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激光
熔覆送粉器
设计
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本科毕业设计(论文)题目：激光熔覆送粉器设计激光熔覆送粉器设计摘 要激光熔覆技术是一种新兴的材料加工与表面改性技术，该技术可以在低成本钢上制成高性能表面，代替大量的高级合金，以节约贵重、稀有的战略金属，提高材料的综合性能，实现对重大零件的快速绿色修复再制造。送粉器是激光熔覆系统中重要的部分之一，送粉器性能的好坏直接影响熔覆层的质量和加工零件尺寸等，所以开发高性能的送粉器对激光熔覆加工显得尤为重要 2。本课题主要围绕为了满足获得较薄熔覆层的需要,设计并制作了一种多仓鼓轮可调式送粉器，喷嘴采用同轴微量式,它具有送粉速度较小且可调、送粉同步均匀、粉末利用率高、稳定性好等特点，对激光熔覆技术的实际应用具有一定的实用价值。首先，按照激光熔覆送粉喷嘴的功能要求，综合机械设计的相关理论知识，对其结构进行创新设计，并利用三维制造软件 Solidworks 绘制出了一种装配结构的激光熔覆送粉喷嘴的参数化几何模型。其次，是按照多仓式送I粉器的功能要求，综合相关资料，对其结构进行创新设计，并利用三维制造软件 Solidworks 绘制出一种装配结构的激光熔覆多仓鼓轮式送粉器的参数化几何模型。关键词：激光熔覆;同步送粉;同轴送粉;矩形喷嘴Laser Cladding Powder Feeder DesignAbstractLaser cladding technology is an emerging technology materials processing and surface modification,This technique can be made in low-cost high-performance steel surface,Instead of a large number of high alloy,in order to save precious,rare strategic metals,Improve the overall performance of the material,Achieve a significant part of the rapid restoration of green remanufacturing.Powder feeding laser cladding system is one of the important part,Powder feeder performance has a direct impact on the quality of the cladding layer and processing part size etc.Therefore,the development of high-performance powder feeder for laser cladding process is particularly important. The main topic to get around in order to meet the needs of thin cladding layer,Design and production of a multi-position adjustable drum powder feeder,Micro IIcoaxial nozzle type.It has a small powder feed rate and adjustable,powder sync uniform,high utilization of powder,good stability,On the practical application of laser cladding technique has some practical value.First of all,Laser cladding powder nozzle in