專利名稱：激光熔覆成型設(shè)備及一種金屬零件的激光熔覆成型方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及金屬零件成型加工技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及激光熔覆成型設(shè)備及一種金屬 零件的激光熔覆成型方法。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的金屬零件成型方法包括數(shù)控機床切削加工、鑄造、注塑等。數(shù)控機床是普遍 使用的加工制造設(shè)備。但是，數(shù)控機床難以制造具有復(fù)雜表面或結(jié)構(gòu)的零件，如薄壁結(jié)構(gòu)、 封閉內(nèi)腔結(jié)構(gòu)和共行冷卻結(jié)構(gòu)等；也難以加工某些材料的零件，如鈦合金和高硬度材料?？焖俪尚褪且粋€新的制造方法，能夠解決傳統(tǒng)制造方法存在的問題。當(dāng)前，最主要 的快速成型材料有樹脂、粉末、紙、蠟、塑料材料甚至橡膠，并且它們只能用于概念模型、視 覺原型。加工出的零件在成型精度和效率上存在問題。另外，一些工藝受到材料性能的限 制，不適于直接制造快速模具。金屬零件有好的表面質(zhì)量，高的形狀和尺寸精度，和高的結(jié) 構(gòu)強度導(dǎo)致了無法直接地以傳統(tǒng)快速成型方法來成型，因此無法滿足制造業(yè)——尤其是快 速模具制造領(lǐng)域——對零件機械性能的較高要求，工業(yè)上迫切需要一種能夠快速制造金屬 零件的快速成型技術(shù)。目前國內(nèi)外對金屬零件的快速成型方法的研究主要有下述方面。一、立體光造形(Stereo Lithography Apparatus，SLA)技術(shù)。SLA 技術(shù)又稱光固 化快速成型技術(shù)，其原理是計算機控制激光束對光敏樹脂為原料的表面進(jìn)行逐點掃描，被 掃描區(qū)域的樹脂薄層(約十分之幾毫米)產(chǎn)生光聚合反應(yīng)而固化，形成零件的一個薄層。工 作臺下移一個層厚的距離，以便固化好的樹脂表面再敷上一層新的液態(tài)樹脂，進(jìn)行下一層 的掃描加工，如此反復(fù)，直到整個原型制造完畢。由于光聚合反應(yīng)是基于光的作用而不是基 于熱的作用，故在工作時只需功率較低的激光源。此外，因為沒有熱擴散，加上鏈?zhǔn)椒磻?yīng)能 夠很好地控制，能保證聚合反應(yīng)不發(fā)生在激光點之外，因而加工精度高)，表面質(zhì)量好，原 材料的利用率接近100%，能制造形狀復(fù)雜、精細(xì)的零件，效率高。對于尺寸較大的零件，則可 采用先分塊成型然后粘接的方法進(jìn)行制作。缺點(1)成型過程中伴隨著物理和化學(xué)變化， 所以制件較易彎曲，需要支撐，(2)設(shè)備運轉(zhuǎn)及維護(hù)成本較高。(3)可使用的材料種類較少。 (4)液態(tài)樹脂具有氣味和毒性，并且需要避光保護(hù)，以防止提前發(fā)生聚合反應(yīng)，選擇時有局 限性。(5)需要二次固化。(6)液態(tài)樹脂同化后的性能尚不如常用的工業(yè)塑料，一般較脆、 易斷裂，不使進(jìn)行機加工，樹脂收縮導(dǎo)致精度下降、光固化樹脂有一定的毒性等。該方法主 要用于成型零件原型，金屬零件加工中，需要以此原型經(jīng)失蠟鑄造制作金屬零件，成型時間 較長，加工成本較高。二、直接熔融金屬成型零件的技術(shù)，主要包括選擇性激光燒結(jié)SLS (Selective Laser Sintering)技術(shù)、激光熔覆成型LCF(Laser Cladding Forming)技術(shù)、激光近形LENS (Laser Engineering Net Shaping)技術(shù)等。SLS的成型原理是先在工作臺上用輥筒鋪一 層粉末加熱至略低于它的熔化溫度，然后，激光束在計算機的控制下按照截面輪廓的信息， 對加工的實心部分所在的粉末進(jìn)行掃描，使粉末的溫度升至熔化點，于是粉末交界處熔化后相互粘結(jié)，逐步得到各層輪廓。在非燒結(jié)區(qū)的粉末仍呈松散狀，作為工件和下一層粉末的 支撐。一層成型完成后，工作臺下降一截面層的高度，再進(jìn)行下一層的鋪料和燒結(jié)，如此循 環(huán)最終形成三維工件。LCF技術(shù)的工作原理是通過對工作臺數(shù)控，實現(xiàn)激光束對粉末的掃 描、熔覆，最終成型出所需形狀的零件。研究結(jié)果表明零件切片方式、激光熔覆層厚度、激 光器輸出功率、光斑大小、光強分布、掃描速度、掃描間隔、掃描方式、送粉裝置、送粉量及粉 末顆粒的大小等因素均對成型零件的精度和強度有影響。LENS技術(shù)則是將SLS技術(shù)和LCF 技術(shù)相結(jié)合，并保持了這兩種技術(shù)的優(yōu)點；選用的金屬粉末有三種形式(1)單一金屬；(2) 金屬加低熔點金屬粘結(jié)劑；(3)金屬加有機粘結(jié)劑。