一种用于管状工件内壁激光处理的加工装置 技 术领域
本发明涉及一种激光表面加工装置，它特别适合于长管状工件内壁的激光硬化处理。
技术背景
管状工件的内壁硬化处理一直是工程界广泛关注的课题。尽管传统的硬化方法能够实现管状工件内壁的硬化处理，但复杂的工艺和昂贵的设备费用阻碍了其在工业中的应用。而随着激光技术发展起来的激光表面硬化处理方法有其独特的技术优势，不但处理工艺简单、自动化程度高，而且可以获得很高的表面硬度。中国专利文献“用于管状工件内表面激光强化的加工装置”(公告号为CN2581461Y，公告日为2003年10月22日)公开了一种对管状工件内表面激光强化的加工装置，该装置包括激光器、专用加工装置、导光筒及其定位固定支架，加工时将激光束用导光筒引入工件内对内壁实现硬化处理。然而，该装置存在以下一些缺点：1、工件的装卸不方便，效率较低。该文献中，专用加工装置和由前后两个固定支架支撑的导光筒均各自构成“龙门”式结构，而且导光筒是贯穿于整个管状零件之中的。因此，在每次安装和拆卸工件时，都必须重复地将导光筒从其固定支架拆下并从加工工件内孔中取出。同时，在每次激光处理工件前都要需要将导光筒重新固定并调整到工件的轴心，从而降低了加工地工作效率。2、激光能量的额外损失大。该装置设有管状工件的冷却水管，在加工时采用冷却水对管状工件外壁进行冷却，并在导光筒中通以惰性保护气流。由于水的蒸发和保护气流会带走大量热量，从而降低了激光能量的利用率和硬化处理效果。3、加工工件的工作环境差。在加工过程中，冷却工件外壁的水在蒸发时会产生大量的水蒸汽，同时惰性保护气流会从管状工件中带出大量加工粉尘，由于没有有效的回收工具，这两种加工产物使加工环境的质量变得很差。同时，工件外壁的冷却水会造成工件和加工设备的锈蚀，影响设备的长期稳定工作。
由此可以看出，虽然长筒件内表面的激光强化处理在处理技术上已经不存在任何问题，但目前的激光处理设备的工作效率低是其工业化应用的巨大障碍。因而，如何通过对加工设备的技术改造，提高激光处理工件的效率是非常关键的问题。
【发明内容】
本发明的目的在于克服上述现有设备的不足，提供一种用于管状工件内壁激光处理的加工装置，在可达到或超过现有技术的处理效果的同时，该加工装置不仅具有工件装卸方便，效率高的特点，而且具有激光能量利用率高，加工工作环境较好的优点。
本发明提供的一种用于管状工件内壁激光处理的加工装置，包括激光器、光学镜筒、工件夹持旋转装置和活动工作台，其特征在于：该加工装置还包括抽气管，光学镜筒固定在激光器的光腔的出光口，定位夹具位于工件夹持旋转装置的二端，二者均位于活动工作台的台面上；工作时，管状工件固定在工件夹持旋转装置上，并由定位夹具定位，光学镜筒的一端伸入管状工件内，与抽气装置相连的抽气管亦伸入管状工件内。
上述活动工作台的台面上可设有并列的二套定位夹具和二套工件夹持旋转装置。
与现有技术相比，本发明具有以下技术效果：
1、本发明将光学镜筒直接固定在激光器的光腔出口处，构成“悬臂“式结构，当光学镜筒与工件的轴心度一经调试合格后，在后续的工件装卸和加工过程中都不需要再对镜筒作任何的调整，解决了现有“龙门”式导光筒设计所带来的装卸工件不便和效率较低的问题。
2、本发明独特的抽气设计吸收了加工时出现的粉尘，既解决了激光加工时飞溅物对反射镜的污染和损伤，也保护了工作环境。
3、本发明不需要任何的对管状工件的冷却措施，也不需要内通任何气体冷却和保护工作镜头，提高了激光能量的利用率，降低了加工成本，同时不会导致镜片的损伤和工件的高温变形。
采用本发明的改进方案--双工作位设计，即工作台面平行排列两套工件夹持旋转装置和定位夹具。当激光处理一个工件的同时，则在另一套工件夹持旋转装置上进行下一个工件的装夹，并如此循环，进一步提高了加工效率。
【附图说明】
