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激光熔覆实体快速成形及送粉系统研究摘要 摘要 基于激光熔覆的快速制造技术( l c r m ) 是一项近几年才兴起的快速成形技术，它是激光 熔覆理论和快速成形技术的集成。它通过激光熔化同步输送的金属粉末，在基材上逐层熔 化堆积而形成金属零件。和传统的制造方法相比，该项技术具有突出的优点。 本文以激光熔覆理论和快速成形技术为基础，主要针对基于激光熔覆的快速制造技术 的扫描方式进行了研究。论文的主要内容如下：首先分析了现有送粉系统存在的问题，利 用相关理论和机械设计知识，设计了结构简单实用的弹簧浮动式压紧装置保证了出粉的均 匀度，同时选用小号针头和空间三连杆机构保证了送粉的柬度、挺度和送粉位置的准确性。 然后针对光粉不同步的问题，利用气压使粉流变向的原理设计并实现了可较好保证光粉同 步的快速粉闸。使用此送粉系统进行了一系列的实验，包括：单道熔覆工艺参数的优化， 多道熔覆搭接的确定，通过对试验结果宏观形貌、微观组织和硬度分布的分析，得出了合 适工艺参数范围。应用本试验得出的工艺参数，针对回转体和任意形面薄壁零件分别设计 其堆积成形的扫描方式，并进行成形试验，在对实际成形件进行宏观和微观组织分析后， 验证了扫描方式的正确性( 成形件为圆环零件、星形零件，“ ”形面柱状件) 。最后针 对非薄壁零件设计了偏置线十字网格扫描方式、分区域填充扫描方式、轮廓螺旋扫描三种 填充方式，使用m a t l a b 作为开发工具，设计并实现了根据各层轮廓和所选扫描方式自动 生成p m a c 运动控制程序的软件，并进行了金字塔形实体零件酌成形实验，最终结果验证 了扫描方式设计是合理的。 、 关键字：激光熔覆、快速成形、送粉系统、快速粉闸、工艺参数、扫描方式 作者：姚纯 指导老师：石世宏 a b s t r a c t a b s t r a c t l a s e rc l a d d i n gr a p i dm a n u f a c t u r i n g ( l c r m ) , w t f i c hi st h ei n t e g r a t i o no f l a s e r c l a d d i n g t h e o r ya n dr a p i dp r o t o t y p et e c h n o l o g y , i san e wr a p i dp r o t o t y p et e c h n o l o g y u s i n gl a s e rt om e l t t h es y n c 蛔o n o u sm e t a lp o w d e r , p a r ti sp r o d u c e db ym e l t i n gm e t a lp o w d e rl a y e rb yl a y e ro na s u b s t r a t e c o m p a r e dw i t ht h et r a d i t i o n a lm a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g y , i th a ss o m es p e c i a l a d v a n t a g e s o nt h eb a s eo fc l a d d i n gt h e o r ya n dr a p i dp r o t o t y p et e c h n o l o g y , i tf o c u s e so nt h es c a nm o d e o fl c r m t h er e s e a r c hi n c l u d e s ：f i r s t , a n a l y z et h ep r o b l e mo fp o w d e rs y s t e mu s e dc u r r e n t l y d e s i g no n ek i n do fs p r i n gf l o a tp r e s s u r ed e v i c ea c c o r d i n gt oc o r r e l a t i v et h e o r i e sa n dt h e k n o w l e d g eo f m a c h i n ed e s i g n i n g t h i si m p r o v e m e n ta l 飘l r 髓u n i f o r m i t yo f p o w d e r , m e a n w h i l e u s es m a l l - b o r ep i p ea n dt h r e el i n km e c h a n i s mt oe n h a n c ec o n s t r i c ta n dl i n e a r i t yo fp o w d e r s t r e a i na n dt oe n s u r et h eo r i e n t a t i o n s l | _ b s e q u 锄t l y i no r d rt os o l v et h