一种激光预热及滚挤压复合的金属表面平整装置及方法

本发明涉及金属表面的加工，主要涉及一种激光预热及滚挤压复合的金属表面平整装置及方法。

背景技术：

1、高端装备制造对金属零件表面的粗糙度、平面度、形位精度、表层完整性要求持续严苛，传统金属粗糙表面的精度提升，长期依赖粗铣→半精铣→精铣、粗磨→精磨→抛光等材料去除型切削/磨削工艺，该类工艺通过切除金属粗糙表面的微观凸起、刀痕、缺陷层以实现金属表面的精度提升，且该工艺必须依赖充足、均匀的预留切削余量；但在实际工程中，大量金属零件存在毛坯余量不足、精加工余量匮乏、尺寸已接近公差极限等工况，此时若继续采用切削、磨削等去除式加工，会出现余量不足无法切削、过切超差、尺寸报废、残余拉应力等问题。

技术实现思路

1、针对前述技术问题，本发明的目的在于提出一种激光预热及滚挤压复合的金属表面平整装置及方法。

2、本发明的目的是采用以下技术方案来实现。依据本发明提出的一种激光预热及滚挤压复合的金属表面平整装置，包括放置在工作台上的待加工金属件，待加工金属件的上侧设有行进机构，行进机构通过支撑臂与位于行进机构下侧且置于待加工金属件表面的滚挤压轮连接；行进机构的前方设有与行进机构通过连接杆连接的激光头，激光头呈倾斜设置；还包括用于对待加工金属件上的待加工区域进行形貌扫描的三维形貌仪、用于测量滚挤压轮与待加工金属件的待加工区域表面温度的温度测量装置；所述行进机构、激光头、三维形貌仪、温度测量装置分别与控制系统连接。

3、进一步的，行进机构为数控三坐标工作台，采用伺服电机驱动。

4、进一步的，所述滚挤压轮包括滚挤压圆筒、位于滚挤压圆筒内部的两个圆柱滚子轴承、穿插在两个圆柱滚子轴承上的中心轴，圆柱滚子轴承套装在中心轴的两侧与滚挤压圆筒连接，中心轴伸出圆柱滚子轴承的两端分别与支撑臂的底端连接，圆柱滚子轴承与支撑臂之间的中心轴上螺纹连接有用于对圆柱滚子轴承进行轴向限位的圆形盖板。

5、进一步的，两个圆柱滚子轴承之间的中心轴上设有用于对相应圆柱滚子轴承进行轴向限位的两个限位台阶。

6、进一步的，两个限位台阶之间的中心轴上包裹有若干加热电阻丝，中心轴的内部沿轴向设有用于安装加热电阻丝电源线的通孔。

7、进一步的，激光头采用能够形成方形光斑形貌的激光头。

8、进一步的，控制系统包括图像识别装置、路径规划装置及工艺规划装置。

9、进一步的，温度测量装置采用红外测温装置。

10、本发明还提供一种激光预热及滚挤压复合的金属表面平整方法，该方法采用所述的一种激光预热及滚挤压复合的金属表面平整装置实现，具体包括以下步骤：

11、步骤s1，准备待加工金属件，并通过三维形貌仪对待加工金属件的表面进行形貌分析，然后传输形貌分析数据至控制系统的图像识别装置；

12、步骤s2，控制系统接收三维形貌仪的形貌分析数据，并通过路径规划装置对待加工金属件的待加工区域进行路径规划；

13、步骤s3，启动激光头，通过控制系统调整及激光头的能量参数与光束照射范围；

14、步骤s4，预热滚挤压轮并调整挤压深度，对待加工区域进行激光预热；

15、步骤s5，沿控制系统的规划路径对待加工区域进行滚挤压塑形；

16、步骤s6，塑形完成后采用三维形貌仪判定待加工金属件的表面是否合格；如果合格则满足要求获得表面平整度优异的金属表面；如果不合格，则返回步骤s2重新规划路径。

17、依据前述技术方案，本发明具有以下有益效果：该装置首先通过三维形貌仪扫描待加工试件（待加工金属件）表面的三维形态数据，并将数据传至控制系统中的图像识别装置，控制系统的图像识别装置基于图像处理算法分析待加工金属件表面的凸起部位和平整度，控制系统的路径规划装置精准定位待加工区域；然后控制系统控制激光头对金属表面不平整区域进行局部加热和软化，随后位于其后方的滚挤压头以向前滚动加压的方式对受热软化区域进行滚挤压塑形，以实现无切削无去料的表层塑性流动变形；通过激光预热与后置滚挤压的协同作用，能有效优化金属表面平整度、细化表层晶粒、生成残余压应力以提升耐磨、耐腐蚀性能，同时无切削、无去料的非去除式表面精度强化技术，有助于成为提升金属表面质量、克服余量不足限制的问题。

18、上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并结合附图进行详细说明。

1.一种激光预热及滚挤压复合的金属表面平整装置，其特征在于：包括放置在工作台上的待加工金属件（6），待加工金属件的上侧设有行进机构（3），行进机构通过支撑臂与位于行进机构下侧且置于待加工金属件表面的滚挤压轮（4）连接；行进机构的前方设有通过连接杆（7）与行进机构连接的激光头（5），激光头呈倾斜方向设置；还包括用于对待加工金属件上的待加工区域进行形貌扫描的三维形貌仪（1）、用于测量滚挤压轮与待加工金属件的待加工区域表面温度的温度测量装置；所述行进机构、激光头、三维形貌仪、温度测量装置分别与控制系统（2）连接。

2.根据权利要求1所述的一种激光预热及滚挤压复合的金属表面平整装置，其特征在于：行进机构为数控三坐标工作台，采用伺服电机驱动。

3.根据权利要求1所述的一种激光预热及滚挤压复合的金属表面平整装置，其特征在于：所述滚挤压轮包括滚挤压圆筒（401）、位于滚挤压圆筒内部的两个圆柱滚子轴承（402）、穿插在两个圆柱滚子轴承上的中心轴（403），圆柱滚子轴承套装在中心轴的两侧与滚挤压圆筒连接，中心轴伸出圆柱滚子轴承的两端分别与支撑臂的底端连接，圆柱滚子轴承与支撑臂之间的中心轴上螺纹连接有用于对圆柱滚子轴承进行轴向限位的圆形盖板（406）。

4.根据权利要求3所述的一种激光预热及滚挤压复合的金属表面平整装置，其特征在于：两个圆柱滚子轴承之间的中心轴上设有用于对相应圆柱滚子轴承进行轴向限位的两个限位台阶（405）。

5.根据权利要求4所述的一种激光预热及滚挤压复合的金属表面平整装置，其特征在于：两个限位台阶之间的中心轴上包裹有若干加热电阻丝（404），中心轴的内部沿轴向设有用于安装加热电阻丝电源线的通孔（4031）。

6.根据权利要求1所述的一种激光预热及滚挤压复合的金属表面平整装置，其特征在于：激光头采用能够形成方形光斑形貌的激光头。

7.根据权利要求1所述的一种激光预热及滚挤压复合的金属表面平整装置，其特征在于：控制系统包括图像识别装置、路径规划装置及工艺规划装置。

8.根据权利要求1所述的一种激光预热及滚挤压复合的金属表面平整装置，其特征在于：温度测量装置采用红外测温装置。

9.一种激光预热及滚挤压复合的金属表面平整方法，其特征在于：采用权利要求1-8任一项所述的一种激光预热及滚挤压复合的金属表面平整装置实现，具体包括以下步骤：