高功率激光加工同轴送粉系统设计_毕业设计.doc

工程学院毕业设计（论文） iii 高功率激光加工同轴送粉系统设计高功率激光加工同轴送粉系统设计 目录目录 1 绪论1 1.1 本设计研究的目的和意义.1 1.2 本设计国内外研究历史与现状2 1.3 本设计拟解决的关键问题和研究方法4 2 送粉器的方案设计6 2.1 国内外送粉器的原理及特性6 2.2 送粉器的性能比较分析11 2.4 送粉器主要问题分析12 2.5 送粉器的方案设计13 2.5 气路设计.16 2.6 本章小结19 3 送粉器的结构设计.21 3.1 粉轮的结构设计与计算.21 3.2 电动的选择22 3.3 齿轮齿条的设计计算22 3.4 轴的结构设计23 3.5 联轴器的配置24 3.6 密封器件的配置24 4 送粉头的设计25 4.1 激光加工的光路系统25 4.2 激光熔覆的送粉方式26 4.3 送粉喷嘴的设计要求28 4.4 喷嘴芯的设计29 4.3 喷嘴座的结构设计30 参考文献32 谢辞34 附录35 工程学院毕业设计（论文） 第 1 页，共 49 页 1 绪论绪论 激光熔覆的实验研究始于本世纪 70 年代，它是通过在基材表面添加熔覆材 料，并利用高能密度的激光束使之基材表面薄层一起熔凝的方法，这种表面改 性技术自从出现以来，去的了迅速的发展，现已广泛应用于工业行业。近年来， 国际上诞生了一门新兴技术再造技术，它基于激光熔覆技术，以激光熔覆技 术为修复技术平台，加上现代先进制造、快速成型等理念，则发展成为激光再 造技术。作为激光再造系统的重要组成部分送粉器，送粉量的稳定性、均匀性 直接关系到熔覆层的质量。目前，不少科研单位和公司对送粉器进行了技术开 发，并推出成功的设备，这些设备根据不同的原理可分为重力式、负压式等。 这些送粉器往往是针对某些特定的的粉末进行开发设计的，普遍存在的问题是： 基于超细粉末的特殊性质，它们对输送小雨 1um 的超细粉末无能为力。对这一 问题的研究已成为激光加工领域的热点。 近年来激光熔作为激光加工技术领域内一个新的研究与开发方向，它是通 过不同的添料方式在被熔覆表面机体上放置被熔覆的涂覆材料。经过高密度激 光辐射，使涂覆材料与机体表面薄层同时熔化，然而涂层材料很少被机体稀释， 基本上可以保持其原有的成分和性质不变，且快速凝固后形成稀释度极低与机 体形成冶金结合的表面涂层，从而显著改善基材表面的耐蚀、耐磨、耐热、抗 氧化及点起特性的一种新的工艺方法，它是作为一种新的表面改善技术。 而送粉器作为激光熔覆的关键设备，其送粉质量的好坏直接影响着熔覆效 果，因此，对送粉器的研究是及其重要的。 1.1 本设计研究的目的和意义本设计研究的目的和意义 随着激光加工技术的成熟和发展，熔覆技术在工业领域的应用和深入发展， 而送粉设备是又激光熔覆技术的关键设备，就必须设计出更好的专用送粉设备 来适应激光熔覆技术的发展。就目前激光加工业的实际应用情况来看，这方面 的工作还做的远远不够，本次设计的依据是建立在激光熔覆技术的基础之上的， 工程学院毕业设计（论文） 第 2 页，共 49 页 根据任务书的要求，设计的的目的是解决送粉过程中粉粒的均匀性和定量供给 难题，对送粉系统的方案论证并对重力式和负压式送粉方式进行研究对比，完 成出两种送粉系统的总图设计。 本课题的研究是为了解决金属粉末输送难的问题，实现均匀送粉和定量送 的目的以及一般送粉过程中粉末的不均匀性、粉末的不畅通、粉末易氧化、易 受潮等一系列问题。可以在一定程度上解决复杂位置的粉末传送问题。基于激 光熔覆快速原型技术，主要通过同轴送粉和激光束耦合，利用 cad/cam 技术， 实现零件的直接快速制造，因此本课题的研究意义在于将给目前激光加工所需关键设 备同轴送粉器提供可行性送粉方案，对于工业大规模运用激光熔覆技术以及基于 激光熔覆技术的快速三维制造起技术支持作用，对于某些激光加工场合有不可 替代的作用。 1.2 本设计国内外研究历史与现状本设计国内外研究历史与现状 激光熔覆技术的实验始于本世纪 70 年代，美国 d.sgnanmuthu 于 1976 年获 得了激光熔覆一层金属于另一层金属的基体的熔覆方法专利。它综合了光、电、 机、电技术、涉及材料学、物理学、自动化技术等多门学科。激光熔覆技术作 为激光激光领域的两个较为前沿的新技术，在材料表面强化和修复领域的良好 效果逐渐为世人所认识。其应用领域在不断拓宽，应用规模也在不断扩大，现 在已广泛应用于工业生产、通讯、医疗、军事、文化教育以及科学研究等各个 领域。 激光熔覆技术在工业应用和科学研究中具有重要的应用前景，送粉器的设 计和开发是激光熔覆设备的关键技术之一。随着激光熔覆技术的快速发展，以 及对熔覆层的加工精度和质量要求的提高，国内外相继研发了基于不同原理的 送粉器。 b.grunenwald 和 st.nowotny 设计的转盘式送粉器，是用刮板将转 盘上的粉末推到凹槽内，再用载流气体将粉末输送走。l. li 和 w. m. steen 设 计的螺旋式送粉器，是把螺杆置于料斗的底部，通过螺纹把粉末送到混合器， 再用气体将粉末输送出去。atsusaka 和 motohiro urakaw 设计的毛细管式送粉 器，是通过毛细管的振动来输送粉末，但是送粉率不可控制。