趙文強(qiáng) 苗鴻賓 江 敏

（①中北大學(xué)機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，山西太原030051;②山西省深孔加工工程技術(shù)研究中心，山西太原 030051）

機(jī)床導(dǎo)軌是機(jī)床的基準(zhǔn)部件，為機(jī)床功能的實(shí)現(xiàn)提供了可靠基礎(chǔ)。在機(jī)床生產(chǎn)加工過程中，導(dǎo)軌受到了切削負(fù)荷產(chǎn)生的往復(fù)疊加力，容易造成運(yùn)動(dòng)段處的磨損、劃傷等各種表面缺陷。這造成了整個(gè)機(jī)床加工精度的降低，加工工件的誤差亦會(huì)隨之變大，如果磨損達(dá)到一定程度，整個(gè)生產(chǎn)都將無法繼續(xù)。

目前機(jī)床導(dǎo)軌的修復(fù)技術(shù)常常采用噴焊、電弧焊以及采用冷焊機(jī)等方式。隨著我國機(jī)械加工行業(yè)的快速發(fā)展和日益成熟，大型機(jī)床逐漸表現(xiàn)出高速、重載、高精度以及自動(dòng)化的特點(diǎn)［1］，傳統(tǒng)的導(dǎo)軌修復(fù)技術(shù)又存在一定的局限性，因此提高機(jī)床導(dǎo)軌的精度，增強(qiáng)導(dǎo)軌表面的耐磨性以及對(duì)導(dǎo)軌表面缺陷進(jìn)行快速修復(fù)日益引起人們的關(guān)注。近年來，我國激光再制造技術(shù)不斷發(fā)展，各種激光再制造設(shè)備日趨完善，光纖激光器逐步進(jìn)軍工業(yè)界，激光加工機(jī)器人獲得了很大發(fā)展，加之激光熔覆技術(shù)在表面改性方面相比傳統(tǒng)技術(shù)有著獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，利用激光熔覆技術(shù)對(duì)機(jī)床導(dǎo)軌進(jìn)行快速修復(fù)得以實(shí)現(xiàn)。激光熔覆是利用高能激光束加熱材料表面，將涂覆材料同基體表面一起熔化后快速凝固形成新的表面涂層，從而顯著改善基體材料表面的耐磨、耐熱、耐蝕、抗氧化及電氣特性等的工藝方法［2］。在激光加工中，激光束高能密度產(chǎn)生近似絕熱的快速加熱過程，對(duì)基材產(chǎn)生的熱影響較小，引起的變形也?。?］。目前，激光熔覆修復(fù)技術(shù)已經(jīng)成為當(dāng)前機(jī)械設(shè)備表面修復(fù)中的最好技術(shù)之一［4］。本文采用光纖激光再制造設(shè)備，利用激光熔覆修復(fù)技術(shù)對(duì)機(jī)床導(dǎo)軌表面磨損段涂覆一強(qiáng)化層，從而提高機(jī)床導(dǎo)軌的局部耐磨性和精度，延長其使用壽命。

1 光纖激光熔覆技術(shù)的原理

光纖激光熔覆是采用光纖激光作為光源，配套激光熔覆專用外光路系統(tǒng)、機(jī)器人、激光熔覆加工頭、送粉系統(tǒng)等設(shè)備，在需處理的零部件表面預(yù)置一層特制粉末材料，然后利用光纖激光器產(chǎn)生的高能激光束對(duì)涂層進(jìn)行快速掃描，預(yù)置粉末同基體金屬表面瞬間熔化成一薄層，兩者之間的界面在很窄區(qū)域內(nèi)迅速發(fā)生分子或原子級(jí)的交互擴(kuò)散，形成牢固的完全冶金結(jié)合，從而顯著提高零部件基體的各種特性，如耐磨性、耐蝕性以及硬度等性能。

光纖激光熔覆修復(fù)技術(shù)加工系統(tǒng)集光纖激光技術(shù)、機(jī)器人技術(shù)以及計(jì)算機(jī)數(shù)控技術(shù)于一體，構(gòu)成了高效的自動(dòng)化加工設(shè)備，成為工業(yè)領(lǐng)域中實(shí)行適時(shí)生產(chǎn)以及現(xiàn)場修復(fù)的理想設(shè)備和關(guān)鍵技術(shù)，為優(yōu)質(zhì)、高效、難加工和低成本的表面修復(fù)再制造領(lǐng)域開辟了廣闊的前景。

2 光纖激光熔覆技術(shù)的特點(diǎn)