accordance with the functional requirements,Comprehensive theoretical knowledge of mechanical design,innovative design of its structure,And the use of three-dimensional manufacturing software Solidworks drawing a powder feeding laser cladding nozzle geometry parameters of an assembled structure.Secondly,Accordance with the multi-warehouse-type powder feeder functional requirements,Comprehensive information,its structure innovative design,And manufacturing software Solidworks using three-dimensional laser cladding map out a multi-position drum wheel assembly structure powder feeder parametric geometry.Key Words: Laser cladding;Synchronization powder feed;Coaxial powder; Rectangular nozzle主要符号表功率P体积V鼓轮的转速合金粉末的质量M密度热流强度q水流速度v热阻R热负荷Q比热PC时间T流热系数1导热系数水流量M温升TIII目 录1 绪论 .11.1 研究背景及意义 .11.2 激光熔覆技术概述 .21.2.1 激光熔覆技术的原理 .21.2.2 激光熔覆技术的特点及应用 .21.3 激光熔覆送粉系统 .41.3.1 粉末送粉方式及送粉喷嘴 .41.3.2 同步送粉装置 .61.4 激光熔覆送粉器的国内外研究现状 .71.4.1 国外研究现状 .71.4.2 国内研究现状 .81.5 本文主要研究的内容及其意义 .92 激光熔覆送粉装置的设计 .10IV2.1 设计依据 .102.1.1 多仓式的设计依据 .102.1.2 鼓轮式送粉方式的设计依据 .102.1.3 粉末输送的机理 .112.2 同轴式送粉装置的设计 .112.2.1 结构设计 .112.2.2 尺寸设计 .112.3 主要功能分析 .153 激光熔覆送粉器喷嘴的设计 .173.1 设计依据 .173.1.1 出光部分依据 .173.1.2 喷嘴应具备冷却装置 .183.1.3 粉末对激光的遮盖影响 .183.1.4 粉末吸收的能量及被加热后的温升 .183.1.5 光粉相互作用机理 .203.1.6 喷嘴应具备良好的汇聚性 .213.2 同轴送粉喷嘴的设计 .213.2.1 结构设计 .213.2.2 尺寸设计 .223.3 主要功能分析 .234 总结 .26参考文献 .27致 谢 .29毕业设计（论文）知识产权声明 .30毕业设计（论文）独创性声明 .31V01 绪论激光熔覆技术作为一项先进的制造技术，是一种兼具多门类、综合性高科技的加工制造方法，其可使涂层与基体实现冶金结合，大幅度改善和提高机体表面性能，并且几乎可以熔覆所有的合金或陶瓷材料，因此在各个领域有着广阔的应用前景。送粉装置是激光熔覆中重要的配套工艺装备，是得到良好熔覆层质量的重要保证，送粉过程是多方因素共同作用的结果，对送粉器进行研究可有效的指导激光熔覆，提高熔覆质量，提高粉末的利用率，降低加工成本。1.1 研究背景及意义课题来源于西安高斯激光公司下一步开发的研究项目。激光熔覆技术通过不同的送粉方式在基材表面添加熔覆材料，利用高能量密度的激光束使之与基材表面薄层一起熔化后凝固，在基材表面形成冶金结合的添加熔覆层，大大的改善了基材的表面质量，同时可以修复表面破损。