amit suri 和 masayuki horio 所试验的送粉器，一路气体对粉末进行沸腾使之落入下部管道， 工程学院毕业设计（论文） 第 3 页，共 49 页 另一路气体运输降下的颗粒，通过两路气流能够更好地控制送粉量。 在国内，陈德善等研制了一种 gl 型辊轮式送粉器，它是一种机械定量式 送粉器，可以使粉末按着“先定量堆积而后输出”的基本程序进行输送，送粉量 稳定，送粉粒度为 320 目以下，送粉进度可达0.5%；闫江松等研制了一种容 积式送粉器，在 200 目 fni07b 材料输送的实验中，送粉量为 040g/min，送 粉误差为 1.67%；田凤杰等设计的同轴送粉系统，能够输送功能梯度材料，在 粉末充分混合后运用刮吸式送粉机构将粉末输送，颗粒度为 100350 目的粉末， 其送粉量为 225g/min，送粉误差 3%以下；冯立伟等研究的双料斗载气式送 粉器，可实现单料斗运粉或双料斗同时送粉，且可实现 2 种粉末的混合输送， 150 目的 ni25 与 320 目的 wc 混合粉末输送试验中，送粉量为 520g/min； 李艳丽等设计的螺旋送粉器可实现 760g/min 的送粉量。 目前国内外已经研制的送粉器主要可以分为：螺旋式送粉器、转盘式送粉 器、刮板式送粉器、毛细管式送粉器、鼓轮式送粉器、电磁振动送粉器和沸腾 式送粉器。其工作原理包括：重力场、气体动力学和机械力学等。几种送粉器 的原理不同，在实际应用加工中，表现出的优缺点也不同。 随着激光熔覆技术的快速发展，送粉器作为熔覆设备的核心元件之一，也 得到了广泛的研究。目前，国内外对送粉器的研制目标是将送粉器工作时的连 续性、均匀性、稳定性和可控性提高到一个更科学，更先进的水平。对国内外 文献资料的整理和分析可以看出送粉器发展的特点： （1）多功能化。现有的送粉器基本都能够对单一的粉末进行连续送粉，以 后送粉器的发展向着混合送粉、多方式送粉和高精度方向发展，目前已先后研 制出多料仓混合的送粉器16，熔覆材料组成及配比连续可调的送粉器以及高 度集成带有信息反馈附件的送粉器等。 （2）微量化。现有的送粉器都是连续送粉，送粉量都比较大，仅适合大面 积熔覆应用和三维快速制造。目前的激光熔覆技术已经开始应用于精密熔覆和 微成形，在这种加工过程中，需要对激光熔覆加工区域进行微量输送，这对送 粉器的性能要求很高。当进行零件的激光熔覆精密修复时，大送粉量的送粉器 根本无法满足工作的要求。 （3）超细化。现在的送粉器能够对较大尺寸粉末，进行连续稳定的送粉， 工程学院毕业设计（论文） 第 4 页，共 49 页 因为其流动性好，易于传输。然而，对于尺寸在毫米级以下的微细熔覆粉末， 现有送粉器的输送粉末颗粒比较大，特别是对于有些工件表面的缺陷特别微小 （如小的磨损坑、裂痕、小孔洞和腐蚀坑等）无法满足加工的要求。 随着激光技术的发展，经过多种尝试，国内外已经研制出很多类型的送粉 器。一般情况下，较大尺寸的粉末(颗粒直径100m)流动性较好，易于传送， 而颗粒直径较小的粉末(颗粒直径1m)容易聚团和粘滞，流动性较差，通常传 送这样尺寸的粉末是非常困难的17，所以，在同步送粉器中，流动性差是超 细粉末输送的难点，由于细粉末的聚团和粘滞，而导致送粉不连续和送粉量不 均匀，得到的熔覆层厚度不均匀、表面质量差、严重精密熔覆和微成型的质量。 比如对于纳米相粉这类超细粉末在输送中容易发生团聚，目前的送粉器还没有 得到很好的解决。所以，对于超细粉末的输送和实现微量输送将是以后送粉器 研究的重点。并且对于送粉器综合化的研究，将更有利于实现激光熔覆加工成 套设备的集成化和一体化。 1.3 本设计拟解决的关键问题和研究方法本设计拟解决的关键问题和研究方法 本课题研究重点和难点即在研究并解决影响粉末传输过程中影响其均匀性 和稳定性的主要因素以及超细粉末的输送难题。通过研究分析提出可以使粉末 均匀传输和定量传输的可行性方案。 1）关键问题 本课题是要解决在粉末传送的过程当中，保证粉末的稳定性和均匀性和超 细粉末输送难的问题。 激光熔覆是利用高能激光束辐射基材表面合金层形成熔 池，这一快速熔凝的过程。同时这一过程又是一个能量、动量、质量运送的过 程，不仅存在传热现象，而且存在对流和质量传递，这些过程直接影响激光工 艺质量以及对工艺参数的要求、深入了解激光熔池中发生的传热和对流机理对 于正确运用激光熔覆技术十分重要，通过建立数学方程来描述激光熔池中的动 力学数理方程，通过建立数学模型来分析激光熔池内的温度场，运动场。运用 粉粒的气动输送理论来分析固气两相流的复杂运动，它们的速度分布，物料的 运动状态，动力特。通过研究粉末的再传送过程中的运动规律，从而确定对送 粉系统的要求，根据要求，提出送粉方案设计同轴送粉头的结构和尺寸。 工程学院毕业设计（论文） 第 5 页，共 49 页 2）研究方法 1）文献研究法 通过搜集查阅有关激光加工同轴送粉器的文献，了解激光加工同轴送器的 发展历史和现状。 2）观察法 通过观察实验室的 5kv 横流二氧化炭气体激光器及多轴联动数控激光系统， 了解同轴送粉器的主要结构，功能和工作原理。 3）定量分析法 运用粉末分散原理，建立数学模型，对粉末的运动进行定量分析。 工程学院毕业设计（论文） 第 6 页，共 49 页 2 送粉器的方案设计送粉器的方案设计 激光熔覆技术在工业应用和科学研究中具有重要的应用前景，送粉器的设 计和开发是激光熔覆设备的关键技术之一。