铣床实现复合加工工艺诀窍

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1、本文介绍在一台铣削加工中心上针对中小批量加工的功能集成所发挥的潜力。这种加工中心可以扩展激光焊接技术、硬化处理和切削加工或改变结构等功能。这种工艺的运用可以使单独的工具钢浇铸工具和高要求的钛合金或Cr-Co（铬-钴）钢质医学植入零件的小批量加工。激光技术工艺和工件的局部处理通过集成在机床上的机器人来实现。由此可以借助机械设备，在一次装夹过程中实现全部的复合加工工序。以带有移动工作台的铣床为基础复合机床以移动工作台结构类型的铣削加工中心为基础，装设有两个旋转工作台、一个6轴机械臂和两个激光加工单元（由一种连续作业的高效焊接和硬化处理的激光光源及一种脉冲激光光源

2、供能）。由于焊接和淬硬处理无需机床的高精度，因此可以在设备上集成一台节省空间的6轴机械臂，这样可以提高整体设备的利用效率。加工单元和能源链之间的接口不可拆分，因此整个介质的输送必须通过恒定设在加工单元上的软管进行。软管同时也用于对光纤的卸载。除了光导纤维之外，属于介质输送系统的还有两个导线引入系统、冷却水供水系统、工艺用气管路和信号电缆。软管通过机床上方的旋转臂与加工单元进行垂直连接和导入。导入臂一方面负责保证软管在工作区域内的垂直走向，另一方面确保光纤和电线传送系统的特定走向。导入臂、设备构架和机器人之间的机械相互作用可通过结构动态调节而达到最小。图1 机

3、床前端有一个供机器人使用的保护工作区。操作人员的安全通过一个设有传感器监视功能的激光保护罩加以保证推拉门设置在顶部更易于操作针对激光淬硬处理、焊接和切削技术，设备采用了高质量的激光束——2.4kW纤维激光器。这些技术的组合，虽然占据工艺流程上的优势，但也隐藏着威胁操作人员的潜在危险。一种符合技术现状、带有探头监视功能的激光保护罩确保了操作人员的安全（图1）。设备的前端为机器人的保护工作区，因此无需再有其他防护措施。通过激光隔离罩顶棚的推拉活动门，可以方便地进入工作区域，以实现天车的装载作业。通过采用高效纤维激光器，可以在结合光束偏转系统（激光扫描仪）的基础上

4、，首次把多种激光加工工艺集成到模块化的、可更换的加工单元里。复合方案以光束引导和光束聚焦为基础，运用一种2D扫描系统（图2）。采用带有聚阑平角光学仪器的光束偏转系统可以对接近正射光束扫描区域的被加工工件的表面实现柔性加工。在待加工的工件表面上达到近似正交的光束倾角。对此，可有目的地利用在光束传播范围内变动的强度分布，以实现不同的加工工艺和加工范围。图2 复合加工中心采用一种2D扫描系统，这种系统可以对激光导向和聚焦进行控制，通过对激光束的离散处理，可以实现激光焊接和激光淬火处理等加工发散激光器用于淬火处理大于1MW/mm2的焦点强度位于材料切削轴的上方，并被

5、用于局部蒸发。通过这种方式，可以在毫秒的范围内实现100μm以下的单脉冲钻孔。在向前传播的方向上，强度峰值逐渐降低，加工面上的激光束发生离散，由此工件表面的焦点会变得更大。在此光束离散的工作区域内，可以实现激光焊接和激光淬硬加工。在连续激光加工（cw模式）和功率密度<1kW/mm2时，大部分的热量进入到工件中，这些热量可以用于针对边缘区域相位转化的淬硬处理，在这种情况下，工件表面的硬化程度可局部升高（马氏体硬化）。在激光焊接时，可以利用这种热量对导向焦点的辅助线材进行熔化，通过熔池形成与母材金相相连的金属层。在载荷程度大的零件上，此金属层成为耐磨保护层，或在

6、控制金属生成（CMB）的情况下用于部件结构更新。采用2D扫描系统，可以在这两种使用场合中实现可调的轨迹宽度和灵活的加工轨迹。在淬硬处理时，采用几百赫兹激光和20mm以内的可调宽度对焦点进行扫描，并通过机器人同时对零件进行聚焦，由此可以生成加工轨迹。在机器人与工件的相对运动过程中，可通过设定扫描振幅来与轨迹宽度相匹配，由此可以生成灵活的淬硬轮廓。除了可以实现灵活的加工轨迹之外，通过对工件上焦点的扫描，可以确保均匀的温度分布，这对于工艺流程的结果具有关键性的影响。在进行焊接时，激光焦点扫描可用来影响熔池表面的特定温度分布，由此可以局部调节表面应力，在一定范围内调

7、整涂层轨迹的宽度。焦斑决定涂层宽度针对系统技术的实施，在复合式模块化的激光机器人单元中集成了带有2D扫描系统的垂直分配（散射方向）送丝系统（图3），能源链呈垂直连接。焊接和硬化处理或切削流程之间的转换需要激活或消除丝导入功能，并开启或关闭流程范围内外的丝导入嘴。通过丝导入嘴的相应回转能量，可以达到流程自动转换，减少激光硬化处理和激光切削时的不良轨迹轮廓。图3 机器人抓取激光加工单元并引导该单元，热丝输送系统和2D扫描系统与该激光加工单元相连接除此之外，为了在切削之后达到特定的设计结构，复合加工单元采用了一种结合3D高效光束偏转系统的中小功率的短脉冲激光装置。

8、由此可以生成脉冲峰值功率小于1GW/mm2的特定脉冲