采用不同的送粉方式及送粉工艺参数对熔覆层的质量有这直接的影响，随着激光熔覆技术的日渐成熟及应用范围的不断扩大，其对送粉装置设计的合理性、可控性和精度等要求不断提高，因此开发高性能的工艺装备是非常重要的。同轴送粉法是目前最为先进的激光熔覆送粉术，它克服了单侧送粉的缺点，能够将粉末均匀分散成环型再汇聚后送入聚焦的激光光束熔池中达到各向同时均匀性的功能。同轴送粉装置在激光熔覆生产中可以灵活使用，易于实现自动控制，达到特殊的加工效果，因而，本文选用同轴送粉技术作为激光熔覆的送粉方式，对同轴送粉机理进行研究并设计相关的应用装置。激光同轴送粉过程是依靠自重将粉末输送、粉末与送粉装置碰撞、粉末受到激光束照射融化、熔化的粉末落入熔覆层凝固的综合结果，涉及粒子动力学、两相流运动学、传热学、计算机技术等学科。与传统侧送粉技术相比，同轴送粉技术需要将单束粉末流均匀分为多束，然后在同轴送粉装置内均匀混合喷出，同时，送粉装置的不同结构形式对粉末的碰撞、摩擦、运动均匀性影响较大，使得粉末喷出后的浓度、速度和受热熔化状态在时间和空间会有不同的分布，伴随着颗粒的不同运动结果对熔覆层的外貌形态与微观组织也产生较大变化。尽管许多学者对激光熔覆同轴送粉技术进行了大量的理论、实验和数值仿真研究，并取得了很大的进展，但由于不同结构条件的送粉过程、粉末汇聚结果各不相同，对许多影响粉末运动和汇聚的因素只作了定性分析，对于使用同轴送粉装置加工条件下的同轴送粉机理、粉末均匀输送规律缺乏进一步的认识。在同轴送粉过程中，为了实现激光能量在粉末颗粒和1熔覆层之间的合理分配，明确不同参数对激光能量分0布的影响，需要对同轴送粉装置进行创新设计；更为重要的是，为了获得好的粉末聚焦浓度分布，提高粉末利用率，需要设计同轴送粉喷嘴不同的最佳几何参数对粉末喷射后聚焦浓度的影响。因此，为了提高激光熔覆同轴送粉效率及粉末利用率，需要设计出良好的同轴送粉装置。1.2 激光熔覆技术概述1.2.1 激光熔覆技术的原理激光熔覆技术是一项新兴的零件加工于表面改性技术及再制造技术。指以不同的填料方式在被涂覆基体表面上放置选择的涂层材料，经激光辐照使之和基体表面一薄层同时熔化，并快速凝固后形成稀释度极低并与基体材料成冶金结合的表面涂层，具有较低稀释率、热影响区小、与基面形成冶金结合、熔覆件扭曲变形比较小、过程易于实现自动化等优点。激光熔覆技术应用到表面处理上,可以极大提高零件表面的硬度、耐磨性、耐腐蚀、耐疲劳等机械性能,可以极大提高材料的使用寿命。同时,还可以用于废品件的处理,实现绿色快速再制造，大量节约加工成本，减少浪费。激光溶覆应用到快速制造金属零件,所需设备少,可以减少工件制造工序,节约成本,提高零件质量,广泛应用于航空、军事、石油、化工、医疗器械等各个方面。图 1.1 所示的是激光熔覆原理示意图。图 1.1 激光原理示意图1.2.2 激光熔覆技术的特点及应用激光熔覆是利用激光束作为热源使两种性质不同或差别很大的材料达到原子结合，同时又不改变（或改变很少）各自的基本性质和性能的工艺方法。与其它表面处理技术如热喷涂技术、堆焊技术以及常规的表面涂覆工艺相比较，1激光熔覆具有以下显著的特点：激光熔覆技术可以在廉价、易加工的基本材料表面有选择地制备高性能熔覆层，并且熔覆层的厚度不受限制，还可以根据需要进行单层熔覆后多层熔覆，使表层具备梯度功能；由于激光束的高能密度所产生的近似绝热的快速加热过程，所以激光熔覆对基材的热影响较小，引起的热变形也相对较小；同时，高达 106/s 的冷却速度使熔覆层组织晶粒细小、结构致密，所以其硬度一般相对比较高，耐磨损、耐腐蚀等性能也比较好等；激光熔覆可以将高熔点的材料熔覆在低熔点的基材表面，且材料的成分亦不受通常的热力学条件的限制，因此所采用的熔覆材料的范围是相对广泛的，包括钴基和铁基合金、陶瓷材料以及碳化物符合合金材料等。另外，实验研究表明，激光熔覆生成的熔覆层具有平整的外观形貌、致密的微观结构、与基材良好的冶金结合性能以及均匀的化学组成。这些特点都可以极大的提高激光熔覆处理后材料表面的耐腐蚀、耐磨损等性能。正是基于上述的一系列优点，激光熔覆技术是激光热处理中研究很早、很多、进展很快、应用很广的一种新工艺，被认为是一种新的、很有发展前景的表面改性和绿色再制造的技术。