随着激光熔覆技术的快速发展，以 及对熔覆层的加工精度和质量要求的提高，国内外相继研发了基于不同原理的 送粉器。 b.grunenwald 和 st.nowotny 设计的转盘式送粉器，是用刮板将转盘上的 粉末推到凹槽内，再用载流气体将粉末输送走。l. li 和 w. m. steen 设计的螺 旋式送粉器5，是把螺杆置于料斗的底部，通过螺纹把粉末送到混合器，再用 气体将粉末输送出去。atsusaka 和 motohiro urakaw 设计的毛细管式送粉器， 是通过毛细管的振动来输送粉末，但是送粉率不可控制。amit suri 和 masayuki horio 所试验的送粉器，一路气体对粉末进行沸腾使之落入下部管道， 另一路气体运输降下的颗粒，通过两路气流能够更好地控制送粉量。 在国内，陈德善等研制了一种 gl 型辊轮式送粉器，它是一种机械定量式 送粉器，可以使粉末按着“先定量堆积而后输出”的基本程序进行输送，送粉量 稳定，送粉粒度为 320 目以下，送粉进度可达0.5%；闫江松等研制了一种容 积式送粉器，在 200 目 fni07b 材料输送的实验中，送粉量为 040g/min，送 粉误差为 1.67%；田凤杰等设计的同轴送粉系统，能够输送功能梯度材料，在 粉末充分混合后运用刮吸式送粉机构将粉末输送，颗粒度为 100350 目的粉末， 其送粉量为 225g/min，送粉误差 3%以下；冯立伟等研究的双料斗载气式送 粉器，可实现单料斗运粉或双料斗同时送粉，且可实现 2 种粉末的混合输送， 150 目的 ni25 与 320 目的 wc 混合粉末输送试验中，送粉量为 520g/min； 李艳丽等设计的螺旋送粉器可实现 760g/min 的送粉量。 2.1 国内外送粉器的原理及特性国内外送粉器的原理及特性 送粉器的功能是将粉末按照加工工艺要求精确的送入激光熔池，并确保加 工过程中，粉末能连续、均匀、稳定地输送。针对不同类型的粉末要求，目前 工程学院毕业设计（论文） 第 7 页，共 49 页 国内外已经研制的送粉器主要可以分为：螺旋式送粉器、转盘式送粉器、刮板 式送粉器、毛细管式送粉器、鼓轮式送粉器、电磁振动送粉器和沸腾式送粉器。 其工作原理包括：重力场、气体动力学和机械力学等。各种送粉器的具体工作 过程如下： 螺旋式送粉器 螺旋式送粉器主要是基于机械力学原理，如图 2.1 所示，它主要由粉末存 储仓斗、螺旋杆、振动器和混合器等组成。工作时，电机带动螺杆旋转，使粉 末沿着桶壁输送至混合器，然后混合器中的载流气体将粉末以流体的方式输送 至加工区域。为了使粉末充满螺纹间隙，粉末存储仓斗底部加有振动器，能提 高送粉量的精度。送粉量的大小可以由电机的转速调节。这种送粉器能传送粒 度大于 15m 的粉末，粉末的输送速率为 10150g/min。 图 2.1 螺旋式送粉器 转盘式送粉器 转盘式送粉器是基于气体动力学原理，其结构如 2.2 所示，主要由粉斗、 粉盘和吸粉嘴组成。粉盘上带有凹槽，整个装置处于密闭环境中，粉末由粉斗 通过自身重力落入转盘凹槽，并且电机带动粉盘转动，将粉末运至吸粉嘴，密 闭装置中由进气管充入保护性气体，通过气体压力将粉末从吸粉嘴处送出，然 后在经过出粉管到达激光加工区域。 工程学院毕业设计（论文） 第 8 页，共 49 页 图 2.2 转盘式送粉器 刮板式送粉器 刮板式送粉器，如图 2.3 所示，它主要由存转盘、储粉末的粉斗、刮板、 接粉斗等组成。工作时粉末从粉斗经过漏粉孔靠自身的重力和载流气体的压力 流至转盘，在转盘上方固定一个与转盘表面紧密接触的刮板，当转盘转动时， 不断将粉末刮下至接粉斗，在载流气体作用下，通过送粉管送至激光加工区域。 送粉量大小是通过转盘的转速来决定的，通过对转盘转速的调节便可以控制送 粉量的大小，同时调节粉斗和转盘的高度和漏粉孔的大小，可以使送粉量的调 节达到更宽的范围。刮板式送粉器适用于颗粒直径大于 20m 的粉末输送。 图 2.3 刮板式送粉器 毛细管式送粉器 这种方法主要是使用一个振动的毛细管来送粉，振动是为了粉末微粒的分 离，该送粉器由 1 个超声波振荡器、1 个带贮粉斗的毛细管和 1 个盛水的容器 组成（见图 2.4） 。电源驱动超声波发生器产生超声波，用水来传送超声波。粉 工程学院毕业设计（论文） 第 9 页，共 49 页 末存储在毛细管上面的漏斗里，毛细管在水面下面,下端漏在容器外面，通过产 生的振动将粉末打散开，由重力场传送。送粉颗粒最小直径约 0.4m。 图 2.4 毛细管式送粉器 鼓轮式送粉器 鼓轮式送粉器的主要结构如图 2.5 所示，主要有贮粉斗，粉槽和送粉轮组 成。粉末从贮粉斗落入下面的粉槽，利用大气压强和粉糟内的气压维持粉末堆 积量在一定范围内的动态平衡。鼓轮匀速转动，其上均匀分布的粉勺不断从粉 槽舀取粉末，又从右侧倒出粉末，粉末由于重力从出粉口送出。通过调节鼓轮 的转速和更换不同大小的粉勺来实现送粉率的控制。 图 2.5 鼓轮式送粉器 工程学院毕业设计（论文） 第 10 页，共 49 页 沸腾式送粉器 沸腾式送粉器用气流将粉末流化或达到临界流化，由气体将这些流化或临 界流化的粉末吹送运输的一种送粉装置（见图 2.6） 。底部和上部的两个进气道 使粉末流化或达到临界流化。