一種高速銑削-激光切焊復(fù)合加工工藝及其可重組多軸數(shù)控加工系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于材料加工技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種機(jī)械銑削-激光切焊復(fù)合數(shù)控加工工藝及可重組多軸數(shù)控加工系統(tǒng)，尤其適用于金屬材料的高速銑削-激光切割和焊接。
【背景技術(shù)】
[0002]近幾十年，隨著激光器制造工藝的不斷進(jìn)步，激光加工技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，其中激光切割和激光焊接是激光加工行業(yè)中應(yīng)用最廣泛的兩項(xiàng)技術(shù)。
[0003]激光切割技術(shù)是通過(guò)激光所產(chǎn)生的巨大能量直接使材料熔化甚至汽化，并通過(guò)輔助氣體將被熔化或汽化的材料吹除，從而達(dá)到切割的目的。與傳統(tǒng)的切割方式相比，激光切割具有高柔性、非接觸式、切割質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于汽車(chē)制造、航空航天等領(lǐng)域。
[0004]激光焊接技術(shù)是利用高能量密度的激光束作為熱源的一種高效的焊接方法，與目前廣泛應(yīng)用的電弧焊、氣焊、電阻焊等傳統(tǒng)的焊接方法相比，激光焊接具有焊接速度快、變形小和焊接質(zhì)量高等優(yōu)點(diǎn)。
[0005]然而在不同機(jī)床設(shè)備上分別完成激光切割、激光焊接和高速銑削需要反復(fù)拆裝、定位，不僅耗時(shí)耗力而且會(huì)造成加工精度偏低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于提供一種高速銑削-激光切焊復(fù)合加工工藝及其可重組多軸數(shù)控加工系統(tǒng)，本發(fā)明可以在一臺(tái)數(shù)控系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)高速銑削和激光切割、激光焊接三種工藝的組合加工，并且能夠在不更換工裝的情況下實(shí)現(xiàn)三種功能的切換，完成工件的全部銑削/切割/焊接工藝，有效解決以往銑削+手工切割工藝或者多臺(tái)單一功能機(jī)床組合加工時(shí)必須反復(fù)拆卸、定位工裝所造成的加工精度偏低、耗時(shí)耗力的技術(shù)難題，從而簡(jiǎn)化工藝流程、大幅度提高工件的加工精度和生產(chǎn)效率、顯著降低設(shè)備投入及制造成本。
[0007]本發(fā)明提供的一種高速銑削-激光切焊復(fù)合加工工藝，其特征在于，在整個(gè)加工流程中，數(shù)控系統(tǒng)自動(dòng)識(shí)別并拾取激光切割動(dòng)力頭，并控制加工頭運(yùn)動(dòng)到指定加工起始點(diǎn)，按照編程路徑進(jìn)行激光切割，數(shù)控系統(tǒng)控制機(jī)床主軸與激光切割動(dòng)力頭脫離，自動(dòng)識(shí)別并拾取銑頭，銑頭運(yùn)動(dòng)到加工起始點(diǎn)，按照編程路徑進(jìn)行高速銑削，銑削完成后，工裝夾具將銑邊對(duì)縫等待焊接，數(shù)控系統(tǒng)控制機(jī)床主軸與銑頭脫離，并運(yùn)動(dòng)到激光焊接動(dòng)力頭位置，自動(dòng)識(shí)別并拾取激光焊接動(dòng)力頭，從系統(tǒng)指定焊接起始點(diǎn)開(kāi)始焊接，焊接完成后，機(jī)床主軸與焊接頭脫離，完成整個(gè)高速銑削-激光切焊復(fù)合加工工藝，整個(gè)加工過(guò)程中無(wú)需對(duì)工件進(jìn)行反復(fù)的拆裝和定位，使加工精度和生產(chǎn)效率得以提高。
[0008]本發(fā)明提供的一種可重組大型多軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控高速銑削-激光切焊復(fù)合加工系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)包括激光器、數(shù)控系統(tǒng)、數(shù)控機(jī)床、機(jī)床主軸、工裝夾具、激光切割動(dòng)力頭、激光焊接動(dòng)力頭和銑頭；