随着大功率激光器的日益商业化和激光熔覆送粉器的不断研制开发，带动了激光熔覆技术的迅猛发展，加快了激光熔覆技术工业用用的步伐。现如今，激光熔覆技术在工业中的应用大致有一下几个方面：a. 汽车工业中的应用：汽车发动机的缸套是易磨损部件，使用激光淬火可以有效地解决缸套磨损问题，延长使用寿命。在汽车工业中，汽车覆盖件如驾驶室、引擎盖等部件都是通过冲压成型的，而机械冲压对模具的磨损和破坏性很大。模具一旦磨损，冲压出来的产品质量就会下降，为此必须更换新的模具，从而造成模具的浪费和消耗很大，如何提高模具的使用寿命成为该类企业降低生产成本、提高经济效益的重要途径和方法。此前，由于该类模具比较大，进行热处理比较难。很多企业往往不进行热处理或采用火焰法进行处理，效果往往很不理想。而受到技术条件的限制，激光热处理方法在此类大型模具上也少有应用。b. 航空工业中的应用：航空航天工业是最先吸收激光熔覆的优点用于生产的部门。通过激光熔覆可以改变钛合金表面显微硬度为 800-3000H，用激光熔覆技术对铝合金表面进行表面强化是解决铝合金表面耐磨性差、易塑性变形等问题的有效方法。另外，在钛合金、铝合金表面熔覆高性能的陶瓷涂层，材料的耐磨性、耐高温性能等可以得到大幅度提高。c. 石油工业中的应用：由于设备在长期的工作中和恶劣的环境下，容易使产品发生腐蚀、磨损的现象，会导致大型零部件的失去工作能力，例如叶轮、2大型转子的轴颈、轮盘、轴套、轴瓦等，然而这些零部件价格往往是非常的贵，涉及的零部件品种很多，形状复杂，工况差异较大。因此，在激光熔覆技术的再生产的功能下可以使这些零部件恢复原来的性能，并且加强了这些部件的使用寿命。在现在石化企业中，都会采用激光熔覆技术进行对大型零件修复，不需要预热工件，就可以恢复部件的尺寸，而且后续加工量小，不产生冶金裂纹，硬度也是非常的坚固，修复的效果非常的好。修复的部件强度将会是原来部件的一倍，修复的价格也非常的便宜，更缩短了维修的时间，解决了石油化工业中重要的麻烦。另外，对关键部件表面通过激光熔覆，使重要部件具有超耐磨抗的特点，同时大大的提高了部件的使用寿命。d. 其他方面的应用：矿山机械零件的激光强化与修复，截齿是采掘机组上直接切割煤岩的关键零件，属易损件。其失效方式主要是磨损失效，磨损失效的主要形式为截齿端部基体磨损，导致合金头剥落。激光强化截齿端头表面硬度、耐磨度有明显提高，截齿使用寿命显著延长。与普通截齿相比，激光熔覆截齿寿命延长了 3-4 倍，表面合金化截齿寿命延长 5-6 倍。另外随着激光熔覆三维同轴送粉器的研制，激光熔覆技术与计算机技术、快速成型等技术理念耦合，已发展成为激光再制造技术。它是以金属粉末为材料，在具备有零件原型的 CAD/CAM 软件支持下， CNC(计算机数控)控制激光头，送粉工作和机床按指定空间轨迹运动，光束与粉末同步输送，形成一支金属笔，在修复部位逐层熔覆，最后生成与原型零件相近似或相同的完好零件。同时利用 IR 比色测温传感器对加工过程进行监控，控制成型的精度。1.3 激光熔覆送粉系统 1.3.1 粉末送粉方式及送粉喷嘴 在激光熔覆送粉的方式可分为预置粉末法和同步送粉法两种。a. 预置粉末法是将待熔覆的合金粉末用适当的方法预先覆盖在基材的表面,然后用光束扫描。理想的涂层应厚度均匀、孔隙率低，并且与基体有良好的附着性，在激光扫描时无不良作用存在。预置的方法主要采用热喷涂或粘结等方法。热喷涂的优点是喷涂效率高，可获得大面积涂层，涂层材料基体不受污染，涂层厚度均匀且与材料结合牢固，激光熔覆中不易脱落；其不足是粉末利用率低，需要专门的设备与技术，操作程序也较复杂。粘结预置法就是针对热喷涂的不足而发展的，其优点是具有较好的经济性和方便性，但这类预置层导热性差，需要消耗更多的激光能量，粘接剂的气化和分解也易于对熔覆层合金造成污染和气孔等缺陷，激光熔覆中粘结层易脱落。b. 同步送粉法是通过送粉装置在激光熔覆的过程中通过一定的机械装置将3合金粉末送入管路，并控制送粉量大小，依靠粉末自重或气体载送实现粉末传输控制传输速度，再由喷嘴导引粉末直接送入激光作用区,在激光作用下基材和合金粉末同时熔化,结晶形成合金熔覆层。