移动式半导体激光模具表面强化系统技术方案

一种高效率、柔性化的形状复杂模具表面激光强化系统，该系统由高功率半导体激光器、6轴全关节型工业机器人和光纤导光系统等集成。本发明专利技术采用体积、重量小的半导体激光器和非固定安装的工业机器人，可以方便实现整个系统的移动，实现工作现场模具激光表面强化。本发明专利技术提出了半导体激光器、工业机器人和淬火工作头等之间的集成方法：半导体激光通过柔性好、灵活方便的光纤导光系统进行传输，到达抓持在工业机器人手腕中的激光淬火工作头，经过准直、聚焦后照射工件表面，在程序控制下对工件表面进行扫描加热，实现对工件表面强化。本发明专利技术可以实现对大型、超大型，不便搬运的模具或零部件的现场加工处理，特别适合于多品种、变批量的柔性生产。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于激光热处理
，具体地说，是用于提高模具表面质量尤其是模 具表面硬度的激光表面处理系统。
技术介绍
提高模具表面质量常用的传统方法有火焰喷枪、镶块、镀铬，它们存在一定的缺 陷(1)使用火焰喷枪人工局部加热、水冷淬火，对模具表面硬度提高幅度有限，且均勻性 差，而且表面质量和尺寸精度受影响，需要进行2-3天时间的研磨修配；(2)在模具磨损 严重的部位使用镶块结构，这种方法结构复杂，加工困难；(3)对整个模具型腔进行镀铬处 理，成本昂贵，且模具寿命有限。与传统方法相比较，激光表面强化在提高模具表面质量中具有其独特优势模具 表面变形小，硬度提高幅度大，表面光洁，生产效率高，成本低，基本上无污染、无噪声，易于 实现计算机自动控制。在制造工业中，激光表面强化已经得到广泛的应用，如发动机缸体和 缸套、机床离合器、机床加工刀盘、纺织机械成形刀具、阀门、阀座、模具、锯齿等多种机器零 部件的局部硬化处理。但是现有的激光表面强化系统还存在一些问题系统体积庞大，运动 不灵活，处理速度不高，对复杂型面的处理能力较低；目前主要采用的CO2激光器和YAG固 体激光器的能量利用率都不高；模具表面处理质量还有待提高，即该处理的没有处理，不该 处理的却处理了，有的过处理，有的欠处理。激光热处理技术在工业应用中需要进一步研究并解决以上存在的缺陷和问题以 提高表面处理质量和提高生产效率，从而降低企业的生产成本，增加经济效益。激光表面热 处理有着广泛的用途，其工业应用和深入研究十分活跃。
技术实现思路
激光表面强化是提高模具表面质量的有效途径，它可以提高模具的使用寿命，降 低模具成本，缩短模具的生产制造周期。为了克服当前激光表面强化系统存在的问题，本专 利专利技术了移动式半导体激光模具表面强化系统，该系统由高功率半导体激光器、6轴全关节 型工业机器人和光纤导光系统等集成。半导体激光器具有较高的能量利用率，其典型值可 达大约50%，而CO2激光器的能量利用总效率仅为10%左右，YAG固体激光器的能量利用率 只有0. 2 % 2 %，因此半导体激光器的运行费用要比(X)2激光器和YAG固体激光器低的多。 半导体激光器的激光波长较CO2激光和YAG激光的波长短，金属对它的吸收率较高。光纤 传输系统比关节式导光系统体积小、结构简单、柔性好、灵活方便，可以加工常规系统不容 易加工的部位，还可以远距离传输，光束不发散。采用光纤传输可显著改善加工面光束的均 勻性，使加工区域的边缘清晰。工业机器人具有体积小、可编程、灵活方便，运动精度和控制 灵敏度高等特点，能完成多自由度的运动，实现复杂模具表面的强化处理，特别适合于多品 种、变批量的柔性生产。本专利还提出了半导体激光器、工业加工机器人和淬火工作头等之间的集成方法。