ep r o b l e mo f s ”l i h r o n i z a t i o no fl a s e ra n dp o w d e r , t h er a p i dp o w d e rs w i t c hi sd e s i g n e db a s e do n t h ep r i n c i p l 6 t h a ta i r p r e s s u r ec a nc h a n g et h ed i r e c t i o no f p o w d e r a n dt h e nc a n yo u tas e r i e so f e x p e r i m e n t s w i t ht h ei m p r o v e dp o w d e rs y s t e m ，i n c l u d i n g ：o p t i m i z a t i o no fs i n g l e - l a y e rc l a d d i n gp r o c e s s p a r a m e t e r s ，c o n f i r m a t i o no fm u l t i l a y e rc l a d d i n gr a t e a n dg e tt h es u i t a b l er a n g eo fp a r a m e t e r s b ya n a l y z i n gm a c r o s c o p i c a lp a t t e r n , m i c r o s c o p i cs t r u c t u r ea n dh a r d n e s sd i s t r i b u t i n go f p r o d u c e d p a r t o nt h eb a s eo ft h ee x p e r i m e n t sf i n i s h e da b o v e ，d e s i g nt h es c a nm o d ef o rt h er o t a t i v et h i n p a r ta n dt h et h i np a r tw i t hf i e es e c t i o ns h o e t h e nu s i n ge x p e r i m e n t sa n da n a l y s i so f m a c r o s c o p i c a lp a t t e r n ，m i c r o s c o p i cq u a l i t y , t h ec o r r e c t n e s so fs c a ni sc o n f i r m e d f i n a l l y ，d e s i g n t h e es c a nm o d e sf o rt h es o l i dp a r t o n ek i n do fs o f t w a r ei sd e v e l o p e df o ra u t o m a t i cg e n e r a t i n g t h ep m a cm o v e m e n tp r o g r a ma c c o r d i n gt ot h es h a p eo fs e l e c t e dl a y e ra n dt h es e l e c t e ds c a n m o d e s t h e p r o d u c t i o n o f p y r a m i d p a r t v a l i d a t e s t h e r e a s o n a b l e o f t h e t h r e es c a n m o d e s k e y w o r d s ：l a s e rc l a d d i n g ，r p , p o w d e rs y s t e m ，r a p i dp o w d e rs w i t c h ，p r o c e s sp a r a m e t e r , s c a nm o d e w r i t t e nb y ：c h u ny a o s u p e r v i s e db y ：s h i h o n gs h i 苏州大学学位论文独创性声明及使用授权的声明 学位论文独创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含 其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得苏州大学 或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人承担本声明的法律 责任。 研究生签名；麟日期：力4 望 学位论文使用授权声明 苏卅【大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、清华大学论文 合作部、中国社科院文献信息情报中心有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本 人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文 外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分 内容。