该方法是目前最为先进的激光熔覆技术，它可大大提高熔覆质量，降低熔覆层的稀释率和基材的热影响，与预置熔覆相比可使所需的熔覆能量降低一倍以上，还易于实现自动控制，现在已被广泛采用。因此,同步送粉法是激光熔覆技术的首选送粉方法,国内外实际生产中采用较多。同步送粉激光熔覆中合金粉末是由送粉器传送到激光熔池中的,目前专门应用于该项技术的送粉设备有螺旋式送粉器、转盘式送粉器、刮板式送粉器、毛细管送粉器、鼓轮式送粉器、自重式送粉器、刮吸式送粉器等。以上这些送粉器都有各自的特点,适合于不同的情况 1。送粉喷嘴则是将从送粉装置输送出来的粉流转变为不同形状并送入激光熔池中，起到控制粉末流的喷入角度、截面尺寸、粉流均匀等作用，喷嘴的结构和性能直接影响整个加工效果。同步送粉用的送粉喷嘴有几种不同类型，它们的工作方式和优点各不相同，其中比较有代表性的主要有如下两种：（1） 激光熔覆旁轴送粉喷嘴，其原理图如图 1.2 所示：其中：1- 光路镜筒；2-激光头； 3-熔覆层；4-工作台；5-试样；6-送粉管；7-运动方向。图 1.2 旁轴送粉原理图由于这种偏置一侧的旁轴送粉喷嘴设计起来比较简单，并且粉末的出口和光的出口相距比较远而不会出现因粉末过早熔化赌赛送粉口，因而得到了广泛的应用。但其最大的局限是在于送粉方向只有一个，这使得当加工面是平面时加工轨迹只能是一条直线，而不能走诸如圆、方形等这些曲线，其方便性、灵活性受到极大限制，不能实现在任意方向生成均匀的熔覆层，所以不适用于 3D4熔覆。（2） 激光熔覆同轴送粉喷嘴及其原料示意图如图 1.3 所示。其中：1- 粉末束； 2-试样；3-工作台；4- 熔覆层；5-光束；6-光路镜筒；7- 运动方向。图 1.3 同轴送粉原理图同轴送粉喷嘴则克服了旁轴送粉喷嘴的很多缺点，它能够将粉末均匀分散后在汇集成一点送入聚焦的激光熔池中，即粉末流与激光束同轴输出，故能很好地适应扫描方向的变化，其输出的粉流具有激光技术所需要的各向同性的特点，在生产中可以像使用一支金属笔那样灵活地使用。同轴送粉激光熔敷能得到沿各个方向性能一致的熔敷层。本课题所研究的新型激光熔敷喷嘴就是采用自重式送粉方的同轴送粉喷嘴，它是针对公司即将研发的下一个项目“激光熔覆”所设计的矩形式同轴送粉喷嘴，打破传统的圆形喷嘴。它具有冷却面积大，一次性加工面积大，工作效率高，可以保证送粉均匀性良好的一种新型的矩形孔式同轴送粉喷嘴。1.3.2 同步送粉装置 同步送粉装置主要由贮粉斗、贮粉槽、粉勺和送粉鼓轮等组成。其中，送粉装置和送粉喷嘴是激光熔覆的核心部件。送粉装置的主要作用是将粉斗中的粉末变成均匀连续的粉流，实现此功能可以有不同的实现方式。根据送粉方式的不同，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、鼓轮式送粉器等。其工作原理包括：5重力场、气体动力学和机械力学等。本文是采用鼓轮式送粉装置，其工作原理如图 1.4 所示。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，然后从右侧倒出粉末，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 1.4 鼓轮式送粉器1.4 激光熔覆送粉器的国内外研究现状随着激光熔覆技术的不断成熟与发展，对激光加工的配套设备的要求越来越高。目前为送粉喷嘴输送粉末的供料装置使用较多的结构的主要有：基于刮板式的供料装置、基于气体动力学的刮吸式供料装置、基于机械力学的螺旋式供料装置、基于超声振动的毛细管供料装置基于重力学自重式送粉装置等，这些装置的送粉速率一般由直流马达转速确定，转速愈高，粉末流动速度愈快，可以实现多种粉末的混合输送。但也存在送粉量不易精确调节，堆粉堵粉现象，结构相对较复杂，成本较高。激光熔覆加工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。1.4.1 国外研究现状国内激光熔覆的研究始于 20 世纪 7 0 年代初，到 20 世纪 80 年代已发展成6为表面工程、摩擦学、应用激光等领域的前沿性课题。进入 20 世纪 90 年代后，该领域的科学研究与应用开发都蓬勃发展,在工业上已经有了一些实际应用,尤其在轧辊行业中利用激光熔覆技术对轧辊表面进行改性和修复已成为国内外普遍关注的实际问题。