與熱噴涂、堆焊、化學(xué)鍍等傳統(tǒng)表面改性技術(shù)相比，激光熔覆技術(shù)在眾多方面表現(xiàn)出了令人滿意的優(yōu)點(diǎn)，而在激光熔覆技術(shù)中，采用光纖激光器作為獲得高能激光束的來源更能獲得良好的表面特性。相比傳統(tǒng)的CO2激光器及YAG激光器，光纖激光熔覆技術(shù)具有如下特點(diǎn):①激光光束質(zhì)量提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)，有利于獲得小的聚焦光斑，更適合于精密加工及有色金屬的成型，可大大改善加工質(zhì)量;②采用光纖作為光路傳輸系統(tǒng)，易于實(shí)現(xiàn)有色金屬激光熔覆的惰性氣體保護(hù)，且適用的材料體系廣泛;③玻璃光纖制造成本低、技術(shù)成熟，光纖的可饒性具有小型化、集約化優(yōu)勢(shì);④光纖激光器能勝任惡劣的工作環(huán)境，對(duì)灰塵、振蕩、沖擊、濕度、溫度具有很高的容忍度;⑤光纖激光熔覆對(duì)基體熱影響更小，工件更不易變形，可對(duì)工件表面進(jìn)行局部區(qū)域處理，熔覆成品率較高;⑥光纖激光器的材料具有極低的體積面積比，散熱快、損耗低，轉(zhuǎn)換效率較高，激光閾值低;⑦光纖激光器的諧振腔內(nèi)無光學(xué)鏡片，具有免調(diào)節(jié)、免維護(hù)、高穩(wěn)定性的優(yōu)點(diǎn)，這是傳統(tǒng)激光器無法比擬的。

3 機(jī)床導(dǎo)軌的激光熔覆修復(fù)技術(shù)

3．1 加工設(shè)備

筆者采用光纖激光再制造成套設(shè)備對(duì)機(jī)床導(dǎo)軌進(jìn)行表面熔覆。該設(shè)備主要由IPG光纖激光發(fā)生器、川崎機(jī)器人、激光熔覆專用外光路系統(tǒng)、激光熔覆加工頭、送粉系統(tǒng)及冷卻機(jī)組等幾部分組成，能夠?qū)﹂L距離的導(dǎo)軌快速修復(fù)處理，操作方便簡單，大大地提高了生產(chǎn)效率。

3．1．1 光纖激光器

該光纖激光器為德國IPG光纖激光發(fā)生器，配備相應(yīng)的控制軟件，該軟件可存貯幾十組激光程序供實(shí)際加工使用，可自行控制激光器的各種動(dòng)作，并可對(duì)輸出激光進(jìn)行波形控制，如正弦波形、方型光波、脈沖調(diào)制、能量的緩升緩降等波形，IPG負(fù)責(zé)對(duì)此軟件進(jìn)行免費(fèi)升級(jí)。激光器用電標(biāo)準(zhǔn)要求符合中國標(biāo)準(zhǔn)并配備高功率清潔工具箱及用于控制激光系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)。

3．1．2 光束傳輸系統(tǒng)

光束傳輸系統(tǒng)是光纖激光設(shè)備的傳輸部分，本系統(tǒng)配備1根光纖，連接到激光熔覆頭。光纖柔性傳輸激光，可彎曲最小半徑200 mm。激光光纖在傳輸能量時(shí)具有完善的自保護(hù)功能，在光纖磨損老化、過熱、折彎半徑過小和激光泄漏等情況下能自動(dòng)切斷光路或關(guān)閉激光器，確保人員安全和光纖使用安全。

3．1．3 機(jī)器人系統(tǒng)

本系統(tǒng)所選用的機(jī)器人是日本川崎機(jī)器人，包括機(jī)器人本體、示教盒、機(jī)器人控制柜及供電電纜。機(jī)器人采用動(dòng)態(tài)模型優(yōu)化，加速性能良好，能夠優(yōu)化工作節(jié)拍;控制柜采用熟悉的個(gè)人電腦操作界面，方便用戶使用;示教盒具有示教、編程、存儲(chǔ)、檢測、安全保護(hù)、絕對(duì)位置檢測記憶以及軟PLC等功能。在機(jī)器人系統(tǒng)中，使用RS－232電纜來連接計(jì)算機(jī)和控制器，可使一臺(tái)單獨(dú)的計(jì)算機(jī)控制一臺(tái)單獨(dú)的機(jī)器人，也可以通過以太網(wǎng)連接使多臺(tái)計(jì)算機(jī)控制多臺(tái)機(jī)器人。本次加工過程中，采用一臺(tái)聯(lián)想筆記本電腦來控制單獨(dú)的一臺(tái)機(jī)器人。

