1、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目录1 绪论 .11.1 本设计研究的目的和意义 .11.2 本设计国内外研究历史与现状 .21.3 本设计拟解决的关键问题和研究方法 .42 送粉器的方案设计 .62.1 国内外送粉器的原理及特性 .62.2 送粉器的性能比较分析 .112.4 送粉器主要问题分析 .122.5 送粉器的方案设计 .132.5 气路设计 .162.6 本章小结 .193 送粉器的结构设计 .213.1 粉轮的结构设计与计算 .213.2 电动的选择 .223.3 齿轮齿条的设计计算 .223.4 轴的结构设计 .233.5 联轴器的配置 .243.6
2、 密封器件的配置 .244 送粉头的设计 .254.1 激光加工的光路系统 .254.2 激光熔覆的送粉方式 .264.3 送粉喷嘴的设计要求 .284.4 喷嘴芯的设计 .294.3 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
3、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
4、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
5、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
6、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
7、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
8、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，
9、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
10、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
11、，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
12、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
13、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
14、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
15、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
16、 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%
17、；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
18、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
19、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
20、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）
21、。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