作影响熔覆层质量重要因素之一的送粉技术送粉装置也受到了越来越多的重视。目前激光熔覆送粉方式主要有两种，即预置粉末法和同步送粉法 1。1.4.2 国内研究现状国内激光熔覆的送粉过程自动化控制还不全面，配套设备较差。激光装备的研究特别是激光供料装置的研制较少，研制出的供料装置的送粉工艺稳定性不能令人满意。目前国内的激光熔覆用供料装置主要有鼓轮式、刮板式和螺杆式等几种，只适用于较大或较小粉量的送进，存在每次送粉结束有粉末残留的问题，表 1.1 中列出了不同供料装置的送粉特性。表 1.1 不同供料装置送粉特性名称 原理 粉末干湿 粉末直径/m 粉末输送率刮吸式螺旋式转盘刮板式毛细管消磨针式转刷式气体动力学机械力学机械力学重力杨气体力+机械力摩擦力学干粉干、湿干粉干粉干、湿干粉2015200.41.20.65不可控可控可控不可控不可控可控在同轴送粉喷嘴的研究方面，美国联合技术研究中心在 1979 年已将侧向送粉的方式运用于激光熔覆，但鉴于侧向送粉的粉末各向异性，不能满足日益发展的激光熔覆制造与研究，因此西方发达国家的研究机构开始高度重视同轴送粉喷嘴的研究。LENS 工艺研究了一种环形同轴送粉喷嘴，首次将同轴送粉喷嘴应用于金属零件的激光快速成形。Lasform 成形工艺、DLF 成形工艺和 DMD 成形工艺等均采用了环形同轴送粉喷嘴。以上几种喷嘴的组成结构均为多层同心锥筒设计，结构上有轴光束通道、粉末通道、冷却水管路和保护气通道，粉末流采用多路垂直方式进入，在靠近喷嘴的端部设计有冷却装置，结构如图 1.5 所示。7图 1.5 环形同轴送粉喷嘴目前，国内设计应用的同轴送粉喷嘴结构和国外的结构相似，均为多路环向送粉，以气体保护回路和水冷却回路作为辅助结构，由于国内的研究较晚，与国外送粉系统相比在自动化水平和工艺水平等方面还有较大的差距。1.5 本文主要研究的内容及其意义 激光熔覆技术，是激光直接快速成形和激光绿色再制造的一种重要方法，它是在快速凝固过程中，通过送粉器向工作区域添加熔覆材料，利用高能量密度激光束将不同成分和性能的合金快速熔化，直接堆积形成非常致密的金属零件和在已损坏零件表面形成与零件具有完全相同成分和性能的合金层。通过激光熔覆，可以无需借助刀具和模具就能从 CAD 文件直接制造出各种复杂的近净致密金属零件和在已经损坏的零件表面直接进行修复和再制造，以缩短开发周期，节约成本，降低能源消耗，在航空航天、武器制造、汽车石油和机械电子等行业具有良好的应用前景 2。在激光同步送粉熔覆工艺中，加工质量主要依赖的参数有：加工速度、粉末单位时间输送率、激光功率密度分布、光斑直径和粉末的输送速度；其中粉末单位时间输送率和粉末的输送速度是由送粉器的输送特性决定的，送粉器是激光熔覆技术中的核心元件之一，它按照加工工艺向激光熔池输送设定好的粉末。送粉器性能的好坏直接影响熔覆层的质量和加工零件尺寸等，所以开发高性能的送粉器对激光熔覆加工显得尤为重要 2。02 激光熔覆送粉装置的设计本文基于 Dlight4000 高功率半导体激光器的接口进行同轴送粉装置的结构设计，激光器的最大功率 4KW，激光器焦距为 300mm，加工时激光聚焦后的光斑为 6.8X2.98mm2 的矩形。光路系统的示意图如图 2.1 所示。图 2.1 激光熔覆光路示意图2.1 设计依据2.1.1 多仓式的设计依据激光熔覆送粉装置是为激光加工提供原料，它主要实现的功能就是均匀定量的输出一种或多种合金粉末，由于基材的不同而需要多种金属粉末混合起来使用，古采用多仓试的送粉装置，可以减少人工的参与、混合均匀等优点。其结构有一下几个设计要点：a. 在设计多仓式要考虑粉末的储存量，确保平时每次加工的原材料够用，而不用在加工的过程中再次上料。b. 工作时要考虑粉末在输送的流畅性能，不会出现堵塞、挤压成块的现象。c. 每次取粉时保证粉勺能够装满，均匀的输送粉末，最后能够把勺里的粉末依靠自身的重力和离心力的作用下完全送出去。2.1.2 鼓轮式送粉方式的设计依据现有的送粉方式有：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、鼓轮式送粉器等。