3．1．4 送粉器系統(tǒng)

該送粉器系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)長距離的粉末輸送，是實(shí)施激光加工的輔助設(shè)備，并可同步送粉，能滿足三維激光熔覆及激光快速成型工藝的要求。功能特點(diǎn)主要包括送粉量精確、穩(wěn)定并可連續(xù)可調(diào);單片機(jī)和觸摸屏控制，性能穩(wěn)定、安全可靠;可實(shí)現(xiàn)加工設(shè)備（如激光器）控制主機(jī)的集成控制;送粉噴嘴具有泄壓、水冷、氣流壓縮和煙塵飛濺氣簾保護(hù)功能。

3．1．5 冷卻機(jī)組

冷卻機(jī)組為激光器和外光路系統(tǒng)提供循環(huán)冷卻水，帶走激光器在電光轉(zhuǎn)換過程中產(chǎn)生的多余熱量以及外光路鏡片反射激光束過程中所吸收的熱量，維持激光系統(tǒng)在工作過程中的熱平衡，是系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的保障。冷水機(jī)組采用全自動(dòng)控制運(yùn)行方式，具有制冷劑壓力、超溫、超壓、斷水、欠流、防凍過載、斷相等安全保護(hù)功能，可靠性高，操作簡便，易維護(hù)。

3．2 機(jī)床導(dǎo)軌激光熔覆的步驟

本次實(shí)驗(yàn)針對(duì)深孔鉆鏜床的導(dǎo)軌磨損處進(jìn)行修復(fù)，該深孔加工機(jī)床型號(hào)為T2120，最大鏜孔直徑200 mm，最大鏜孔深度3 000 mm，導(dǎo)軌長約10 m，運(yùn)動(dòng)段易磨損段長為2 m，受磨損需修復(fù)處共有3處，每處需修復(fù)面積約為25 cm2，由于機(jī)床導(dǎo)軌的移動(dòng)性差，不適合進(jìn)行裝卡修復(fù)，故采用光纖激光再制造移動(dòng)式設(shè)備進(jìn)行激光熔覆很好地解決了該問題。激光熔覆粉末材料選用鎳基自熔性粉末，牌號(hào)為3540，其主要成分包括 Ni、Cr、B、Si等，該系列粉末適于要求局部抗熱疲勞、耐熱腐蝕及耐磨損的構(gòu)件，能形成硬度高、組織致密、無裂紋、無氣孔夾雜塌陷的鎳基涂層，工藝性能良好［5］。在實(shí)際使用過程中，可添加適量的鉭來使涂層裂紋敏感性降低，得到更好的質(zhì)量效果［6］。

首先將機(jī)床導(dǎo)軌磨損處進(jìn)行表面初期處理。表面初期處理主要是為了除掉零部件表面需修復(fù)部位的污垢和銹蝕，使其表面狀態(tài)能夠滿足后續(xù)的同步或預(yù)置粉末激光熔覆要求，主要包括工件表面清洗和打坡口等［7］。在熔覆工作開始前要通過了解工件材質(zhì)和導(dǎo)軌先前的熱處理狀態(tài)來確定熔覆的工藝方法以及熔覆位置尺寸和形狀等。本次使用的導(dǎo)軌材質(zhì)為HT200，在此基礎(chǔ)上制定完善的修復(fù)方案，包括修復(fù)前機(jī)加工方法、熔覆粉末材料、送粉方法、激光掃描方式及掃描速度、所用的激光功率大小及光斑大小、工藝過程中工件溫度控制、單層熔覆厚度、熔覆后熱處理方法、修復(fù)后機(jī)加工處理時(shí)余量控制等。

接著對(duì)設(shè)備進(jìn)行加水，通過水箱后置的兩進(jìn)口對(duì)冷卻機(jī)組進(jìn)行充水，水的量一定要加足，以保證激光熔覆過程的正常進(jìn)行，然后設(shè)定溫度使所加水達(dá)到所需溫度。之后檢查并打開加工系統(tǒng)中所連接進(jìn)的兩瓶高純氮?dú)?，這兩瓶氮?dú)夥謩e用于實(shí)現(xiàn)保護(hù)光路和為送粉裝置提供壓力。再進(jìn)行校正、編寫AS加工程序、驗(yàn)證激光功率及掃描速度。最后啟動(dòng)程序，出光加工。加工過程中要及時(shí)反饋信息，通過隨時(shí)觀察熔覆狀況，如工件的溫度、熔覆層的厚度、反射光位置、搭接率、平整度等，控制好熔覆的加工節(jié)奏。