中部的载流气体将流化的粉末送出。沸腾式送粉 器能使气体与粉末混合均匀，不易发生堵塞；送粉量大小由气体调节，可靠方 便；并且不像刮吸式与螺旋式等机械式送粉器，粉末输送过程中与送粉器内部 发生机械挤压和摩擦容易发生粉末堵塞现象，造成送粉量的不稳定。 图 2.6 沸腾式送粉器 电磁振动送粉器 电磁振动送粉器的原理图如图 2.6 所示，在电磁振动器的推动下，阻分器 振动，储藏在贮粉仓内的粉末沿着螺旋槽逐渐上升到出粉口，由气流送出。阻 分器还有阻止粉末分离的作用。电磁振动器实质上是一块电磁铁，通过调节电 磁铁线圈电压的频率和大小就可实现送粉率的控制。 图 2.7 电磁振动送粉器 工程学院毕业设计（论文） 第 11 页，共 49 页 2.2 送粉器的性能比较分析送粉器的性能比较分析 （1）螺旋式送粉器：这种送粉器比较适合小颗粒粉末输送,工作中输送均 匀，连续性和稳定性高，并且这种送粉方式，对粉末的干湿度没有要求，可以 输送稍微潮湿的粉末。但是不适用于大颗粒粉末的输送，容易堵塞。由于是靠 螺纹的间隙送粉，送粉量不能太小，所以很难实现精密激光熔覆加工中所要求 的微量送粉，并且不适合输送不同材料的粉末。 （2）转盘式送粉器：是基于气体动力学原理，通入的气体作为载流气体进 行粉末输送，这种送粉器适合球形粉末的输送，并且不同材料的粉末可以混合 输送，最小粉末输送率可 1g/min。但是对其他形状的粉末输送效果不好，工作 时送粉率不可控，并且对粉末的干燥程度要求高，稍微潮湿的粉末，会使送粉 的连续性和均匀性降低。 （3）刮板式送粉器：对于颗粒较大的粉末流动性好，易于传输。但在输送 颗粒较小的粉末时，容易团聚，流动性较差，送粉的连续性和均匀性差，容易 造成出粉管口堵塞。 （4）毛细管送粉器：这种送粉器能输送的粉末直径大于 0.4m。粉末输送 率可以达到1g/min。能够在一定程度上实现精密熔覆中要求的微量送粉，但是 它是靠自身的重力输送粉末，必须是干燥的粉末，否则容易堵塞，送粉的重复 性和稳定性差，对于不规则的粉末输送，输送时在毛细管中容易堵，所以只适 合于球形粉末的输送。 （5）鼓轮式送粉器：其工作原理是基于重力场，对于颗粒比较大的粉末， 因其流动性好能够连续送粉，并且机构简单。由于它是通过送粉轮上的粉勺输 送粉末，对粉末的干燥度要求高，微湿的粉末和超细粉末容易堵塞粉勺，使送 粉不稳定，精度降低。 （6）沸腾式送粉器：是基于气固两相流原理设计的。工作时，载流气体在 气体流化区域直接将粉末吹出送至激光熔池。但同样要求所送粉末干燥。沸腾 式送粉器对于粉末的流化和吹送都是通过气体来完成的，所以避免了前面螺旋 式，刮板式等粉末与送粉器元件的机械摩擦，对粉末的粒度和形状有较宽的适 用范围。 （7） 电磁振动送粉器：是基于机械力学和气体动力学原理工作的，反应 工程学院毕业设计（论文） 第 12 页，共 49 页 灵敏，由于是用气体做为载流体将粉末输出，所以对粉末的干燥程度要求高， 微湿粉末会造成送粉的重复性差。并且对于超细粉末的输送不稳定，在出粉管 处超细粉末容易团聚，发生堵塞。 2.3 同轴送粉器的发展特点及未来趋势同轴送粉器的发展特点及未来趋势 随着激光熔覆技术的快速发展，送粉器作为熔覆设备的核心元件之一，也 得到了广泛的研究。目前，国内外对送粉器的研制目标是将送粉器工作时的连 续性、均匀性、稳定性和可控性提高到一个更科学，更先进的水平。对国内外 文献资料的整理和分析可以看出送粉器发展的特点： （1）多功能化。现有的送粉器基本都能够对单一的粉末进行连续送粉，以 后送粉器的发展向着混合送粉、多方式送粉和高精度方向发展，目前已先后研 制出多料仓混合的送粉器，熔覆材料组成及配比连续可调的送粉器以及高度集 成带有信息反馈附件的送粉器等。 （2）微量化。现有的送粉器都是连续送粉，送粉量都比较大，仅适合大面 积熔覆应用和三维快速制造。目前的激光熔覆技术已经开始应用于精密熔覆和 微成形，在这种加工过程中，需要对激光熔覆加工区域进行微量输送，这对送 粉器的性能要求很高。当进行零件的激光熔覆精密修复时，大送粉量的送粉器 根本无法满足工作的要求。 （3）超细化。现在的送粉器能够对较大尺寸粉末，进行连续稳定的送粉， 因为其流动性好，易于传输。然而，对于尺寸在毫米级以下的微细熔覆粉末， 现有送粉器的输送粉末颗粒比较大，特别是对于有些工件表面的缺陷特别微小 （如小的磨损坑、裂痕、小孔洞和腐蚀坑等）无法满足加工的要求。 2.4 送粉器主要问题分析送粉器主要问题分析 本课题研究的超细粉末送粉器输送的粉体颗粒直径在十几 um几百纳米之 间，其质量很小，具有常规粉末所不具备的特殊性能。 尺寸极小，表面积很大，位于表面的原子数占总原子数相当大的比例，表 面离子缺少邻近配位的表面原子，使离子的活性极高，具有巨大的表面能，离 子处于极不稳定的状态，使其具有强烈的相互吸引而达到稳定的趋势，很容易 与其它的分子产生很强的相互作用力，如范德华力，异性电荷之间的静电力、 工程学院毕业设计（论文） 第 13 页，共 49 页 磁性力等，其中范德华力其主要作用。范德华力是吸力，与分子间的距离的七 次方成正比，作用距离极短，是典型的短程力，这些力的合成使小的分子很容 易团聚成团。另外，当粉末存在容器中时，很容易产生粉末吸附于容器壁上或 容器内形成架桥现象。