论文的公布( 包括刊登) 授权苏州大学学位办办理。 期：趔：吐 期：趔：生：王! 激光熔覆实体快速成形及送粉系统研究 第一章绪论 1 1 快速原型技术 i i 1 快速原型技术简介 第一章绪论 快速原型技术的原理是：首先将电脑设计出来的三维实体模型数据分为层片模型数 据。快速原型的成型机根据这些数据，利用特定的材料，一个薄层一个薄层地创建出 实体，每一个薄层都贴合粘结到前一个薄层上，直至完成整个实体的创建。过程如图 l - 1 所示。 c a d 模型分 层数据文件 分层 后处理+ 零件实体 g 国 念阁 图闺 离散过程，计算机处理 堆积过程，成形机实现 层层 制造 堆积 造型 图i - i 快速原型技术原理圈 由于所使用的构型材料性质各不相同，实现快速原型技术所使用的机器在结构原 理上也不同。目前报导的快速原型技术工艺有数十种，但是比较成熟的只有四、五种 【1 1 引。 ( 1 ) 立体光刻s t e r e 0 1 i t h o g r a p h y ( s l a ) ( 2 ) 分层实体制造l a m i n a t e do b j e c tm a n u f a c t u r i n g ( l o m ) ( 3 ) 选择性激光烧结s e l e c t i v el a s e rs i n t e r i n g ( s is ) ( 4 ) 熔融沉积成型f u s e dd e p o s i t i o nm o d e l i n g ( f d m ) ( 5 ) 三维打印 目扭枣 第一章绪论激光熔爱实体快速成形及送粉系统研究 1 2 基于激光熔覆的快速制造技术 基于激光熔覆的快速制造技术( l c r m ) 是近几年才兴起的快速成形技术，它是r p 技 术未来发展的主要方向。它将现有的快速成形技术推进到金属和高温冶金的新高度， 是快速成形基本原理和激光加工技术精华的集成。 1 2 1l c r m 技术的原理 l c r m 技术的原理是：首先构建零件实体模型，然后用分层软件对实体模型进行处 - 理，获取各截面的几何信息，并将其转化成c n c 工作台运动的轨迹信息。成形时，有一 束高功率激光会照射到基材表面，与此同时金属粉末通过同步送粉嘴被同步喷入激光 光斑中快速熔化并形成熔池，然后叉快速凝固形成熔覆层。在此过程中，送粉嘴根据 轨迹信息在c n c 的控制下逐层片扫描而熔凝粉末进行堆积，最终制造出金属实体零件。 图1 - 2 为该项技术的原理图【1 9 】。 1 2 2l c r m 技术的特点 卜 y 图1 - 2l c 删技术原理圈 1 可直接制成具有较高精度的金属零件，尤其是对难加工零件，减少了开发制造的 成本和周期。 激光熔覆实体快速成形及送粉系统研究 第一章绪论 2 激光与材料相互作用时快速熔化和凝固过程使材料具有许多常规材料在常规条 件下无法得到的组织，如高度细化的晶粒组织、晶内亚结构、高度过饱和固溶体和一 些新的相形态的出现等，这样可使材料的各方面性能均得到较大幅度的提高。 3 可以在成形零件的任意部位改变材料的成份，形成不同的组织和结构，从而使零 件具有优异的综合性能。 1 2 3l c r m 中的关键技术 1 激光熔覆技术1 2 0 伽 l c r m 的实质就是计算机控制的三维激光熔覆，所以激光熔覆技术可以说是l c r m 技术 的基础。只有保证了熔覆层的质量，才有可能制造出合格的金属零件。衡量熔覆层质 量的标准主要有：熔覆层是否存在裂纹、气孔，是否具有良好的熔覆层形貌( 表面波纹 细小、粗糙度低、熔覆层连续完整、熔道边缘整齐) ，以及稀释率是否合理等。为此首 先应研制出合适的金属粉末，其次应优化激光熔覆工艺，实现激光功率、送粉率、扫 描速度的合理匹配。 2 送粉系统 2 5 - 2 9 】 送粉系统通常由两部分组成：送粉器和送粉头。其中送粉器要能保证送粉的均匀性、 连续性和稳定性，送粉头则要保证粉末准确、稳定的送入光斑内，这些都是形成高质 量熔覆轨迹的前提，是制造出高质量零件的保证。 3 制造过程中关键参数的闭环控制【3 0 - 3 3 在制造零件的过程中，必须要确保工艺的稳定性，但是即便前期工作做得多充分， 因为工况的不可预知性，故很难达到这一目的。要解决这一问题必须对熔覆制造过程 的关键影响因素( 如熔池温度、扫描速度、熔覆高度) 实施闭环控制才能保证整个加工 过程的稳定性，保证零件的精度。 4 计算机辅助设计制造技术c a d c a m e 3 4 圳】 c a d c 黻术是快速成形技术的前提和基础，自然也是l c i i m 技术中不可缺少的一个 组成部分。它不但要完成实体模型的创建、层片的切割、扫描轨迹的生成等功能，还 要完成数控代码的生成及传输等功能。另外尽可能减小分层切割实体所带来的加工误 差也是需要该技术来解决。 第一章绪论 激光熔覆实体快速成形及送糟系统研究 5 数控技术 数控技术是实现l c r m 的桥梁。根据l c r m 技术的要求，在制造零件的工程中必须实现 重复精度高，响应速度快的运动控制，才能保证零件的精度。 