用刮或挤的方法对粉末进行取粉，再用气流沿 管路送到工件表面。此类装置存在以下缺陷：a. 是由于熔覆粉料受送粉机构的挤压、摩擦，会使粉料结粒，堵塞出粉口，造成送粉不均匀，直接影响涂敷质量。0b. 是由于送料采用气流输送方式，控制不好，熔覆粉料容易被输送气流吹跑、吹散、吹不到位等，既影响熔覆质量，又浪费了粉料，同时还影响或污染了环境。为了能够使激光熔覆得到高质量的效果，本课题设计要解决的技术问题是针对上述技术的不足，提供一种更为简单、有效和可调节的送粉装置，它具有送粉均匀，保证质量，粉末利用率高，不污染环境等诸多优点。设计一种同步式送粉的激光熔覆送粉器。2.1.3 粉末输送的机理多仓式同步送粉激光熔覆送粉器的粉末输送机理是，首先将准备好的粉末装在粉斗内，通过本身的自重，粉斗内的粉末通过输料管储存在粉槽内，将粉槽装满，且同时可以将两种不同的粉末同时输送，通过分别控制步进电机的转速，并且可以严格的按照一定的比例混合起来，大大提高了人工搅拌的不均匀现象，减少人力，节约加工成本。一方面，粉沫是在轮毂式送粉轮的一侧堆积，且粉沫堆积的上方为自由空间，以及送粉轮匀速转动和由下而上的取粉方式，可以避免或减少了对粉料的挤压、摩擦、因而可以避免或减少粉料的结粒和堵塞，从而保证和提高熔覆质量；另一方面，送粉没有使用气流吹动，而是依靠轮毂式送粉轮匀速转动的粉勺把粉料定量取走，随后依靠重力和鼓轮转动所产生的离心力把粉勺里全部的粉料从垂直的出料口自然送出，即采用重力式送粉方式，没有粉末飞散，容易控制，又提高了激光熔覆过程中的粉料利用率，同时也避免了对环境的污染。因此，与传统的刮板式或螺杆式同步送粉激光熔覆送粉器相比，多仓式同步鼓轮激光熔覆送粉装置具有结构简单(不需要气动系统)、送粉均匀、清洁生产、提高质量等诸多优点，具有明显的经济和社会意义。2.2 同轴式送粉装置的设计2.2.1 结构设计多仓式同步送粉的激光熔覆送粉装置，其主要包括壳体、其上面安装有贮粉斗，其下面开有出粉口，壳体内贮粉斗的下面安装有贮粉槽，贮粉槽内安装有与贮粉斗的斗口接通的料位管，其特征在于所述的贮粉槽内安装有与贮粉斗的斗口接通的料位管；所述贮粉槽的一侧开有一个缺口，缺口与壳体内的圆形空心座接通；所述的圆形空心座在缺口对应的另一侧与所述的出粉口垂直相切接通；所述的圆形空心座内匹配安装有轮毂式送粉轮，且轮毂式送粉轮的圆周上均匀的安装上多个粉勺，所述的出粉口上端侧面接通粉勺，下端与送粉管道插头连接。12.2.2 尺寸设计为了保证每次储存的粉料可以多次使用，因此将储粉斗的上端设计成直径为 94mm，高为 95mm 的圆柱桶形，可以储存大量的粉料，中间设计成一个锥台形，目的是为了让粉料可以顺利的向下流，下端是直径分别为 24mm 和 4mm的圆柱桶形，外部带有螺纹，目的是用来调整粉槽内粉末的储存高度，称之为料位管。粉槽的设计是用来装配储粉斗和接通粉勺取粉的通道，在粉槽的内侧靠鼓轮的一侧开有相切的通孔，通过论文与储粉斗连接。鼓轮的设计是直径为 64.03mm，上面切出 25 个燕尾槽，用来安装不同容量的粉勺以满足不同熔覆的要求，中间是带有键槽的通孔，与动力系统步进电机相匹配，其送粉鼓轮三维几何建模图如图 2.2 所示。图 2.2 送粉鼓轮三维几何建模图粉勺的设计要考虑每次能舀多少粉料，并且要保证每次都能够粉勺装满，且保证把粉勺里的粉料运送到出口处全部输出，因此将粉勺设计成簸箕型，这样的设计及可以容易取料又可以保证将粉勺内的粉料完全送出去，同时也考虑到不同的熔覆需粉量的不同，将粉勺设计成装粉量不同的一个系列的粉勺，可以满足不同的需求。本文以容积为 170.7mm3 为例设计的，其三维几何建模结构图如图 2.3 所示。2图 2.3 粉勺三维几何建模图伺服驱动系统的选择应满足：a. 惯性小、动力大，具有良好的动态特性；b. 体积小、质量轻，利用功率密度来评价。表达公式： （2.1）)/(NWP式中： 输出功率；P执行元件的重量。Wc. 高可靠性、高效率、和高准确性；d. 便于维修和安装；e. 宜于计算机控制。因此步进电机选用 86 系列两相混合式步进电机 LL86HB80 型号，步距角为1.8。按照相关的格尺寸可以直接应用。