[0009]激光器和數(shù)控系統(tǒng)利用線(xiàn)纜連接，數(shù)控系統(tǒng)用于控制激光器出光關(guān)光及數(shù)控機(jī)床的運(yùn)動(dòng)，激光器的光纖在數(shù)控機(jī)床里面走線(xiàn)，連接到激光切割動(dòng)力頭和激光焊接動(dòng)力頭上，激光切割動(dòng)力頭、激光焊接動(dòng)力頭或銑頭安裝在機(jī)床主軸上，激光切割動(dòng)力頭、激光焊接動(dòng)力頭和銑頭具有一致的機(jī)械和通訊連接接口，機(jī)床主軸能夠在數(shù)控系統(tǒng)控制下選擇相應(yīng)的加工頭，實(shí)現(xiàn)激光切割動(dòng)力頭、激光焊接動(dòng)力頭、銑頭的自動(dòng)更換;工裝夾具安裝在所述數(shù)控機(jī)床上，用于安裝待加工工件。
[0010]具體而言，本發(fā)明具有如下技術(shù)效果:
[0011](I)本發(fā)明是基于實(shí)際材料加工過(guò)程提出的一種適用于絕大多數(shù)生產(chǎn)場(chǎng)合的高速銑削-激光切焊復(fù)合加工工藝的方法與設(shè)備。該方法將三種常見(jiàn)的加工手段進(jìn)行組合，只需更換不同的加工頭，就能夠在同一設(shè)備上進(jìn)行加工，避免更換設(shè)備，耗費(fèi)工時(shí)。
[0012](2)本發(fā)明所述方法能夠?qū)娤髦蟮墓ぜ苯舆M(jìn)行焊接，無(wú)需設(shè)備的更換，可以有效的避免工件氧化或者污染的情況，提高焊接質(zhì)量。
[0013](3)本發(fā)明所述方法能夠?qū)^大多數(shù)形狀的工件進(jìn)行加工，能夠適用于各種場(chǎng)合，且能夠使用與包括鋁合金、鎂合金、鈦合金、高溫合金、鋼材在內(nèi)的絕大部分金屬材料;不但可用于加工規(guī)整的圓筒、平板薄壁結(jié)構(gòu)件，還可用于橢圓、汽車(chē)白車(chē)身、運(yùn)載火箭瓜瓣等復(fù)雜曲面結(jié)構(gòu)的切割和焊接制造。
[0014](4)本發(fā)明所述的方法和裝備能夠?qū)崿F(xiàn)一體化的裝備控制，通過(guò)總控平臺(tái)達(dá)到控制整個(gè)機(jī)床、銑頭、激光切割和焊接動(dòng)力頭、工裝夾具、激光器的目的，大大提高加工的便利和效率。
[0015](5)本發(fā)明所述的裝備可以采用在激光熱源旁加裝電弧熱源作為次級(jí)熱源，組成焊接效率更高、缺陷更少的激光-電弧復(fù)合焊接方法來(lái)提高焊縫質(zhì)量，所采用的電弧熱源形式包括惰性氣體鎢極氬弧焊(TIG)、熔化極惰性/活性氣體保護(hù)焊(MIG/MAG)、埋弧焊等。通過(guò)增加次級(jí)熱源，能夠增強(qiáng)熔池流動(dòng)能力，同時(shí)電弧對(duì)熔池的攪拌作用有利于熔池中氣泡的溢出，減少焊縫的氣孔缺陷。
[0016](6)本發(fā)明所述的裝備能夠大幅度縮短生產(chǎn)周期，提高加工質(zhì)量和生產(chǎn)效率，降低制造成本、勞動(dòng)強(qiáng)度和噪音污染，是一種綠色環(huán)保、高效清潔的先進(jìn)制造技術(shù)，能夠解決運(yùn)載火箭制造流程工序多、流程長(zhǎng)的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)我國(guó)運(yùn)載火箭箭體制造的小批量生產(chǎn)示范應(yīng)用，全面提升我國(guó)運(yùn)載火箭制造技術(shù)的核心競(jìng)爭(zhēng)力。
【附圖說(shuō)明】
[0017]圖1為本發(fā)明實(shí)例提供的可重組大型多軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控高速銑削-激光切焊復(fù)合加工設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖；
[0018]圖2為銑頭與激光切割動(dòng)力頭和焊接頭工作示意圖；
[0019]圖3為激光切割動(dòng)力頭加工平板的工作示意圖；
[0020]圖4為銑頭加工平板的工作示意圖；
[0021 ]圖5為激光焊接動(dòng)力頭加工平板的工作示意圖；
[0022]圖6為激光切割動(dòng)力頭加工圓形瓜瓣的工作示意圖；
[0023]圖7為銑頭加工圓形瓜瓣的工作示意圖；
[0024]圖8為激光焊接動(dòng)力頭加工圓形瓜瓣的工作示意圖；
[0025]圖9為激光-電弧復(fù)合焊接頭加工平板的工作示意圖；
[0026]圖10為激光-電弧符合喊街頭加工圓形瓜瓣的工作示意圖；
[0027]圖11是兩坐標(biāo)激光加工頭整體結(jié)構(gòu)圖；
[0028]圖12是兩坐標(biāo)激光加工頭C軸結(jié)構(gòu)圖；
[0029]圖13是兩坐標(biāo)激光加工頭A軸結(jié)構(gòu)圖；