1 3 国外相关研究发展现状 国外较早开展了这方面的研究并己取得了较大的进展。美国桑迪亚国家实验室 ( s a n d i an a t i o n a ll a b o r a t o r i e s ) 己能用该技术制造出多种材料( 如镍基合金、不锈 钢3 0 4 和3 0 6 、钨、钦等) 的金属零件。他们通过变换激光模式、激光功率、坐标轴数、 扫描速度和粉末输送方式可得到优化的制造速率、零件密度、晶粒结构和表面质量。 同时他们在能源部支持下，研制开发出一种称作激光工程化净成形技术( l a s e r e n g i n e e r e dn e ts h a p i n g ，简称l e n s ) 的金属快速成形技术。利用该技术，他们加工 出了镍基合金涡轮机叶片装置，如图1 3 所示【4 2 1 。相比于s a n d i an a t i o n a l l a b o r a t o r i e s ，美国a e r om e t 公司的研究开发工作带有更浓的商业色彩。该公司开发 了名为l a s f o r m ( l a s e rf o r m i n g ) 的激光直接成形技术，致力于钛合金( t i - 6 a i - 4 v ， t i - 5 a i - 2 5 s n ) 材料的成形技术及工艺的研究，制造的产品达到近终形，成分和力学 性能均达到a s t m 标准。其制造系统从原理上讲与上述s a n d i an a t i o n a ll a b o r a t o r i e s 的实验系统没有明显差别，只是他们更多的考虑了粉末堆积速率的问题，采用了大功 率的c 魏激光器( 1 4 k w 和1 8 k w ) ，使得制造速率比s a n d i an a t i o n a ll a b o r a t o r i e s 有 了明显的提高【4 3 】。由于堆积的速率明显提高，使得a e r om e t 公司的设备能够加工较大 体积的零件，所制造的零件尺寸已经达到1 8 0 0 x 2 2 5 x 2 2 5 m m 3 。近来，a e r o m e t 公司生 产的钛合金构件不断在实际飞机上使用。例如f - 2 2 的内龙骨腹板、f a - 1 8 e f 的机翼翼 根吊环和用于降落的连接杆、c - n ) b 挂架的仪表板和整流板、以及伊拉克战争中f - 1 5 战机上替换铝合金使用的钛合金外挂架翼肋( 图1 4 ) ，其中，f a 一1 8 e f 的翼根吊环属 于关键性零件，其尺寸大约为9 0 0 x 3 0 0 x 1 5 0 m m 3 ( 图1 - 5 ) ，是在美国海军局资助下由 a e r om e t 公司为波音飞机公司制造的。这些激光净成形技术加工的钛合金零件不仅性 能超出传统工艺制造的零件，同时由于材料及切割加工的节省，其制造成本降低 2 0 - 4 0 ，生产周期也缩短3 0 - 5 0 9 6 。 4 激光熔覆实体快速成形及送粉系统研究 第一章绪论 图1 - 3l e n s 加工的叶片 图1 - 4f - 1 5 战机钛含金外挂架翼肋 图卜5f a 一1 8 e f 钛合金翼根吊环 加拿大国家科学院集成制造技术研究所开发了名为激光共凝固技术( l a s e r c o n s o l i d a t i o n ，简称l c ) 的金属零件激光直接加工技术，制作出了一系列的铸件，结 -0 果表明，加工平行方向的显微组织表现出明显的外延生长趋势，垂直方向则表明组织 很致密均匀。 n 一粉末流 弋少 图卜6 粉末监控器示意图 图l a 7 成形件效果图 德国弗朗和夫生产技术研究所( f r a u n h o f e ri n s t i t u t ef o rp r o d u c t i o n 第一章绪论激光熔疆实体快速成形及送粉系统研究 t e c h n o l o g y ) 融合材料添加和去除方法开发了控制金属堆积技术( c o n t r o l l e dm e t a l b u i l d u p ，简称c m b ) ，该技术在c m b 系统上配备了铣切装置，在扫描沉积了一层后，利 用铣切来加工每一层的表面轮廓使之平整，这样就改善了零件的精度和表面光洁度。 据报道在制造不锈钢零件时，可以达到1 0 0 的致密度“”。 德国汉诺成激光工程中心分别以镍基和钻基合金为材料，制造出了具有垂直和倾斜薄 壁的金属零件，其密度接近百分之百，抗拉强度和断裂强度与常规的金属板类似。 美国德克萨斯州南美以美大学的先进制造研究中心，采用了红外线传感器对粉末 的流量进行了实时控制，提高了成形精度和质量。粉末监控器示意和成形件效果如图 i - 6 、i - 7 所示m 】。 新加坡国际大学机电学院通过研究材料的各相异性( a n i s o t r o p y ) 和不同成分 ( h e t e r o g e n e i t y ) 来确定不同的优化路径来提高成形质量。模型和成形件效果对比如 图卜8 、l 一9 所示f 4 7 1 。 图i - 83 d 模型效果图图i - 9 成形件效果图 1 4 国内相关研究发展现状 国内现在主要是少数一些有此科研力量的大学院校及研究院在进行研究，如清华 大学、华中科技大学、天津工业大学、南京航空航天大学、上海交通大学、北京有色 金属研究院等。