高功率激光加工同轴送粉系统设计毕业设计Word文档下载推荐.docx

高功率激光加工同轴送粉系统设计毕业设计Word文档下载推荐.docx

《高功率激光加工同轴送粉系统设计毕业设计Word文档下载推荐.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《高功率激光加工同轴送粉系统设计毕业设计Word文档下载推荐.docx（36页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

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

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路熔凝的方式，这种表面改性技术自从显现以来，去的了迅速的进展，现已普遍应用于工业行业。

最近几年来，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，那么进展成为激光再造技术。

作为激光再造系统的重要组成部份送粉器，送粉量的稳固性、均匀性直接关系到熔覆层的质量。

目前，很多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，这些设备依照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。

最近几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。

通太高密度激光辐射，使涂覆材料与机体表面薄层同时熔化，但是涂层材料很少被机体稀释，大体上能够维持其原有的成份和性质不变，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式，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阻碍着熔覆成效，因此，对送粉器的研究是及其重要的。

随着激光加工技术的成熟和进展，熔覆技术在工业领域的应用和深切进展，而送粉设备是又激光熔覆技术的关键设备，就必需设计出更好的专用送粉设备来适应激光熔覆技术的进展。

就目前激光加工业的实际应用情形来看，这方面的工作还做的远远不够，本次设计的依据是成立在激光熔覆技术的基础之上的，依照任务书的要求，设计的的目的是解决送粉进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照，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和一样送粉进程中粉末的不均匀性、粉末的不顺畅通、粉末易氧化、易受潮等一系列问题。

能够在必然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，要紧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，关于工业大规模运用激光熔覆技术和基于激光熔覆技术的快速三维制造起技术支持作用，关于某些激光加工厂合有不可替代的作用。

1.2本设计国内外研究历史与现状

gnanmuthu于1976年取得了激光熔覆一层金属于另一层金属的基体的熔覆方式专利。

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成效慢慢为世人所熟悉。

其应用领域在不断拓宽，应用规模也在不断扩大，此刻已普遍应用于工业生产、通信、医疗、军事、文化教育和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进展，和对熔覆层的加工精度和质量要求的提高，国内外接踵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MotohiroUrakaw设计的毛细管式送粉器，是通过毛细管的振动来输送粉末，可是送粉率不可操纵。

AmitSuri和MasayukiHorio所实验的送粉器，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操纵送粉量。

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，能够使粉末按着“先定量堆积而后输出”的大体程序进行输送，送粉量稳固，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0~40g/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100~350目的粉末，其送粉量为2~25g/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混合粉末输送实验中，送粉量为5~20g/min；

李艳丽等设计的螺旋送粉器可实现7~60g/min的送粉量。

目前国内外已经研制的送粉器要紧能够分为：

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进展，送粉器作为熔覆设备的核心元件之一，也取得了普遍的研究。

目前，国内外对送粉器的研制目标是将送粉器工作时的持续性、均匀性、稳固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能够看出送粉器进展的特点：

（1）多功能化。

现有的送粉器大体都能够对单一的粉末进行持续送粉，以后送粉器的进展向着混合送粉、多方式送粉和高精度方向进展，目前已前后研制出多料仓混合的送粉器[16]，熔覆材料组成及配比持续可调的送粉器和高度集成带有信息反馈附件的送粉器等。

（2）微量化。

现有的送粉器都是持续送粉，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周密熔覆和微成形，在这种加工进程中，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周密修复时，大送粉量的送粉器全然无法知足工作的要求。

（3）超细化。

此刻的送粉器能够对较大尺寸粉末，进行持续稳固的送粉，因为其流动性好，易于传输。

但是，关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，专门是关于有些工件表面的缺点专门微小（如小的磨损坑、裂痕、小孔洞和侵蚀坑等）无法知足加工的要求。

随着激光技术的进展，通过量种尝试，国内外已经研制出很多类型的送粉器。

一样情形下，较大尺寸的粉末（颗粒直径>

100μm）流动性较好，易于传送，而颗粒直径较小的粉末（颗粒直径<

1μm）容易聚团和粘滞，流动性较差，通常传送如此尺寸的粉末是超级困难的[17]，因此，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，而致使送粉不持续和送粉量不均匀，取得的熔覆层厚度不均匀、表面质量差、严峻周密熔覆和微成型的质量。

