三轴驱动机构带动激光头44与曲轴协同运动，保持激光头45与曲轴圆角43修复部位距离不变，通过激光束44实现一侧曲轴圆角激光修复(如图6所示)；

第五步：逆时针旋转锁紧机构16，夹紧板松开，再通过遥控器控制电动推拉杆13向上伸长一段距离使平台1向上倾斜一合适角度，主轴颈40与连杆轴径41同时倾斜，松开锁紧机构，夹紧板夹紧平台1，使之保持稳定不产生晃动，重复第三、四步骤，完成曲轴另一侧圆角修复(如图7所示)。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。