在直接金属型成形技术方面，我国还处于实验室阶段，尚无较为成熟 的工艺以及商品化设备出现，与世界先进水平相比差距较大【4 5 0 】。 中国科学院金属所和西北工业大学以及北京航空航天大学等单位正致力于高熔点 金属的激光快速成型研究。 激光熔覆实体快速成形及送粉系统研究第一章绪论 图卜1 0 ( a ) 直接成形件效果图，( b ) 再处理后效果图 上海交通大学机械与动力工程学院，通过研究激光功率、扫描速度和光斑直径对 成形件质量的影响规律，得到了致密金属零件5 1 1 ，效果如图1 - 1 0 。 。 天津工业大学机械制造及自动化学院，通过对同轴送粉器及相应的工艺的参数的 研分析和研究，制造出了根据c a d 模型的简单零件【5 2 1 ，效果如图i - i i 。 图卜1 l 叶片成形件效果图 图1 - 1 2 太空望远镜准直器成形效果图 清华大学机械工程系激光加工与快速成型研究中心，使用大功率激光器和w n i 合 金粉末直接成形了高度为3 0 7 r m ，直径为1 9 1 m m ，壁厚为3 m ，平行度不低于2 1 0 0 0 的圆柱状太空望远镜准直器【5 3 1 ，结构和成形件效果如图卜1 2 所示。 华中科技大学激光工程研究院总结多年激光熔覆与三维快速制造技术研究成果，开 发出了h u s t i i i 和h u s t v i 型自动送粉器。h u s t i i i 型自动送粉器具有良好的送粉 性能，如图卜1 3 所示，送粉效果如图卜1 4 所示。h u s t - v i 型自动送粉器中的三个送粉 斗由三台伺服电机独立驱动，采用计算机控制，可以分别送粉，也可以同时送粉，并 独立调节送粉量的大小，满足激光熔覆制各梯度功能材料涂层的要求。该院在此基础 上成形了薄壁字，效果如图卜1 5 、1 - 1 6 所示，达到了较高的水平。 第一章绪论 激光熔覆实体快速成形及送粉系统研究 图1 - 1 3h u s t - i i i 型送粉器外观 t h _ ， 图卜1 4h u s t - i i i 型送粉器送粉特性 卜1 5 成形件加工圈 1 - 1 6 再处理后效果图 图卜1 7 送粉器结构示意图 图卜1 8 三种粉末测定曲线 天津工业大学激光技术研究所为解决超细粉末的送粉问题，研究一种新型的载气 式送粉器，粉末通过粉轮均匀拨送，能在气流作用下经落粉腔分散后流出。送粉器结 构示意图如图1 - 1 7 ，图1 - 1 8 为3 种超细合金粉末在同一气流速度下( 3 l r a i n ) 的送粉 激光熔覆实体快速成形及送粉系统研究第一章绪论 曲线图。 海军航空工程学院青岛分院研究的螺旋送粉器是采用螺纹旋转均匀间隙带动金属 粉末流动，通过电机旋转速度来调控粉末输送速度，采用保护气体作为载体，电机旋 转速度与送粉量成正比。通过这一系列的控制可以得到不同速度的连续可靠稳定的粉 末输送量。结构如图卜1 9 所示。 1 、螺旋轴 2 、挡圈 3 、轴承 4 、送粉桶 5 、送粉轴套 图卜1 9 螺旋送粉装置图 上述国内外的最新发展情况表明，激光熔覆快速成形技术借助工艺上的独特优势， 在功能梯度材料零件方面得到了广泛的应用，除此之外，在军事领域，该技术也能很 好的解决利用传统制造工艺难以胜任的零件加工任务，但国内的应用水平与国外还是 有着相当的差距。 1 5 本课题研究的主要内容 针对激光熔覆的快速成形中不同形面的工件，设计不同的扫描填充轨迹，同时通过 分析成形件的宏观形貌和微观组织等，验证其扫描方式的合理性。具体研究内容如下： 1 、改进送粉系统 ( 1 ) 通过分析设计方案解决现有转盘刮板式送粉器送粉不均匀的问题。 ( 2 ) 设计并实现快速粉闸，解决光粉同步问题。 ( 3 ) 研究自重侧向送粉方案，设计喷嘴。 2 、工艺实验 ( 1 ) 通过工艺试验和分析，确定f e 基粉末熔覆单道最佳工艺参数。 第一章绪论 激光熔疆实体快速成形及送粉系统研究 ( 2 ) 通过工艺试验和分析，确定f e 基粉末熔覆多道最佳搭接率。 3 、薄壁零件扫描方式 研究薄壁零件设计扫描方式，以此方式结合( 2 ) 中得出的最佳工艺参数进行试验， 通过对外形的精度分析，以及对工件的质量的金相分析，验证设计的合理性。 4 、非薄壁零件填充扫描方式 研究非薄壁零件结合工艺设计扫描填充方式，以此方式结合( 2 ) 中得出的最佳工艺 参数进行试验，通过对外形的精度分析，验证设计的合理性。 激光熔覆实体快速成形及送粉系统研究 第二章激光熔覆送粉系统改进 第二章激光熔覆送粉系统改进 2 1 现有送粉设备及存在问题 基于激光熔覆的快速制造技术( l c r m ) 快速成形是快速制造的一种新工艺，它是在 c a d 模型直接驱动下，由高功率激光熔化同轴或侧向同步输送的金属粉末，逐层扫描熔 化堆积，直接形成致密的金属零件。由于它是逐层扫描熔化堆积成形，所以在没有能 实现动态补偿的前提下，由积分原理可以很容易的想到应尽可能的保证每一层的堆积 高度的均匀性，这就决定了l c r m 工艺对送粉的控制有相当高的要求，首先送粉系统要 保证送粉的均匀度，其次送粉系统送要保证粉头能准确并且较长时间稳定的将粉送入 光束中，同时它也对粉末利用率和成形时间有重要的影响。