面对有极大分子集合构成的体系，随着颗粒间距离的增 大，其分子间作用力的衰减程度明显变缓，这是因为存在多个分子综合作用的 缘故颗粒间分子间的有效距离可达 50nm，因此是长程力，在这些力的作用下， 颗粒间形成了颗粒链，如果某些外力作用在颗粒链上会使颗粒链发生断裂而形 成团聚。 团聚使纳米相粉的摩擦性增强，粉末流动性变得很差，分散性能降低，团 聚使颗粒大小不一，严重影响着粉末的均匀混合：即使将团聚暂时分开，分子 间的作用力又会使颗粒再次团聚，很容易堵塞喷嘴，严重影响送粉的连续性。 含有团聚体的颗粒烧结时，由于团聚颗粒之间距离较小和质点迁移距离较 小，故其内部的微粒之间优先烧结；而团聚体之外的颗粒因距离较大，传质距 离较远，存在气孔，则不优先烧结成大颗粒。在团聚体周围的颗粒同时正常的 烧结它与团聚体晶粒形成大小不一的飞均匀的显性组织，并结果在烧结体中产 生各种裂纹气孔。烧结不均匀将会使机体产生应力，并影响机体致密化。 显然，团聚对超细粉末的传送和加工都产生非常不利的影响，必须预先从 粉末中打散团聚体，这也是本次设计急需解决的问题。 2.5 送粉器的方案设计送粉器的方案设计 基于大量的调研结果，针对激光再制造技术的应用特点以及超细粉末的输 送难题，初步设计出一种利用于超细粉末输送的载气式鼓轮送粉器。 基于超细粉末的特殊特性，采用特殊的方法来达到超细粉末输送的目的： (1)在粉斗中增加特殊结构的搅拌器避免粉末吸附于粉斗壁上，并在粉斗内 充满平衡气体，防止粉末回流。 (2)采用特殊结构的粉轮和粉轮腔，对分粉末进行打散和精确计算输送，粉 轮运转速度连续可调。 (3)用气流输送解决超细粉末流动性差的问题，使粉末从落粉腔输出时均匀、 稳定，不出现再次团聚现象。 工程学院毕业设计（论文） 第 14 页，共 49 页 (4)通过在储粉斗中安装搅拌轴，防止粉末发生团聚和形成空洞的现象。 (5)采用在粉轮上开槽的方法和齿轮齿条的形式对粉末的均匀性、定量性和 稳定性进行控制调节。 本方案采用鼓轮送粉原理。设计方案主要包括落粉、粉轮传送、气流输送 三部分。图 2.1 所示为送粉腔原理图。其运动过程如下，搅拌组建在直流电机 的驱动下转动时，粉斗中粉末在搅拌器的作用下进入落粉腔。粉轮驱动电机带 动粉轮运转，粉轮将落粉输送到出粉腔。 图 2.1 送粉器的结构 1.电动机 2.搅拌器 3.气体粉流系统 4.粉斗 5.粉轮 6.落粉腔 通过电动机转动带动搅拌轴转动使储粉斗中的粉末避免发生团聚现象，辅 之一气体粉流系统，此系统能使送粉器传输粉末颗粒度较小的粉末。粉腔内冲 满气体，并保持稳定的压力，在出粉腔的下端有出粉口。在气体动能的作用下 粉末未被均匀稳定输送出来，辅之以气体分散和运输，粉末容易分散均匀及输 送流畅。 在对现有送粉器的充分点调研的基础上，根据任务书的要求，结合难点分 工程学院毕业设计（论文） 第 15 页，共 49 页 析，我们提出了以下设计方案，它由机械结构、气路设计和动力系统三部分组 成。 2.4.1 搅拌和传输系统搅拌和传输系统 由于粉末在传输过程当中容易发生团聚团和空洞现象，因而团聚体的打散 与否对送粉器的送粉效果有着重要的影响，解决这个问题的方法有多种，例如 可以利用静电力来进行颗粒分散。其关键问题是使颗粒群充满电荷，最有效的 方法是电，使连续供给的颗粒群通过电晕放电形成离子电帘，使颗粒荷电，但 该方法成本较高，不适合小型化的生产应用。 另外一种重要的，较容易实现的方法是机械分散，即用机械力把颗粒团聚 打散。机械分散的必要条件是机械力应大于颗粒间的粘着力。通常机械力是由 高速旋转的叶轮圆盘或高速气流喷力冲击作用所引起的气流运动而造成的，但 前者磨损较大，设备笨重；后者要消耗大量气体，我们设计的装置，将两者相 结合。设计出一种全新的送粉器。 (1)粉末容器中架桥的消除和粉末的初步打散 超细粉末间的自然粘着力，使细颗粒团聚，难于被有效的流化。为了使流 态化技术应用于超细粉末，发挥流态的优势，人们进行了许多研究来破除分子 间作用力。但过去使用的各种降低颗粒间力的方法或效果有限，限制了超细粉 末流态化技术的应用。 针对超细粉末材料在容器中的团聚、架桥、堆积密度低的特点，我们考虑 在送粉器粉斗增加破拱搅拌组建系统，通过搅拌架规则转动，搅拌粉末的均匀 流动，避免粉末粘结、吸附在粉斗壁上和在粉斗内形成架桥。 (2)粉末输送出来前的分散 该部分通过粉轮来实现。根据超细粉末的特点，其结构尺寸设计成圆柱形， 粉轮外径部分分布着粉槽，粉槽的容积大小可以根据实际情况而进行调整，它 与粉末的打散效果和粉末输送量密切相关。粉末由料斗经漏粉孔靠自重和压缩 气体的作用下流体进鼓轮圆周上的小槽内，随着鼓轮的转动小槽内的一次流入 出粉腔。 由于粉槽容积式相当小的，这就起到了粉末打散输送的作用；同时通过调 工程学院毕业设计（论文） 第 16 页，共 49 页 节鼓轮的转速、漏粉孔直径和漏粉孔与鼓轮间的间隙，就能达到精确的送粉目 的。用粉轮的转速计算送粉量为： g=nmv 式中：n 为粉轮转速;m 为槽数;v 为槽容积；为粉末的堆比重 粉末自粉轮落至落粉腔之后，依靠自身的重力场和气流的作用使粉末传输 至分粉器，在通过分粉器传输至同轴送粉头。 2.5 气路设计气路设计 此处省略 nnnnnnnnnnnn 字。如需要完整说明书和设 计图纸等.请联系 扣扣：九七一九二零八零零 另提供 全套机械毕业设计下载！