熔覆結(jié)束后，首先對(duì)導(dǎo)軌熔覆層的外觀質(zhì)量進(jìn)行檢驗(yàn)，通過肉眼來觀察熔覆層是否有缺陷，如是否存在高點(diǎn)、低洼點(diǎn)或咬邊等現(xiàn)象，還需著色探傷熔覆層表面是否有裂紋，必要時(shí)可進(jìn)行超聲波探傷，以檢測熔覆層內(nèi)部質(zhì)量。然后采用便攜硬度計(jì)檢測熔覆層硬度，并對(duì)機(jī)床導(dǎo)軌的位置精度和尺寸精度進(jìn)行檢測。若符合要求則對(duì)激光熔覆后的導(dǎo)軌進(jìn)行機(jī)加工后處理，包括對(duì)熔覆層的磨削或手工打磨等，以使導(dǎo)軌表面達(dá)到最終尺寸精度及表面粗糙度等要求。

3．3 機(jī)床導(dǎo)軌表面激光熔覆的數(shù)控參考程序

在機(jī)床導(dǎo)軌激光熔覆修復(fù)過程中使用的川崎機(jī)器人控制器為E系列，該系列由名為AS的軟件系統(tǒng)控制。在AS系統(tǒng)中，用戶可以和機(jī)器人進(jìn)行通訊，也可以通過AS語言開發(fā)程序。AS系統(tǒng)根據(jù)給定的指令和程序控制機(jī)器人，可實(shí)現(xiàn)顯示系統(tǒng)狀態(tài)或機(jī)器人位姿（位置和姿態(tài)）、保存數(shù)據(jù)到外部存儲(chǔ)設(shè)備、編寫/編輯程序等多項(xiàng)功能。相比其他系統(tǒng)，AS具有如下特點(diǎn):①可以使機(jī)器人沿著連續(xù)的路徑軌跡運(yùn)動(dòng)（CP運(yùn)動(dòng)）;②提供了2種坐標(biāo)系統(tǒng)，基礎(chǔ)坐標(biāo)系和工作坐標(biāo)系;③可實(shí)現(xiàn)中斷功能;④坐標(biāo)系可以按工作位姿的改變進(jìn)行平移或旋轉(zhuǎn)等。

機(jī)床導(dǎo)軌表面激光熔覆即運(yùn)用AS語言進(jìn)行編寫，在程序編寫中需實(shí)現(xiàn)激光熔覆過程中的往復(fù)修復(fù)，設(shè)熔覆層橫向邊長為50 mm，激光加工系統(tǒng)中程序速度為1 000 mm/min，加工過程的部分參考程序如下:

3．4 機(jī)床導(dǎo)軌激光熔覆的有限元模擬

激光熔覆是快速熔化和凝固的過程，其熱力學(xué)過程復(fù)雜，各種參量的變化難以實(shí)驗(yàn)測定，這使數(shù)值模擬方法在該領(lǐng)域內(nèi)具有很大的應(yīng)用空間［8］。對(duì)機(jī)床導(dǎo)軌激光熔覆過程進(jìn)行有限元的模擬仿真不僅能使我們更清楚地了解激光熔覆過程中的各種情況，更能為激光熔覆過程的工藝控制提供重要的指導(dǎo)意義，而對(duì)激光熔覆過程中的溫度場的仿真模擬則是該有限元模擬中的關(guān)鍵部分。筆者利用ANSYS12.0，通過編寫APDL程序施加移動(dòng)載荷對(duì)機(jī)床導(dǎo)軌的激光熔覆過程中的溫度場進(jìn)行模擬仿真，得到了激光熔覆修復(fù)過程中導(dǎo)軌熔覆層的溫度分布模擬圖。