综上所述，要提高成形的 质量，前提是提高送粉系统的性能。 目前常用送粉器有刮板式送粉器、螺杆式送粉器、自重式送粉器、消磨针送粉器、 转刷式送粉器等，各送粉器的特性如表2 - i 所示。其中刮板式送粉器以其价格低廉， 操控简单，粉量可调范围广等优点被广泛应用于激光宽带熔覆，大型工件表面修复等 对送粉均匀性要求不高的激光熔覆加工中，但对于激光快速成形来说，较大粉量波动 性直接导致每层层高的较大波动，最终导致成形失败，本章提出一种改进方案，以弥 补这方面的不足。 5 4 - 5 5 1 表2 - 1 几种送粉器特性比较 名称原理粉末干湿粉末直径u m粉末输送率 刮吸式气体动力学干粉 2 0 不可控 螺旋式机械力学千、湿 1 5 可控 转盘刮板式机械力学干粉 2 0 可控 毛细管重力场干粉 0 4 不可控 消磨针式气体力+ 机械力千、湿 1 2 不可控 转刷式 摩擦力学干粉 o 6 5 可控 第二章激光熔覆送粉系统改进 激光熔覆实体快速成形及送粉系统研究 2 1 1 送粉器工作原理 图2 - 1 所示为刮板式送粉器结构原理图。由于导粉头( 2 ) 的出粉口和承粉转盘( 3 ) 保持一定的间距，在储粉器( 1 ) 中的粉末因自重滑落至承粉转盘( 3 ) 上，由电机驱 动的承粉转盘( 3 ) 随轴转( 4 ) 动将粉不断带至刮板处，由刮板( 5 ) 将粉挡入粉斗( 6 ) 中输出供外部使用。 1 储粉器2 导粉头3 承粉转盘4 一电机转轴5 - 刮板6 一粉斗 图2 - 1 原送粉器结构原理图 2 1 2 送粉器存在问题 通过对送粉器工作的观察，发现出粉量呈周期性变化，导粉口和承粉转盘的间距也 呈周期性变化，对转盘刮板式送粉器拆卸分析，发现承粉转盘随轴旋转时偏心是导粉 口和承粉转盘之间的间距变化的直接原因，从而使得导粉口落到承粉转盘上的粉量不 均匀，最终导致出粉不均匀。图2 所示是测定某固定转速( 1 转分、2 转分、3 转 分) 下，1 5 秒次的送粉量变化曲线；图3 所示是不同转速下，按6 0 秒次进行测定的 送粉量增量曲线图。对送粉器送粉量测定后，发现当转盘刮板式送粉器转轴以某固定 转速转动时，送出的粉量在固定时间间隔( 1 5 秒) 有较大的偏差( 如图2 - 2 所示) ；对 于不同转速，粉量增长方式呈非线性( 如图2 3 所示) 。 激光熔覆实体快速成形及送粉系统研究 第二章激光熔覆送粉系统改进 2 1 3 送粉头存在问题 图2 - 2 三种转速下1 5 秒次送粉量测定曲线 图2 - 3 不同转速送粉量增量曲线 同轴送粉头管口较大，同时导流段距离较短，从而导致靠自重送粉时粉的束度、 挺度不理想，并且管口固定，不能较好的进行光斑和粉斑的对焦调整，同时在加工时 由子反射和喷溅等原因时常堵粉，不利于长时间加工。出粉效果如图2 4 所示。同轴 送粉头正常工作需要配备额外器件粉末均分器来保证四个粉头出粉量相同。 第= 章激光熔覆送粉系统改进激光熔覆实体快速成形及送粉系统研究 图2 - 4 同轴送粉头送粉效果图图2 - 5 侧送粉头送粉效果图 2 2 送粉器改进方案及效果分析 2 2 1 送粉器的改进方案 尝试重新加工上下面具有有较高平行度和平面度的转盘，将其与转轴连接，使转 盘的旋转面和导粉口下表面尽量平行，但使用千分表测得的跳动量仍大于0 8 咖。在这 种跳动程度下，出粉的均匀度虽有所提高，但还是达不到较高精度成形的要求，且不 稳定，因此从提高送粉器零件精度的角度上来实现出粉均匀度不可行。 本研究所采用的改进方法如下： 从保证导粉口和承粉转盘之间的间距恒定入手，如图2 - 6 左部所示，用弹簧( 3 ) 把活动导粉管( 5 ) 压在承粉转盘( 8 ) 上，同时活动导粉管( 5 ) 下部留有一定的出粉 空间，这样就保证了出粉口( 6 ) 和承粉转盘( 8 ) 之间距离的恒定。活动导粉管( 5 ) 下部使用滚珠( 7 ) 支撑，用滚动摩擦代替滑动摩擦，避免了因滑动摩擦磨损使得导粉 口形状过快的变形而导致出粉量的变化，同时也保证了粉末的纯净度。在承粉转盘转 动时，应保证出粉口( 6 ) 始终垂直于转盘运动轨迹的切线方向，但由于转动时存在切 向摩擦力，所以用图2 - 6 右部所示剖面图卡口机构平衡切向摩擦力，同时保证了活动 激光熔覆实体快速成形及送粉系统研究第二章激光熔覆送粉系统改进 导粉管( 5 ) 和外套管( 4 ) 之间能很好的上下滑动。 如图2 - 6 右部所示，卡口的设计以方便加工实现为原则，在主导粉管内壁和次导粉 管外壁的相对位置上去材形成一定长度和大小的键槽，在相对的槽之间放入光滑细钢 圆柱( 9 ) ( 光滑细轴可以很容易从一定规格的滚针轴承上取得) ，以保证主导粉管和次 导粉管可以很好的相对滑动。 a a 1 入粉管2 固定导粉管3 弹簧4 一外套管 5 活动导粉管 6 一出粉口7 滚珠8 承粉转盘9 一细钢圆柱 图2 - 6 导粉管改进结构示意囝。； 改进后可使在某一固定时段内，落到承粉转盘上的粉量几乎一定的。同时改进后活 动管的出粉口尺寸大小可变，调节导粉口的大小即可调解最终出粉量，具体的出粉量 可以通过积分公式得出。