[0030]圖14是兩坐標(biāo)激光加工頭連接端面的結(jié)構(gòu)圖；
[0031 ]圖15是激光切割光學(xué)組件更換為激光焊接光學(xué)部件結(jié)構(gòu)圖；
[0032]圖16是兩坐標(biāo)激光加工頭快速更換為銑頭的結(jié)構(gòu)圖；
[0033]圖中，1.激光器，2.控制平臺(tái)，3.數(shù)控系統(tǒng)，4.數(shù)控機(jī)床，5.機(jī)床主軸，51.滑枕，52.旋轉(zhuǎn)軸，6.工裝夾具，61.底座，62.夾具，7.激光切割動(dòng)力頭，71.切割單擺頭，72.激光切割光學(xué)部件，8.激光焊接動(dòng)力頭，81.焊接單擺頭，82.激光焊接光學(xué)部件，9.銑頭，10.銑削工件，11.切割工件，12.待焊接件，13.針床，14.平板工件，15.切口，16.切割路徑，17.焊接工件，18.激光焊接焊縫，19.焊接路徑，20.工件，21.平板復(fù)合焊接焊縫，22.電弧焊槍?zhuān)?3.瓜瓣復(fù)合焊接焊縫，24.拉鉤，25.光纖通道，26.水電氣通道，27.C軸軸體，28.方形法蘭，29.光纖出口，30.光纖，31.旋轉(zhuǎn)軸，32.連接端面，33.水電氣接口，34.側(cè)面定位銷(xiāo)，35.A軸電機(jī)，36.法蘭盤(pán)，37.連接滑塊，38.定位銷(xiāo)，39.水氣接口，40.拉緊油缸，41.電線(xiàn)接口，42.端齒盤(pán)，43.A軸，44.C軸，45.A軸軸體，46.連接圓盤(pán)
【具體實(shí)施方式】
[0034]材料加工中，機(jī)械銑削、激光切割和激光焊接都屬于獨(dú)立的材料加工技術(shù)，且在發(fā)展中都取得了很大的進(jìn)展。將這三種技術(shù)進(jìn)行組合，使用同一臺(tái)數(shù)控機(jī)床加工工件，能夠代替手工切割、化學(xué)銑削和手工焊接，且避免了更換設(shè)備、重新工裝帶來(lái)的裝備精度不高、工件變形等問(wèn)題，解決了生產(chǎn)流程工序多、流程長(zhǎng)的問(wèn)題，提高了生產(chǎn)質(zhì)量、效率，消除環(huán)境污染、降低噪聲、振動(dòng)和工人勞動(dòng)強(qiáng)度。
[0035]本發(fā)明提供的一種高速銑削-激光切焊復(fù)合加工工藝，該工藝的特征在于，在整個(gè)加工流程中，數(shù)控系統(tǒng)自動(dòng)識(shí)別并拾取激光切割動(dòng)力頭，并控制加工頭運(yùn)動(dòng)到指定加工起始點(diǎn)，按照編程路徑進(jìn)行激光切割，數(shù)控系統(tǒng)控制機(jī)床主軸與激光切割動(dòng)力頭脫離，自動(dòng)識(shí)別并拾取銑頭，加工頭運(yùn)動(dòng)到加工起始點(diǎn)，按照編程路徑進(jìn)行高速銑削，銑削完成后，工裝夾具將銑邊對(duì)縫等待焊接，數(shù)控系統(tǒng)控制機(jī)床主軸與銑頭脫離，并運(yùn)動(dòng)到激光焊接動(dòng)力頭位置，自動(dòng)識(shí)別并拾取激光焊接動(dòng)力頭，從系統(tǒng)指定焊接起始點(diǎn)開(kāi)始焊接，焊接完成后，機(jī)床主軸與激光焊接動(dòng)力頭脫離，完成整個(gè)高速銑削-激光切焊復(fù)合加工工藝。整個(gè)加工過(guò)程中無(wú)需對(duì)工件進(jìn)行反復(fù)的拆裝、定位等工序，提高了加工精度，并大幅度提高了生產(chǎn)效率。
[0036]上述工藝在整個(gè)加工流程中，不局限于先切割，再銑削，最后焊接的加工順序。可以根據(jù)實(shí)際工藝需求，合理安排加工順序。
[0037]上述技術(shù)方案高速銑削-激光切焊復(fù)合加工工藝可以采用下述任何一種或幾種方式進(jìn)行改進(jìn):
[0038](I)高速銑削的主軸轉(zhuǎn)速為5000r/min?40000r/min，更優(yōu)選的范圍為10000r/min?20000r/min。激光功率為300W?I OOOOff，更優(yōu)選的范圍為2000W?8000W。
[0039](2)激光切割速度為lm/min?12m/min，優(yōu)選的范圍為lm/min?5m/min;離焦量為-4mm?+5mm，更優(yōu)選的范圍為-4mm?O ;噴嘴到工件上表面距離為O?5mm，更優(yōu)選的范圍為0.5mm?I.5mm;輔助氣體壓力為0.3MPa?2.0MPa，更優(yōu)選的范圍為0.9MPa?1.7MPa。
[0040](3)激光焊接速度為0.5m/min?30m/min，更優(yōu)選的范圍為lm/min?6m/min;作用于工件表面的激光光斑直徑為0.1mm?5mm，更優(yōu)