该论文已经通过答辩 尽管互相粘结的颗粒可以采用机械的方式进行打散，然而机械分散后颗粒 的大小毕竟有限，粉末仍会以小块团的方式存在，所以粉末间的作用仍然会存 在，粉末仍然粘结团聚。另外粉末由粉嘴吹向金属熔池前，为了保证良好的表 面质量，需要喷出的粉末已经混合均匀且呈雾状。以上两个难题都需要在粉末 输送过程中给予解决，根据我们的输送要求，这就要用到气力输送的相关原理。 2.5.1 气力输送基本概况气力输送基本概况 气力输送常称固气两相流，是一种用空气做载体，提供动力，在管中输送 粉末颗粒的办法，工程中称之为气动传输。早在十九世纪，人们就尝试用风扇 驱动，通过管道来输送木屑和谷物。二十世纪初期，用气力输送粉末体，受到 工程界和研究者的普通重视。fischer-stadt 于 1924 年首次提出了描述气固 两相混合物在管道中流动的压降理论。二十世纪中后期，粉体的气力输送技术 得到了迅速的开发和利用。目前，对粉体物料进行气力输送，已成为涉及采矿、 工程学院毕业设计（论文） 第 17 页，共 49 页 冶金、制药、食品等众多领域的普遍方法。 物体气力输送有以下几个优点： 1.在设计上能充分利用空间，输送方向灵活，效率高； 2.输送系统完全封闭，粉末飞扬和溢出少，可以实现环境卫生； 3.大大减少了发生机械事故和粉尘燃烧与爆炸的可能性； 4.易操作和实现自动化； 5.对于化学性能不稳定的物料，可以采用惰性气体输送； 6.在输送过程中可同时实现多种工艺操作过程，如混合、干燥、粉碎、 冷却和化学反应； 7.能避免被输送物料的受潮、污损和混入其它杂物，从而保证了输送质 量； 2.5.2 粉末颗粒的料性对气动运输的影响粉末颗粒的料性对气动运输的影响 作为输送对象的粉末材料，就整体上看是一个连续体。粉末群所呈现的料 性是由每个粉末颗粒具有的物理化学性能积累的结果，因此有必要考察一下粉 末的一些重要料性，这对我们进行粉末输送有很大帮助。 (1)粉末密度。粉末的密度是确定气动工艺参数的重要依据，密度越大用于 输送的能耗就越大，对利用空气动压来实现传输，要提高输送气流的速度或减 少粉末的供给量，对用利用空气静压来实现输送的，要提高输送压力，当然， 密度增大，粉末容易与空气分离。 (2)粉粒的形状、大小和分布。粉粒的形状对它的悬浮速度或沉降速度有较 大的影响；同一粉末颗粒以求状的悬浮速度最大；多角形的摩擦阻力较大；表 面凸起多的颗粒管壁碰撞时容易破碎和磨损管壁，此外还以吸湿，粉粒越细， 越易结成块；粉末中含有较多的细粉时，易粘结。通常，粉粒较大且粒度分布 均匀的的粉末易于流动，易被输送。粒度分布不均匀的粉末，不仅输送压力损 失较大，且易堵塞。 (3)流态化能力。将空气一定速度载入粉粒层，粉粒因受气流包围而彼此在 气流中运动。于是料层出现均匀膨胀，呈现出类似于流体可以流动的性质称为 流态化。粉末的流态化同它保留的充气能力有关，且粉末在充气流态化状态下 工程学院毕业设计（论文） 第 18 页，共 49 页 对气动输送影响很大 (4)含水量。粉末的含水量大小直接影响到输送系统的正常运转。粉末含水 量增加，除了易产生管腔粘附和堵塞，影响运输能力，还易导致粉末流均匀性 得不到保证。因此，一般粉末在是使用前都要进行干燥处理。 (5)摩擦角。它是表示粉粒静止和运动的力学特性的物理量。与气动输送最 用关的是颗粒与管腔之间的壁面摩擦角和颗粒之间的内摩擦角。 2.5.3 常见的气力传输方式常见的气力传输方式 物料在管道中的流动状态实际上很复杂，主要随气流速度及气流中所含的 物料量和物料本身料性的不同而显著变化。常见的两种粉体气力输送方式为:稀 相输送和密相输送。 对于稀相输送，被输送粉体的质量流量与输送气体的质量流量之比(简称为 固气比)比较小(通常在 0.01-15 kg/kg 范围内)，粉体颗粒间距较大，输送气体 的压力较低(通常0. 1 mpa)，输送速度较大(通常13-15m/s)。稀相输送一般 适用于被输送粉体的质量和粒度较小、干燥和输送距离不大的场合。密相输送 的固气比通常在 15-200kg 范围内，输送气体的压力较高(例如可达 0. 7-o.8mpa)， 输送速度较低(一般为稀相输选速度的一半左右)，适用于输送量较大，输送距 离较长的场合。尽管粉体的气力输送在工业上已得到了广泛的应用，但对输送 系统的设计迄今仍以经验为主。粉体气力输送的一些基本问题，仍是需要进一 步关注的研究课题。本章针对稀相粉体输送中的一些问题，诸如被输送粉体颗 粒的运动速度及输送气体流速、输送总压降、输送临界速度、局部压力损失等 的计算作一介绍。 2.5.4 粉末颗粒群的沉降速度粉末颗粒群的沉降速度 在气力输送中，在管道中的物料不是单个粉粒，而是粉粒群。粉粒群在粉 管截面上占据了一定的面积，使流通面积减小，粉粒周围流体速度增大，其所 受到的附加阻力增大，粉粒群沉降速度减小。俄国的乌斯宾斯基根据有限空间 对自由沉降末速度的理论，测定了受管壁有限空间影响的粉末群悬浮速度 v 。 工程学院毕业设计（论文） 第 19 页，共 49 页 2 s tt d d 1vv ， ds 一粉粒群所占截面直径; d 一粉管截面直径; 根据悬浮速度与自由沉降末速度大小相等，方向相反原理，可以认为粉末 群的自由沉降速度等于 vt。 单个粉粒的沉降速度是其在无限空间中的沉降运动。