设活动导粉管出粉口的半圆孔半径为r ，承粉转盘中心到活 动导粉管半圆孔圆心距离r ，承粉转盘转速n ，粉末松装密度p ，假设支撑滚珠足够小， 其半径引起的间距忽略不计，则承载圆盘每一转出粉量s 及出粉速度ve h 下式求得： s = r 积告妙2 幽= p 石2 f 2 r ( 2 _ i ) v = p m r 2 r 2 r 2 2 2 送粉器改进结果分析 ( 2 2 ) 改进后重新测定送粉器出粉状态如图2 - 7 、2 - 8 所示，图2 - 7 所示是测定某固定转 速( 1 转分、2 转分、3 转分) 下，1 5 秒次的送粉量变化曲线；图2 _ 8 所示是 第二章激光熔覆送粉系统改进激光熔覆实体快速成形及送粉系统研究 按6 0 秒次进行测定的，在不同转速下送粉量增量和未改进前的增量对比曲线图。图 中曲线表示的状态说明改进之后出粉的均匀性达到了一个较为理想的程度。 2 2 3 送粉头改进方案 图2 - 7 改进后不同转速下1 5 秒次送粉量测定曲线 圈2 8 改进前后不同转速送粉量增量对比曲线 在靠自重送粉的情况下，要增加粉的挺度，首选的方法是增加粉的流速，流速越 快则挺度越好，所以使导粉管尽量竖直，如图2 - 9 所示，并保证内壁尽量光滑，所以 采用细长的铜管作为导粉管，各部分连接用塑料软管以增加柔性；本研究发现：选用 有一定长度、内径较小的细管作为送粉头，能保证较好的束度，同时考虑到送粉头要 1 6 激光熔疆实体快速成形及送粉系统研究 第二章激光熔覆送粉系统改进 在较高温度条件下保证粉流的顺畅，经过多次的实验，最终选择医用钢制1 2 号针头作 为送粉头，针头如图2 1 0 所示。由于针头采用特殊的钢制材料，内外表面均光滑，对 激光的反射率很强，而且针头的受热辐射面积很小，因此针头温升不高。针头的送粉效 果如图2 - 5 。 1 导粉管2 _ i 差粉头 1 1 1 2 - 9 送粉导管连接示意图 图2 一l o1 2 号针头外形图 图2 一儿粉束直径与针头倾角关系 调节送粉头高度，使其与加工面的距离为6 c m ，测定此时粉斑直径( 假设粉斑为圆 斑，取值为近似值) 与针头倾角e 的关系如图2 1 1 所示。( 倾角9 为一一针头与水平面 的夹角) 在针头处于某倾角时，测定粉斑直径和送粉头距加工平面高度的关系如匿t 2 - 1 2 所 示。 第二章激光熔覆送粉系统改进激光熔覆实体快速成形及送粉系统研究 图2 一1 2 粉斑直径与高度关系 在设计粉头夹具时，首先考虑到的是如何在空间任意点将粉头定位，其次是不能 阻碍送粉管路和占用其他一些设备器具的空间等，因此经过对设计的各种方案的反复 试验，最终选用空间三连杆机构，杆体都选用对激光反射率很高的光滑不锈钢制成， 各关节部分，特别是最下端的关节旋转拧紧装置都用耐高温材料制成，这主要是为了 避免在长时间加工过程中，关节、杆体的受热变形对粉头位置的影响。 2 2 4 送粉效果比较 图2 1 3 改进前后送粉效果比较 用改进前装置和改进后装置，分别进行如下实验，同在激光焦点高度以相同的速度、 相同的送粉器转速形成扫描带，结果如图扣1 3 所示，从图中可以明显的得出结论：改 激光熔授实体快速成形及送粉系统研究第二章激光熔覆送粉系统改进 进后粉末带宽比改进前减小，均匀性大大改善。 2 3 快速粉阐的设计 现有激光快速成形过程中大都是用程序来控制光闸，以实现光束的开与关，以实现 对金属粉末的分段熔覆沉积，但此过程中只能连续送粉，或送粉虽可不连续但与光的 开关不同步，承载基体上散乱粉末过多，导致了成形过程中熔池会将周围这些粉末吸 进熔入，从而使本来集中在熔池中的热量分散，影响成形件内部组织结构，并且在成 形件和残粉接触的部分形成半熔状颗粒物质，严重影响成形件外形质量( 效果如图 2 1 4 ，2 15 所示) ，且此过程不可控制和预测。解决办法是加入人为的干预每成形一层 则除去工件周边残粉或者在设计扫描轨迹时绕开，但这样仍不能解决截面形状稍复杂 的成形件的成形质量低劣的问题，并且大大增加了成形的时间和粉末的浪费。为了能 成形较复杂模型的工件，为了更好实现加工自动化，为了进一步提高粉末的利用率， 也为了进一步提高工件成形的质量，对送粉通断进行及时控制非常重要。 图2 一1 4 外方内圆零件俯视效果图2 1 5 外方内圆零件侧面效果 2 3 1 快速粉闸基本设计思路 确定使用自重式送粉，它可以使粉末利用率达到9 0 。对于流动性较好且靠自重进 行送粉的粉末，对其进行通断控制，既要保证及时性又要保证始终如一的均匀性。所 以不能通过控制送粉器的电机开关来达到目的。因为存在相当长的段导粉管，电机 停后，在导粉管内的粉末将继续下滑至粉嘴，延迟时间不可估计且不可控制。因此应 保证出粉嘴到粉闸之间的距离尽量小，尽量减少粉闸通断后粉的下滑过程造成的不可 控的时间延迟，所以粉闸的位置设计在送粉头上端，上部导粉管下部。出于对出粉均 第二章激光熔覆送粉系统改进 激光熔疆实体快速成形及送粉系统研究 匀性的考虑，所以粉闸的设计思想是改变粉末的流向，而不是使其中断。又因为是很 细小的粉末，所以想到用气载的方式改变粉末的流向。初步的设计如图2 1 6 所示。对 粉的通断的控制转变为对气阀的控制，当吹气时粉被气体载向粉末回收装置以便以后 使用，此时出粉嘴则无粉末流出；当气管停止吹气时，粉末因自重流向加工台。气闸 的开关则可由继电器控制，继电器的控制则可以在连接的p m a c 板卡i o 后由程序变量 控制，这样就转化为由程序对粉闸进行控制。