3．4．1 機(jī)床導(dǎo)軌溫度場分析的步驟

機(jī)床導(dǎo)軌的激光熔覆溫度場的模擬遵循普通有限元分析的一般步驟，唯一不同的是激光熱源的加載需通過編寫APDL程序施加移動(dòng)載荷來實(shí)現(xiàn)。本文采用建立三棱柱模型來模擬導(dǎo)軌形態(tài)，其分析的步驟大致如下［9］:①確定模型的分析類型。激光熔覆有限元模擬屬于非線性瞬態(tài)熱力學(xué)分析，故選擇瞬態(tài)熱分析;②進(jìn)入前處理器選擇單元類型。在ANSYS12.0中提供了多種單元來模擬各種傳熱問題，在本模擬中，采用SOLID70單元來實(shí)現(xiàn)激光加工中的三維熱傳導(dǎo)問題;③根據(jù)實(shí)際情況輸入材料物性;④建立導(dǎo)軌模型并劃分出單元。導(dǎo)軌模型采用直接建模方法，建立一三棱柱來模擬導(dǎo)軌，在劃分單元時(shí)采取映射網(wǎng)格劃;⑤施加載荷并確定時(shí)間幾步長。在激光熔覆過程中，激光束處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，這就需要我們通過編寫APDL語言循環(huán)語句來實(shí)現(xiàn)，具體使用方法為“生死單元法”，即在計(jì)算的開始時(shí)設(shè)定所有熔覆層單元為死單元，在以后的每一步計(jì)算中先判斷所有的死單元是否落入激光束的照射區(qū)域，若落入則將其激活納入計(jì)算模型中;⑥開始求解。求解過程中需進(jìn)行大量運(yùn)算，要耐心等待;⑦進(jìn)入后置處理器中得到所要結(jié)果文件。

3．4．2 溫度場模擬結(jié)果與分析

對(duì)機(jī)床導(dǎo)軌激光熔覆過程的溫度場模擬是一個(gè)復(fù)雜的過程。圖1是第7 s時(shí)刻的溫度場云圖顯示，從圖中可以看到，機(jī)床導(dǎo)軌激光熔覆過程中熔池內(nèi)的等溫線呈橢圓形，溫度呈梯度分布并集中在熔池附近，在導(dǎo)軌受激光照射加工時(shí)，溫度急劇上升，而當(dāng)激光光源移開該處后，導(dǎo)軌受基材自冷作用表面溫度迅速降低，即呈現(xiàn)出急冷急熱特征，在光斑沿導(dǎo)軌表面移動(dòng)的過程中，熔池隨光源同步移動(dòng)，溫度場亦隨之變化。這與實(shí)際情況相符。

對(duì)導(dǎo)軌激光熔覆過程的有限元模擬有助于我們對(duì)激光熔覆層組織形成機(jī)制及凝固過程有更好的認(rèn)識(shí)，在溫度場有限元模擬的基礎(chǔ)上，我們可以進(jìn)一步研究導(dǎo)軌激光熔覆過程中殘余應(yīng)力的計(jì)算以及熔池流場的模擬等。

3．5 熔覆結(jié)果

采用激光熔覆修化技術(shù)對(duì)機(jī)床導(dǎo)軌磨損處涂覆的合金熔覆層，經(jīng)檢測3處熔覆處表面硬度平均達(dá)到55 HRC，大大提高了機(jī)床導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)段處的耐磨損性和其他機(jī)械性能。將該導(dǎo)軌投入生產(chǎn)使用中，所加工出的深孔零件精度相比修復(fù)前提高了40%。實(shí)踐表明，采用光纖激光再制造設(shè)備對(duì)機(jī)床導(dǎo)軌進(jìn)行激光熔覆再修復(fù)的工藝方法可行并有可觀的前景。

4 結(jié)語

光纖激光熔覆修復(fù)技術(shù)是利用高性能激光束優(yōu)良的特性，在金屬材料表面形成與基體呈冶金結(jié)合的高硬度、無裂紋、高性能涂層，是集光纖制造技術(shù)、激光熔覆技術(shù)、機(jī)器人技術(shù)與數(shù)控加工技術(shù)于一體的先進(jìn)制造技術(shù)。光纖激光熔覆修復(fù)后的機(jī)床導(dǎo)軌的使用壽命大大提高。該方法具有技術(shù)先進(jìn)、修復(fù)方便、安全性高等突出特點(diǎn)。應(yīng)用光纖激光熔覆技術(shù)修復(fù)機(jī)床導(dǎo)軌，可以減少機(jī)床導(dǎo)軌的更換檢修時(shí)間，提高機(jī)床整體的加工精度，并可實(shí)現(xiàn)機(jī)床的實(shí)時(shí)快速修復(fù)，節(jié)約大量資金，對(duì)于實(shí)現(xiàn)綠色制造與建設(shè)節(jié)約型社會(huì)有著廣泛而深遠(yuǎn)的意義。

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