可以认为粉粒所在瞬 时截平面的流体的平均速度一定，因而这个平均速度认为是粉末颗粒的沉降速 度。 粉末颗粒群的沉降不仅受到流体阻力，还要受到其他颗粒的干扰阻力。这 时沉降(即悬浮)速度值与颗粒群浓度有关，浓度大，则沉降速度减小。浓度相 同时，颗粒越细，颗粒数目越多，一方面颗粒体表面积就越大、阻力增大;另一 方面颗粒间摩擦、碰撞机会就越多，阻力增大、使沉降速度更为减小。所以颗 粒群的干扰沉降速度，即颗粒群的悬浮速度比单颗粒的自由沉降速度小。 2.5.5 影响粉末颗粒群运动的因数影响粉末颗粒群运动的因数 （1）粉粒形状因素。本系统中，以抛物射出的粉末颗粒主要在管腔中垂直 下落，但由于碰撞和弹射，颗粒的运动形式还存在悬浮运动。粉末颗粒的不规 则形状会对悬浮速度有较大影响，当然也影响粉末的沉降。在同类末颗粒中， 以球形颗粒(表面积最小)沉降速度最大。 （2）粉粒群的浓度。输送过程中，管腔中的粉末颗粒不是单个颗粒，而是 粉末群，此时粉末群的沉降不仅受到流体阻力，还受到其他颗粒的干扰阻力。 这时，沉降与悬浮速度与粉粒群浓度有关。浓度大，沉降速度减小，浓度相同 时，粉末颗粒愈细， ，颗粒数目愈多，同一方向粉末颗粒体表面积就越大，因此 遇到的阻力就越大，必然影响沉降与悬浮运动。 （3）向使粉末颗粒分布均匀。然而碰撞的过程中产生了摩擦。碰撞粉木颗 粒的碰撞与摩擦。碰撞和摩擦不可避免，由于希望达到粉末充分，分散的目的， 在气力输送粉末沉降过程中，碰撞及其弹射是有益的，需要的，这样可以在截 工程学院毕业设计（论文） 第 20 页，共 49 页 面方的机会越多，摩擦的机会越多，有害阻力越大，使沉降速度更减小。 在设计前考虑到空气湿度对超细粉末的影响，在气流进入送粉设备前对粉 末进行干燥处理，为此，需要加入空气过滤器，滤除空气中的水、油等。另外， 为调节送气量的大小，需要加入一流量计，同时也便于控制不同送粉量的气流 量。 2.6 本章小结本章小结 本章介绍了激光熔覆的基本理论和气动传输理论以及对传输过程中所要面 临的关键问题进行了分析，团聚和流动性差是超细粉末在输送过程中的主要问 题，分析了团聚形成的原因。给出看初步设计方案，送粉器首先要想办法将团 聚体打散并进行输送，这里针对激光再制造较易实现的粉轮进行转运并借助气 力进行分散。在充分调研的基础上，给出了鼓轮式结构的机械原理图和控制系 统框图。并分析了鼓轮式结构的运行原理。 工程学院毕业设计（论文） 第 21 页，共 49 页 3 送粉器的结构设计送粉器的结构设计 3.1 粉轮的结构设计与计算粉轮的结构设计与计算 根据任务书的要求，送粉器的送粉量为 3-170g/min 连续可调，送粉器的宽 度为连续可调为 3-15mm。送粉器的结构如下图所示，粉轮圆周上分布着 24 个 小槽，每个小槽的体积 v=0.5长高宽=0.5718=28mm 。查 3.1 表， 3 取镍基粉末的比重为 7.5，则可计算出算出粉轮在转动一圈的过程中粉末的输送 量为 g=nvr =24287.50.001=5.04g 表 3.1 不同牌号的粉末比重 系列牌号比重 熔点（ c） 膨胀系数 典型硬度 （hrc） 规格目数 （粒度） ni257.5104025-150 ni357.5105013.835-150 ni457.5108513.145-150 ni557.5109213.655-150 ni607.5102713.460-150 镍基粉末 ni627.7105712.262-150 粉轮结构如下图 3.1 所示 图 3.1 粉轮结构 工程学院毕业设计（论文） 第 22 页，共 49 页 3.2 电动的选择电动的选择 本系统初步确定选用两台电动机进行驱动，一台用于粉斗中粉末的搅拌打 散，另一台则用粉轮的驱动。 本着节约成本的思想，搅拌电动机只需将粉末混合均匀及即可，可采用固 定速度匀速运动来进行。而粉轮驱动电机则根据不同的送粉量需求需要对速度 进行控制。 由于粉轮每转的送粉量为 5.04g ，而送粉器的送粉量为 3- 170g/min。由此可算出粉轮去动电动机的转速为： n=3/5.04170/5.04=0.59533.8r/min 电动机的所需的输出功率： 根据公式 p= 来控制电动机的功率，其中 n 为粉轮轴的转速，t 为 95550 nt 粉轮轴的受力力矩。9950 为常数，由于在运转时粉轮的速度不是太快，最高速 度都不超过 40rpm，并且在输送粉末的过程中，粉轮轴只受到密封套的摩擦力 和粉末与粉轮的摩擦作用，这两种力极小，据检测，粉轮在输送粉末的时候力 矩不超过 1nm，按该值计算，代入公式得： p=0.00418kw 9550 40 因而可以选择 10w 的小电动机就可以带动粉轮轴的正常运转。 3.3 齿轮齿条的设计计算齿轮齿条的设计计算 齿轮做回转运动，齿条做直线运动，可以把齿条看作是一个齿数无穷多的 齿轮，这轮的各圆都变为直线，齿轮的分度圆直径 d、齿条的直线先速度为 v、 转速之间的关系为 v= 式中 d 为齿轮分度圆直径，mm；n 为齿轮转速，r/min。 60 dn14 . 3 由于齿轮与齿条啮合时，不论是否标准安装，其啮合角恒等于齿轮分度 圆压力角，也等于齿轮齿条的齿形角；至是在非标准安装时，齿条的节线与 齿轮的分度圆不重合。