基于農(nóng)機刀具的激光熔覆裝備與工藝研發(fā)

金碩 黃 騰 杜祥星

（山東鐳研激光科技有限公司，濟南 250000）

激光熔覆技術(shù)以高能激光束作為熱源，將金屬粉末材料熔覆于零部件表面，制備高性能防護涂層，提高零部件表面硬度以及抗磨損、抗腐蝕、抗氧化、耐高溫等性能，從而延長零部件的使用壽命[1-2]。農(nóng)機刀具作為農(nóng)業(yè)器械的核心零部件，在收割、耕種等常規(guī)農(nóng)作環(huán)節(jié)起到了關(guān)鍵作用。為保證農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率，研制作業(yè)效率更高、停機時間更短、使用壽命更長的農(nóng)用器械，成為當下亟待解決的技術(shù)問題。

1 農(nóng)業(yè)器械核心零部件強化的發(fā)展現(xiàn)狀

農(nóng)機刀具是農(nóng)業(yè)器械中的重要零部件，也是易損件之一。高速旋轉(zhuǎn)的刀具刃口極易磨損，影響耕種或收割效率。當?shù)毒呷锌谀p嚴重時，甚至會出現(xiàn)無法繼續(xù)作業(yè)的情況，必須批量更換器械上的刀具，才能繼續(xù)進行耕種、收割任務(wù)。目前，刀具刃口處采用的堆焊技術(shù)和高頻淬火技術(shù)是提高農(nóng)機刀具刃口耐磨性較為常用的兩種技術(shù)。堆焊技術(shù)易對刀具產(chǎn)生熱影響，導致刀具變形或開裂。高頻淬火技術(shù)盡管可以提高刃口的表面硬度，但是實際耐磨性欠佳。

激光熔覆作為一種綠色環(huán)保的材料表面強化技術(shù)，具有表面稀釋率低、結(jié)合力強、熱輸入量小以及粉末材料可拓展等諸多優(yōu)點，在金屬材料增材強化與修復中效果顯著[3-5]。針對農(nóng)機刀具的失效特點，充分考慮刀具的成本與附加值，采用激光熔覆技術(shù)對農(nóng)機刀具進行刃口處的表面強化，提高了刀具刃口處的耐磨、耐腐蝕性能，延長了刀具的使用壽命。

2 農(nóng)機刀具的激光熔覆核心裝備

農(nóng)機刀具激光熔覆核心裝備由激光器、水冷機、激光熔覆頭（寬光斑）、送粉器、六軸工業(yè)機器人以及定制工裝等組成，如圖1 所示。

圖1 農(nóng)機刀具激光熔覆設(shè)備

2.1 六軸工業(yè)機器人

系統(tǒng)采用FANUC 六軸工業(yè)機器人M-20iD/25，臂展1 831 mm，重復定位精度±0.02 mm，可實現(xiàn)循環(huán)、偏移、條件判斷等邏輯操作，完成復雜動作的示教編程。M-20iD/25 動作范圍如圖2 所示。

圖2 M-20iD/25 動作范圍

2.2 寬光斑激光熔覆頭

針對農(nóng)機刀具刃口的形狀及加工特點，開發(fā)出寬光斑激光熔覆頭，實現(xiàn)矩形光斑氣動同軸激光熔覆。熔覆帶尺寸為20 mm×2 mm，配合氣動送粉，可以完成同軸中心送粉，粉末利用率在85%以上，保護鏡片更換率低于5%。寬光斑氣動同軸送粉激光熔覆頭如圖3 所示。

圖3 寬光斑氣動同軸送粉激光熔覆頭

2.3 刀具工作臺

為了有效提高生產(chǎn)效率，方便農(nóng)機客戶批量化加工，結(jié)合農(nóng)機刀具本體附加值低、加工數(shù)量大的特點，設(shè)計開發(fā)一種農(nóng)機刀具工作臺，實現(xiàn)標準化批量擺放、不間斷生產(chǎn)及粉末收集等便捷功能。刀具工作臺結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖4 刀具工作臺結(jié)構(gòu)

3 農(nóng)機刀具的激光熔覆強化工藝

針對農(nóng)機刀具的作業(yè)環(huán)境與工況，配比合適的耐磨成分，大幅提高刀具作業(yè)效率，降低更換刀具頻率，達到降本增效的目的。激光熔覆的工藝參數(shù)：激光功率為2 100 W，光斑為12 mm×2 mm 矩形光斑，光斑焦距為400 mm，矩形同軸氣動送粉的粉距為17 mm，機器人運行速度為40 cm·min-1，保護氣體為Ar，氣體流速為6 L·min-1，激光頭與刀具刃面呈90°，送粉量為2.5 r·min-1。其中，光斑長度為12 mm，實際熔覆的寬度略窄，約為11 mm，側(cè)邊點位應(yīng)注意刃口邊緣的實際熔覆情況，避免出現(xiàn)刃口燒蝕或刃口熔覆不飽滿的情況。

在以上激光熔覆工藝參數(shù)下作業(yè)，能夠使刃口正面或者背面均有一定厚度的熔覆涂層（約50 絲），而且刀具刃口的邊緣未出現(xiàn)刃口燒蝕或者刃口邊緣無熔覆層的現(xiàn)象。此工藝參數(shù)下的熔覆層，既能保證涂層的硬度與耐磨性，又不減損刃類刀具刃口的鋒利程度。熔覆強化后的刀具刃口外觀如圖5 所示。

圖5 強化后的農(nóng)機刀具刃口熔覆層外觀

耐磨層材料采用鐵基合金粉末，各成分的質(zhì)量百分數(shù)如表1 所示。鐵基合金粉末粒度為270～400 目，平均硬度為58～62 HRC。考慮到農(nóng)機刀具的產(chǎn)品附加值較低，激光熔覆的粉末選取成本較低、硬度性能穩(wěn)定的高強度鐵基合金材料，配合接近60%的高比例耐磨成分，提升農(nóng)機刀具刃口的耐磨性。

表1 鐵基合金粉末組成成分的質(zhì)量分數(shù) 單位：%

4 結(jié)語

針對農(nóng)機刀具展開激光熔覆裝備與工藝的研發(fā)。首先，設(shè)備采用矩形寬光斑同軸氣動送粉熔覆頭，通過機器人程序邏輯編輯實現(xiàn)不同刀具形式的柔性加工動作，同時配合刀具的標準工裝擺放實現(xiàn)批量化的不停機加工。其次，同軸矩形寬光斑氣動熔覆頭效率更高，噴嘴更易維護，特別適合平面類刃口的刀具加工，簡化了激光熔覆操作工藝。再次，針對刃口類農(nóng)機刀具易磨損區(qū)域的形狀，對強化區(qū)域的熔覆層設(shè)計條狀的第一耐磨層和第二耐磨層。第一耐磨層長度大于第二耐磨層的長度，形成“一長一短”的耐磨層形狀，既保證強化效果，又節(jié)省粉末材料，提高熔覆生產(chǎn)的效率，降低加工成本。最后，將激光熔覆裝備及工藝推廣至農(nóng)業(yè)機械行業(yè)，不僅要考慮加工效率、設(shè)備的耐用性與穩(wěn)定性，而且要符合生產(chǎn)實際，研發(fā)出成本更低、耐磨度更高的合金粉末成分配比。