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的工件夹持旋转装置的一种具体实施方式的结构示意图；
图3为本发明的光学镜筒的一种具体实施方式的结构示意图；
图4为双工作位加工装置的结构示意图。
【具体实施方式】
下面结合附图和实例对本发明作进一步详细的说明。
如图1所示，本发明主要包括激光器12、X-Y平面数控机床5、定位夹具6、工件夹持旋转装置9和光学镜筒10。光学镜筒10固定在激光器12的光腔11的出光口，构成“悬臂“式结构。定位夹具6和工件夹持旋转装置9位于X-Y平面数控机床5的台面上，管状工件8固定在工件夹持旋转装置9中。光学镜筒10的一端插入管状工件8中。抽气管4的一端与抽气装置3相连，另一端伸入管状工件8中。
如图2所示，夹持旋转装置9由左、右二个卡盘2-1、2-1′、步进电机2-2，变速机构2-3和手柄2-4构成。二个卡盘2-1、2-1′单独进行夹紧和松开动作，并能够在数控系统的控制下随步进电机2-2一同旋转。当步进电机2-2不工作时，旋转手柄2-4可以带动左、右二个卡盘2-1、2-1′同时转动，从而在装夹工件时方便装夹。
定位夹具6由位于工件夹持旋转装置9两侧的二个翻盖式铰链结构的夹具构成，它既能起快速定位作用，又能保证管状工件轴心与工件夹持旋转装置9的卡盘的轴心一致。具体举例说明如下：采用翻盖式铰链结构设计，两端的定位夹具安装在X-Y平面数控机床上的燕尾槽中，可沿燕尾槽自由滑动。
如图3所示，光学镜筒10内设聚焦镜1-4，在聚焦镜1-4的焦点处设反射镜1-2，光学镜筒10的壁上设反射光出光孔1-3。反射镜1-2为一个整体的45°铜镜，其背部为中空腔，构成冷却水腔1-1。冷却水管2的一端与冷却水腔1-1可插拔式相连，另一端与冷却水机组1相连。为操作方便，通常将冷却水管2与抽气管4固定在一起。
装夹管状工件8时，管状工件8穿入工件夹持旋转装置9中，由定位夹具6上的压盖7夹紧管状工件8的两端，使管状工件8的轴心与光学镜筒10的轴心重合，并由工件夹持旋转装置9上的卡盘固定工件。反射镜冷却水管2从激光入射反方向穿入管状工件8中与光学镜筒10相连，与反射镜冷却水管2固定在一起的抽气管4也一起穿入管状工件8中。
激光加工时，数控系统控制工件夹持旋转装置9带动管状工件8旋转，同时X-Y平面数控机床5沿管状工件8的径向作直线运动，且直线运动的方向为激光入射反方向，从而在工件内壁产生螺旋面扫描。
为进一步提高加工效率，可采用如图4所示的双工作位的加工装置。在激光处理工件的同时，利用机床台面上的另一套工件夹持旋转装置9′安装新的管状工件8′。
激光处理完成时，在数控系统的控制下，工件夹持旋转装置9停止转动，数控机床5带动管状工件8沿径向作反向直线运动，使光学镜筒10完全从管状工件8中退出。此时，机床5停止运动，将反射镜冷却水管2与光学镜筒10脱开，并将反射镜冷却水管2和抽气管4从管状工件8中退出。利用数控系统控制机床5作Y向运动，使光学镜筒10到达另一套夹持旋转装置9′所固定的管状工件8的轴心线位置，此时将反射镜冷却水管2和抽气管4穿入管状工件8中，并将反射镜冷却水管2与光学镜筒10重新连接，开始新的激光加工。在激光处理的同时，取下刚才加工完成的工件，并安装新的工件，准备下一个循环。
本发明可实现长、细零件内壁的一次性激光热处理，并能实现工件的快速批量加工。所处理的工件，依据所采用的材料和原始组织状态的不同，其表面淬硬层深度在0.05～1.0mm之间，硬度比原始状态提高300～600Hv，耐磨损能力提高2～3倍。与目前同类技术相比，本发明加工效率可提高3-8倍。
本发明的具体实施方式并不局限于上述举例的一种，本发明的关键在于采用“悬臂“式结构的光学镜筒及对管状工件内进行抽气，至于定位夹具、工件夹持旋转装置和光学镜筒内部的结构本领域技术人员可以采用多种方式加以具体实现，上面只是列举了一种最佳的实现方式。