半导体激光通过柔性好、灵活方便的光纤导光系统进行传输，到达抓持在工业机器人手 腕中的激光淬火工作头，经过准直、聚焦后照射工件表面，在程序控制下对工件表面进行扫 描加热，实现对工件表面强化。采用体积、重量小的半导体激光器和非固定安装的工业机器人，可以方便实现整 个系统的移动。实现整个系统移动的优点是模具制造企业可以应用这一系统实现大中小 不同型号模具的表面强化处理；可以将整个系统由一个制造厂运送到另一个制造厂实现模 具表面强化处理；可以实现对大型、超大型，不便搬运的模具或零部件的现场加工处理。本专利改进了原有的激光表面强化系统，实现高效率、柔性化的形状 复杂模具表面激光强化。应用本专利技术系统可以处理大小不同模具，最大尺寸为 L3500XW;3500XH500(mm)，最大淬火速度> 2000mm/min，最大淬火深度0. 1 1. 1mm，能够 节约模具制造成本和时间10%，提高使用寿命50%。附图说明附图为移动式半导体激光强化系统的结构示意图。图中1激光器；2激光器控制器；3计算机；4机器人控制器；5工业机器人；6模具； 7淬火工作头；8光纤。具体实施例方式结合附图，具体实施过程如下1)根据模具6使用条件、状况等确定模具表面待强化的部位。2)由模具表面待强化部位进行工业机器人扫描路径规划。3)工业机器人5扫描路径编程与工艺参数设计。4)计算机3把激光功率指令、机器人手运动指令分别发送到激光器控制器2和机 器人控制器4，激光器1开启并把一定功率激光通过光纤8传输到淬火工作头7，工业机器 人5按照规划的路径，带动淬火工作头7扫描模具表面，完成表面淬火。权利要求1.一种移动式半导体激光强化系统，实现形状复杂模具的激光表面处理，其特征是 由高功率半导体激光器、6轴全关节型工业机器人和光纤导光系统等集成。2.根据权利要求1所述移动式半导体激光强化系统，其特征是采用体积、重量小的半 导体激光器和非固定安装的工业机器人，可以方便实现整个系统的移动，实现工作现场模 具激光表面强化。3.根据权利要求1所述移动式半导体激光强化系统，其特征是半导体激光通过柔性 好、灵活方便的光纤导光系统进行传输，到达抓持在工业机器人手腕中的激光淬火工作头， 经过准直、聚焦后照射工件表面，在程序控制下对工件表面进行扫描加热，实现对工件表面 强化。全文摘要一种高效率、柔性化的形状复杂模具表面激光强化系统，该系统由高功率半导体激光器、6轴全关节型工业机器人和光纤导光系统等集成。本专利技术采用体积、重量小的半导体激光器和非固定安装的工业机器人，可以方便实现整个系统的移动，实现工作现场模具激光表面强化。本专利技术提出了半导体激光器、工业机器人和淬火工作头等之间的集成方法半导体激光通过柔性好、灵活方便的光纤导光系统进行传输，到达抓持在工业机器人手腕中的激光淬火工作头，经过准直、聚焦后照射工件表面，在程序控制下对工件表面进行扫描加热，实现对工件表面强化。本专利技术可以实现对大型、超大型，不便搬运的模具或零部件的现场加工处理，特别适合于多品种、变批量的柔性生产。文档编号C21D1/09GK102127620SQ20101002210公开日2011年7月20日 申请日期2010年1月20日 优先权日2010年1月20日专利技术者刘继常, 范滇元, 钟志华 申请人:湖南大学本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种移动式半导体激光强化系统，实现形状复杂模具的激光表面处理，其特征是：由高功率半导体激光器、６轴全关节型工业机器人和光纤导光系统等集成。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：刘继常，钟志华，范滇元，
申请(专利权)人：湖南大学，
类型：发明
国别省市：43