电机的转速与鼓轮可以输送粉料的体积计算公式如下：（2.2）1VN式中： 送粉体积；V表示鼓轮有 25 个粉勺；N表示每勺可以装粉料的体积；1表示鼓轮的转速。例如选用体积为 170.7mm3 的粉勺，则粉末输送合金粉末的质量计算公式如下：（2.3）910725M.46式中： 合金粉末的质量；合金粉末的密度。腔体的整体尺寸设计要考虑鼓轮的大小、进粉孔和出粉孔、两个粉仓的大3小等因素。因此设计为长 220mm、宽 53mm、高 160mm 的腔体，其三维几何建模内部结构图如图 2.4 所示。图 2.4 腔体的三维几何建模内部结构图 两个分仓的粉末要均匀混合并且还要均等的分别输送到两个喷嘴管喷出，为了能够满足这一要求，利用快速插头 FPY 的结构就可以满足要求此要求，其结构图如图 2.5 所示。图 2.5 利用快速插头 FPY 的内部结构图整个送粉装置的相关零部件都设计完成，最总的完整装配结果图如图 2.6所示。4其中：1- 粉斗盖；2-贮粉斗； 3-粉勺；4-步进电机；5- 送粉鼓轮； 6-贮粉槽；7-出粉口。图 2.6 完整的送粉装置三维几何建模内部结构图2.3 主要功能分析初步确定送粉装置的尺寸后，利用 Solidwroks 软件建立多仓式同步送粉装置的三维几何建模。在建造模型的过程中，根据送粉的顺序和功能的时序关系，先按照送粉装置的结构创建基体，然后创建粉斗、鼓轮、粉勺的结构等。如图2.7 所示，多仓式同步送粉装置的三维外观图和内部结构图。a 外观图 b 内部结构图图 2.7 多仓式同步送粉装置的三维几何模型图5从外观上看，多仓式同步送粉装置的机构紧凑，体积小，可以储存两种合金粉末，并能够将这两种粉末可以按照任意的比例均匀混合起来，同时一起输送到喷嘴。粉斗中的粉末依靠自身的重力将粉末输送到粉曹内储存一定量，粉末是在轮毂式送粉轮的侧面堆积，且粉料堆积的上方为自由空间，以及送粉轮匀速转动和由下而上的取粉方式，可以避免或减少了对粉料的挤压，摩擦、因而可以避免或减少粉料的结粒和堵塞。送粉没有使用气流吹动，而是依靠轮毂式送粉轮匀速转动的粉勺把粉料定量取走，随后依靠重力把粉料从垂直的出料口自然送出，即采用重力式送粉方式，没有粉末飞散，既提高了激光涂敷过程中的粉料利用率，同时也避免了对环境的污染。在送粉过程中，贮粉槽中粉末由贮粉斗得到补充，使粉料堆积高度一定，并保持在一定送粉量程内的动态平衡。当贮粉槽内料位管的出粉口(下口)被粉料的料位高度面堆积增高而堵塞时，由于气压平衡，使得贮粉斗自动停止供料，当贮粉槽内的粉料被送粉轮匀速送出而使料位高度面逐渐下降达到一定高度时，料位管出粉口处的气压平衡被打破，贮粉斗自动开始供料，因此，贮粉槽内的粉料容量始终可以保持动态平衡，也即位高度面可以自动保持一定，可以保证粉勺每次都能够取走都是满的。这种料位自动平衡设计结构简单、工作稳定、定量取量，特别是为高效、均匀送粉打下了可靠基础。本章首先对激光熔覆多仓式同步送粉装置的设计做了详细的阐述，通过大量的公式推导和结构分析，可以得出送粉量的一些特征参数（如每勺取粉量、粉末的输送速度和电机的转速之间的关系、粉末的储存量等） ，并对在多仓式同步送粉装置的原则指导下，初步确定了送粉装置的结构。然后建立多仓式同步送粉装置的简单模型并对鼓轮式送粉量与电机转速之间的函数关系表达式进行推导，初步确定了各个零件结构的几何尺寸。最后按照初步确定的结构几何尺寸利用 Solidworks 创建三维几何模型，并对其主要功能进行分析，设计出了结构简单、工作稳定、送粉精确、效率高的多仓式同步送粉装置。03 激光熔覆送粉器喷嘴的设计3.1 设计依据激光熔覆同轴送粉喷嘴最基本的功能是实现激光光束焦点与粉末汇集面积重合。以此为前提，为了更好的获得熔覆层的质量效果和使用方便，矩形孔式送粉喷嘴在结构上有以下几个设计要点。3.1.1 出光部分依据在设计激光熔覆送粉喷嘴的过程中，应该考虑激光焦平面与加工面之间的位置关系。材料上表面与聚焦透镜焦平面之间的距离称为离焦量，离焦的方式有两种正离焦和负离焦。如图 3.1 所示，焦平面位于材料上方时
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