齿轮齿条正确配合条件是基圆齿距相等，而齿条的基圆 齿距是其相邻轮廓同侧直线的垂直距离，即 p =3.14mpcos； b 本设计取齿轮齿数 z =17，齿数为 17，模数为 1，压力角为 20，螺旋角为 1 工程学院毕业设计（论文） 第 23 页，共 49 页 0 ，则齿轮的分度圆直径 d =m z =17，由此可算出齿轮宽度 0 1 1 b= d =0.517=8.5mm； d 1 齿条长度 l=3.1417u， 取 u=1.2 则 l=64.056 取齿轮的变为系数为 0.418，则可算出齿轮中心到齿条的中心距 h=+x m=+0.4181=8.918； 2 d1 1 2 17 齿距 p =3.14m=3.14，齿条的齿数为 n z =+0.5=20.88 2 n p l 5 . 0 14 . 3 64 齿轮齿条的传动特点 由于齿条轮廓为直线，所以齿廓上各点具有相同的压力角，且等于齿廓 的倾斜角。与齿顶线平行的任一条直线上局有相同的齿距和模数。与齿顶 线平行且齿厚等于齿槽宽的直线，它是计算齿条的基准线。 3.4 轴的结构设计轴的结构设计 跟据轴的使用场合和具体的使用情况，初步确定轴结构如下： 确定轴的尺寸 是与联轴器连接的由于联轴器的直径为 12mm，故 d1 为 12mm。 d 2 与 d4 是与轴承接触的，而选用的轴承为牌号为 6202 的深沟球轴承，故 d2 与 d4 为 15mm。 d 3 作为定轴肩，而轴肩高度 a（0.070.1）d2=1.051.5，可取 d3=19mm。 d 5 是为了区分加工表面，取 d5=14.5mm。 工程学院毕业设计（论文） 第 24 页，共 49 页 3.5 联轴器的配置联轴器的配置 为使粉轮转动平稳，防止出现脉动。本设计才有凸缘联轴器其模型如图 3.5-1 所示，凸缘联轴器是把两个带有凸缘的半联轴器用普通平键分别与两轴连 接，然后用螺栓把两个半联轴器连成一体，使一个半联轴器的凸肩与另一个半 联轴器上的凹槽相配合而对中。此种联轴器对中性要求比较高，但它的结构简 单、成本低、适用在转速低、无冲击、轴的刚性大的场合。 3.6 密封器件的配置密封器件的配置 本设计采用了气动输送，因此密封是关键，密封的好坏直接影响的送粉质 量，尤其是轴承腔内不能有粉末的进入，所以粉轮腔体和轴承连接处，密封尤 其重要，设计中在轴承腔内的端部使用两端带有锥度的聚四氟套，将传动轴套 在中间两端用压盖压紧，防止密封套产生轴向窜动。在储粉斗搅拌系统中，在 粉斗盖上开孔，然后嵌入密封套，避免粉斗中的粉末进入轴承座。 工程学院毕业设计（论文） 第 25 页，共 49 页 4 送粉头的设计送粉头的设计 激光熔覆加工是一个涉及到粉、气、水等多方面复杂过程，在加工过程中， 这些因素会对加工的质量有显著地影响，因此，在对喷嘴进行设计的时候也应 充分考虑这些因素，并从这些方面综合考虑。 4.1 激光加工的光路系统激光加工的光路系统 激光加工的用光系统如图 4.1 所示。其主要功能是将激光输送的加工部位， 调整辐射的参数。构成高功率密度的参数，通过可见的 hene 的光同轴瞄准系 统，使激光对准家工点，控制加工过程，加工结果估计，具体功能如下： 1.对激光器发出的光束进行整体对焦，以实现在加工过程中得到足够的高 功率光斑，这是靠通过聚焦透镜来实现的。 2.改变激光的传播方向，将激光引导到指定的加工点，这主要是靠系统中 的反光镜来实现的。 激光虽然具有很高的方向性，但激光束还是会有一定的发散角，当发散角 为时，聚焦透镜的焦距为 s 时，在焦平面的光点的直径可以控制调节。因此 在设计喷嘴的时候。不能忽略这一因素。可以把焦平面看成理想的一点。并且 在设计的过程当中，在光学系统中还需要考虑焦平面与加工面之间的位置关系， 材料平面与聚焦平面之间的距离称为离焦量，离焦的方式有两种，一种是正离 焦，一种是负离焦。焦平面在材料的上方是称之为正离焦，焦平面在材料的下 方称之为负离焦。在喷嘴的设计中，通常采用正离焦，主要原因如下： 1.按几何学理论，当正负离焦量相等时，所对应平面上的功率度相似，但 实际所获得熔池形状不同。负离焦的时候，由于材料内部的功率密度比表面还 高。会形成更强的融化气话，使光能向材料更深处传递。然而激光熔覆要求基 材表面融化层极低，显然这中负离焦的的方法不太合适。 2.从同轴送粉的喷嘴的设计来说，是想把粉末均匀的分散之后再汇入一点 进入激光辐射区而位于焦平面上的形状是倒锥形的。位于其下是正锥形的，很 工程学院毕业设计（论文） 第 26 页，共 49 页 显然粉末进入下边区域更方便。 3.此外，采用负离焦很增大了光学系统的工作距离，防止透镜被污染。 图 4.1 光路图 4.2 激光熔覆的送粉方式激光熔覆的送粉方式 激光熔覆加工中的送粉装置可以分为两个部分：送粉器和送粉喷嘴。送粉 器的主要用途是将粉斗中的粉末变成均匀连续的粉流，达到这个目标可以有不 同的方式。送粉喷嘴的作用则是将送粉器送来的粉流变成不同的形状并送入激 光中以实现需要的加工。送粉喷嘴的结构及性能直接影响整个加工效果。送粉 装置根据其送粉过程中是否加入载气可分为载气式和自重式。 同轴送粉是激光熔覆的材料供给方式中的先进送粉方式，它没有热喷涂预 置操作程序复杂，容易产生气孔、脱落等缺陷。在同轴送粉过程中熔覆粉末流 方向与激光走向是一致的，因而能够适应全方位立体的熔覆需