由于光闸也可以由程序直接进行控制， 这样实现了光闸和粉闸的同步。 图2 1 6 粉闸设计示意图 图2 - 1 7 重新通粉后粉量随时间变化曲线 2 3 2 存在的问题 在实际使用时，当吹气的瞬间，出粉嘴粉末即刻停止，完全符合设计初衷，但是停 气后再出粉的实际情况却是，先有较大量粉涌出，然后再由小变大，最后趋于稳定。 如图2 - 1 7 所示。分析后发现出现此状况的原因是由于粉闸下端连接的出粉头为内径 i m m 的细管，所以吹气改变粉的流向时产生管内的负压，将管中的一段粉末吸住，这 部分粉便是导致气闸关闭后首先出现较大粉段流向工作台的原因。由于粉闸上部的一 段导粉管中也存在负压，并且此负压沿粉闸上部的一段导粉管向上随着距离的增大而 减小，所以使得在这段粉管中的粉末密度里阶梯状不均匀分布，从而出现了在较大粉 段落下后，出粉由小变大再至均匀的现象。 激光熔覆实体快速成形及送粉系统研究第二章激光髂覆送粉系统改进 2 4 粉闸设计改进 2 4 1 三种改进方案 ( 一) 方案1 从解决产生负压的方向入手。由于使用气载多少都会产生局部的负压，所以用机 械方法改变粉末的流向，如图2 1 8 所示，用- - d 型气缸作为提供机械动力的元件， 当要断粉时控制气缸前推挡粉斜面，从而使粉的流向改变，达到断粉效果，当要重新 使粉流向工作台时，控制气缸将挡粉斜面拉回，从而使粉变回初始流向，实际上还是 通过控制气阀的达到了控制粉通断的目的。 ( 二) 方案2 从避免或减小负压的影响方向入手，如图2 - 1 9 所示。将送粉管、出粉管和粉闸之 间的连接部分留出一定的减压口，这些减压口的作用就是为了使导粉管和出粉管中的 负压消失，从而达到理想的设计效果。 图2 1 8 方案1 设计示意图 图2 - 1 9 方案2 设计示意图 ( 三) 方案3 方案3 如图2 2 0 、2 2 1 所示，将粉闸设计为由气缸控制的移动断粉装置，并且断 粉装置使用气载将粉回收。当要断粉时气缸控制断粉装置移动至出粉头下部，由气体 将粉运载通过导接粉管至回收池，当要重新出粉时气缸控制断粉装置从出粉头下部移 出，从而使粉继续流向工作台，从而达到设计理想的效果。 第二章激光熔疆送粉系统改进 激光熔覆实体快速成形及送耪系统研究 一 图2 - 2 0 方案3 设计侧面示意图图2 2 1 断粉装置前视示意图 2 4 2 方案比较 三个改进方案都能达到初定的设计目标，响应时间较短，都可以通过继电器控制粉 的通断，从而可以整合进数控系统中，实现程序控制，从而提高了成形件形貌质量。 但就具体实用来说，方案1 、3 通断抗干扰性较好，但是方案1 、3 的汽缸及相应部 件的位置固定要占用额外空间且固定不方便，并且汽缸在高速响应时产生较大的机械 冲击，从而可能导致其接触的部件或激光头位置逐渐偏移原始位置( 因为肯定要随激 光头同步运动，所以固定在激光头上) 。由于在加工时，粉闸接近熔池很近，所以热辐 射量很大，这样就有可能使方案1 、3 的汽缸部件受热变形或坏损，从而导致在加工中 粉闸失效。方案2 因为不像其他两方案需要额外的动力器件气缸，所以不但节约了 成本，而且关键是避免了方案l 、3 因为汽缸而产生的问题，在满足技术要求方面，方 案2 由于直接由气阀控制粉通断，所以断粉时响应速度最快，在重新通粉时，由于距 离原因将会有一定时间的延时，但这种延时不是随机的，可以很容易有公式得到误差 较小的确定值，从而可以很容易在程序进行补偿以达到很好的光粉同步。 本实验室最后采用方案2 制作出了实体，作为后续研究的快速粉闸，实现了粉与光 开停基本同步。实物如图2 - 2 3 所示。 激光熔覆实体快速成形及送粉系统研究 第二章激光熔覆送粉系统改进 电磁气闸 2 5 控制部分实现 图2 - 2 2 送粉控制系统实物图 粉闸实物图 图2 2 3 断粉装置前视不慈图 本实验室采用先进的美国d e l t at a u 公司的p m a c 开放式多轴运动控制器作为c n c 模块( 具体信息将在4 第章介绍) ，工业控制机为系统支撑单元的开放式数控系统，由 于i o 处理模块是由p m a c 中p l c 程序完成的，p l c 程序定时扫描控制面板上的每一个 开关量信号的状态，完成相应的动作，所以快速粉闸的控制部分只需要将控制面板上 的继电器接入电磁气阀的回路即可实现，接入后便可以相应的变量的不同值来控制电 磁气阀回路的通断。结构示意如图2 - 2 2 所示： 第二章激光熔覆送粉系统改进激光熔疆实体快速成形及送粉系统研究 2 6 本章小结 本章在分析了原有送粉系统存在问题的基础上，采用弹簧浮动式压紧装置保证了 落粉口和转盘之间的间距恒定，从而提高了出粉的均匀度，采用针头保证较好的送粉 挺度和柬度，采用三连杆保证定位的准确。经实际测试验证，这些改进更好的保证了 送粉的均匀度、送粉位置的准确度和长时间工作的稳定性。同时本章针对自重式侧向 送粉提出了一种利用气流改变粉流向的快速可控粉闸设想，并在实验基础上针对初步 设想的不足提出了三种改进方案，最后从实际出发选择并实现了一种方案，基本上解 决了快速成形中的光粉同步问题，提高了粉末利用率。这些工作对后继快速成形的研 究，作了较好的前期准备。 激光熔覆实体快速成形及送粉系统研究 第三章熔覆工艺实验 3 1 激光熔覆理论 第三章激光熔覆工艺实验 3 1 1 激光熔覆袭面形貌