比如关于纳米相粉这种超细粉末在输送中容易发生团聚，目前的送粉器尚未取得专门好的解决。

因此，关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。

而且关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式

本课题研究重点和难点即在研究并解决阻碍粉末传输进程中阻碍其均匀性和稳固性的要紧因素和超细粉末的输送难题。

通过研究分析提出能够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进程当中，保证粉末的稳固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，这一快速熔凝的进程。

同时这一进程又是一个能量、动量、质量输送的进程，不仅存在传热现象，而且存在对流和质量传递，这些进程直接阻碍激光工艺质量和对工艺参数的要求、深切了解激光熔池中发生的传热和对流机理关于正确运用激光熔覆技术十分重要，通过成立数学方程来描述激光熔池中的动力学数理方程，通过成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，它们的速度散布，物料的运动状态，动力特。

通过研究粉末的再传送进程中的运动规律，从而确信对送粉系统的要求，依照要求，提出送粉方案设计同轴送粉头的结构和尺寸。

2）研究方式

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进展历史和现状。

2）观观点

通过观看实验室的5kv横流二氧化炭气体激光器及多轴联动数控激光系统，了解同轴送粉器的要紧结构，功能和工作原理。

3）定量分析法

运用粉末分散原理，成立数学模型，对粉末的运动进行定量分析。

2送粉器的方案设计

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。

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，能够使粉末按着“先定量堆积而后输出”的大体程序进行输送，送粉量稳固，送粉粒度为320目以下，送粉进度可达±

2.1国内外送粉器的原理及特性

送粉器的功能是将粉末依照加工工艺要求精准的送入激光熔池，并确保加工进程中，粉末能持续、均匀、稳固地输送。

针对不同类型的粉末要求，目前国内外已经研制的送粉器要紧能够分为：

各类送粉器的具体工作进程如下：

㈠螺旋式送粉器

螺旋式送粉器主若是基于机械力学原理，如图所示，它要紧由粉末存储仓斗、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。

送粉量的大小能够由电机的转速调剂。

这种送粉器能传送粒度大于15μm的粉末，粉末的输送速度为10~150g/min。

螺旋式送粉器

㈡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，要紧由粉斗、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，而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爱惜性气体，通过气体压力将粉末从吸粉嘴处送出，然后在通过出粉管抵达激光加工区域。

转盘式送粉器

㈢刮板式送粉器

刮板式送粉器，如图2.3所示，它要紧由存转盘、储粉末的粉斗、刮板、接粉斗等组成。

工作时粉末从粉斗通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剂即能够操纵送粉量的大小，同时调剂粉斗和转盘的高度和漏粉孔的大小，能够使送粉量的调剂达到更宽的范围。

刮板式送粉器适用于颗粒直径大于20μm的粉末输送。

刮板式送粉器

⑷毛细管式送粉器

这种方式主若是利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0.4μm。

毛细管式送粉器

⑸鼓轮式送粉器

鼓轮式送粉器的要紧结构如图2.5所示，要紧有贮粉斗，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必然范围内的动态平稳。

鼓轮匀速转动，其上均匀散布的粉勺不断从粉槽舀取粉末，又从右边倒出粉末，粉末由于重力从出粉口送出。

通过调剂鼓轮的转速和改换不同大小的粉勺来实现送粉率的操纵。

鼓轮式送粉器

⑹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）。

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剂，靠得住方便；

而且不像刮吸式与螺旋式等机械式送粉器，粉末输送进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，造成送粉量的不稳固。

⑺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慢慢上升到出粉口，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，通过调剂电磁铁线圈电压的频率和大小就可实现送粉率的操纵。

电磁振动送粉器

2.2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，持续性和稳固性高，而且这种送粉方式，对粉末的干湿度没有要求，能够输送略微潮湿的粉末。

可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，送粉量不能过小，因此很难实现周密激光熔覆加工中所要求的微量送粉，而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，而且不同材料的粉末能够混合输送，最小粉末输送率可1g/min。

可是对其他形状的粉末输送成效不行，工作时送粉率不可控，而且对粉末的干燥程度要求高，略微潮湿的粉末，会使送粉的持续性和均匀性降低。

（3）刮板式送粉器：

关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，送粉的持续性和均匀性差，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0.4μm。

粉末输送率能够达到≤1g/min。

能够在必然程度上实现周密熔覆中要求的微量送粉，可是它是靠自身的重力输送粉末，必需是干燥的粉末，不然容易堵塞，送粉的重复性和稳固性差，关于不规那么的粉末输送，输送时在毛细管中容易堵，因此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，关于颗粒比较大的粉末，因其流动性好能够持续送粉，而且机构简单。

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，使送粉不稳固，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。

但一样要求所送粉末干燥。

沸腾式送粉器关于粉末的流化和吹送都是通过气体来完成的，因此幸免了前面螺旋式，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，反映灵敏，由于是用气体做为载流体将粉末输出，因此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。

而且关于超细粉末的输送不稳固，在出粉管处超细粉末容易团聚，发生堵塞。

2.3同轴送粉器的进展特点及以后趋势

（1）多功能化。

现有的送粉器大体都能够对单一的粉末进行持续送粉，以后送粉器的进展向着混合送粉、多方式送粉和高精度方向进展，目前已前后研制出多料仓混合的送粉器，熔覆材料组成及配比持续可调的送粉器和高度集成带有信息反馈附件的送粉器等。

2.4送粉器要紧问题分析

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有的特殊性能。

尺寸极小，表面积专门大，位于表面的原子数占总原子数相当大的比例，表面离子缺少临近配位的表面原子，使离子的活性极高，具有庞大的表面能，离子处于极不稳固的状态，使其具有强烈的彼此吸引而达到稳固的趋势，很容易与其它的分子产生很强的彼此作使劲，如范德华力，异性电荷之间的静电力、磁性力等，其中范德华力其要紧作用。

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组成的体系，随着颗粒间距离的增大，其分子间作使劲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，若是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，严峻阻碍着粉末的均匀混合：

即便将团聚临时分开，分子间的作使劲又会使颗粒再次团聚，很容易堵塞喷嘴，严峻阻碍送粉的持续性。

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，那么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类裂纹气孔。

烧结不均匀将会使机体产生应力，并阻碍机体致密化。

显然，团聚对超细粉末的传送和加工都产生超级不利的阻碍，必需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

基于大量的调研结果，针对激光再制造技术的应用特点和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，采纳特殊的方式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幸免粉末吸附于粉斗壁上，并在粉斗内充满平稳气体，避免粉末回流。

（2）采纳特殊结构的粉轮和粉轮腔，对分粉末进行打散和精准计算输送，粉轮运转速度持续可调。

（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、稳固，不显现再次团聚现象。

（4）通过在储粉斗中安装搅拌轴，避免粉末发生团聚和形成空洞的现象。

（5）采纳在粉轮上开槽的方式和齿轮齿条的形式对粉末的均匀性、定量性和稳固性进行操纵调剂。

本方案采纳鼓轮送粉原理。

设计方案要紧包括落粉、粉轮传送、气流输送三部份。

图2.1所示为送粉腔原理图。

其运动进程如下，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

通过电动机转动带动搅拌轴转动使储粉斗中的粉末幸免发生团聚现象，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，并维持稳固的压力，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固输送出来，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，依照任务书的要求，结合难点分析，咱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份组成。

搅拌和传输系统

由于粉末在传输进程当中容易发生团聚团和空洞现象，因此团聚体的打散与否对送粉器的送粉成效有着重要的阻碍，解决那个问题的方式有多种，例如能够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，最有效的方式是电，使持续供给的颗粒群通过电晕放电形成离子电帘，使颗粒荷电，但该方式本钱较高，不适合小型化的生产应用。

另外一种重要的，较容易实现的方式是机械分散，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发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，咱们设计的装置，将二者相结合。

设计出一种全新的送粉器。

（1）粉末容器中架桥的排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使劲。

但过去利用的各类降低颗粒间力的方式或成效有限，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，咱们考虑在送粉器粉斗增加破拱搅拌组建系统，通过搅拌架规那么转动，搅拌粉末的均匀流动，幸免粉末粘结、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

该部份通过粉轮来实现。

依照超细粉末的特点，其结构尺寸设计成圆柱形，粉轮外径部份散布着粉槽，粉槽的容积大小能够依如实际情形而进行调整，它与