上述直接熔融金屬成型零件的技術(shù)的缺點在于均采用的是鋪粉方式，所以不管使 用哪種形式的粉末，激光燒結(jié)后的金屬的密度較低、多孔隙、強度較低。要提高燒結(jié)零件強 度，必須進(jìn)行后處理，如浸滲樹脂、低熔點金屬，或進(jìn)行熱等靜壓處理，但這些后處理會改變 金屬零件的精度，且表面粗糙度較高，成型效率不高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)的不足而提供一種成型效率高，制備的零件組織 致密、晶粒細(xì)小、表面粗糙度低，適用范圍廣的激光熔覆成型設(shè)備；同時提供一種基于該激 光熔覆成型設(shè)備的金屬零件的激光熔覆成型方法。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案一種激光熔覆成型設(shè)備，包括CNC數(shù) 控工作平臺，所述CNC數(shù)控工作平臺設(shè)置有可做X-Y-Z三維運動的工作臺，所述工作臺上方 固設(shè)有激光器裝置，所述激光器裝置的激光束輸出端正對所述工作臺，它還包括送絲裝置 和控制系統(tǒng)；所述送絲裝置包括支架和送絲嘴，所述支架內(nèi)設(shè)置有夾送輥輪對，所述夾送輥 輪對的主動輪與一步進(jìn)電機的輸出軸連接，該步進(jìn)電機固設(shè)于所述支架，所述送絲嘴通過 一三維調(diào)節(jié)器與所述支架連接；所述控制系統(tǒng)包括設(shè)置有運動控制軟件的運動控制模塊， 所述運動控制模塊設(shè)置有多軸運動控制卡，該多軸運動控制卡分別與所述步進(jìn)電機和驅(qū)動 工作臺X-Y-Z三維運動的驅(qū)動電機連接，所述多軸運動控制卡亦與所述激光裝置的激光頭 轉(zhuǎn)動驅(qū)動裝置連接。其中，所述控制系統(tǒng)還包括設(shè)置于CNC數(shù)控工作平臺的溫度感應(yīng)器。其中，所述CNC數(shù)控工作平臺在所述工作臺周緣設(shè)置有限位開關(guān)，所述限位開關(guān) 與所述多軸運動控制卡連接。進(jìn)一步地，所述夾送輥輪對的從動輪樞接在一從動輪調(diào)節(jié)器上；所述從動輪調(diào)節(jié) 器包括一調(diào)節(jié)桿和一調(diào)節(jié)螺栓；所述調(diào)節(jié)桿鉸接在支架內(nèi)，從動輪樞接在調(diào)節(jié)桿靠近自由 端處；所述調(diào)節(jié)螺栓螺接于支架，調(diào)節(jié)螺栓的前端頂?shù)炙稣{(diào)節(jié)桿的自由端。更進(jìn)一步地，所述夾送輥輪對的主動輪的周緣面開設(shè)有夾絲槽，所述從動輪周緣 面對應(yīng)主動輪夾絲槽的位置亦開設(shè)有夾絲槽；所述夾絲槽槽壁內(nèi)設(shè)置有防滑紋。其中，所述送絲嘴鉸接在所述三維調(diào)節(jié)器前端。其中，所述送絲嘴上設(shè)有用來輸送激光熔覆工藝所需保護(hù)氣體的保護(hù)氣噴嘴。作為實現(xiàn)本發(fā)明另一發(fā)明目的技術(shù)方案，一種金屬零件激光熔覆成型方法，包括 以下步驟a、建模，利用CAD軟件或反求技術(shù)生成零件的CAD三維模型，利用成形控制軟件 將所述CAD三維模型按一定間距切割成一系列平行薄片，得到各層薄片的輪廓數(shù)據(jù)；b、指令轉(zhuǎn)換，根據(jù)各層薄片的輪廓數(shù)據(jù)設(shè)計工作臺的運動軌跡，將該運動軌跡轉(zhuǎn)換成多軸運動 控制卡的控制指令，并將所述控制指令輸出至所述所述多軸運動控制卡；c、薄片成型，多軸 運動控制卡控制工作臺做X向和Y向運動，同時控制送絲裝置將金屬絲送至工作臺上方正 對激光器激裝置激光束輸出端的位置，激光器裝置產(chǎn)生激光束，熱熔金屬絲前端，形成熔滴 并滴落于工作臺，所述熔滴在工作臺上堆積冷卻，并隨工作臺運動而形成薄片；d、沉積成 型，完成薄片的成型后，多軸運動控制卡控制工作臺做Z向運動，向下運動步驟a所述間距 的距離，再以步驟c進(jìn)行下一薄片的成型，并依次完成各層薄片的成型，熔滴堆積冷卻沉積 成型而制得金屬零件。其中，所述金屬絲采用直徑為0. 4mm 0. 6mm的金屬絲。其中，所述步驟c中，送絲裝置的送絲速度為10 40mm/s，所述工作臺的X向和Y 向運動的移動速度為5 30mm/s，所述激光器裝置產(chǎn)生激光束的功率為0. 8 1. 2kw。本發(fā)明有益效果為通過激光熔融金屬絲，形成熔滴，熔滴在工作臺上堆積冷卻， 并隨工作臺運動而形成薄片，各個薄片依次一層層沉積而形成三維金屬零件；本發(fā)明制造 過程不需采用鑄造模型或鍛造模具以及其它專用加工設(shè)備，顯著降低了制造成本；簡化了 工藝流程，成型效率高；由于零件是由金屬熔滴堆積沉積而成，故而制備的零件組織致密、 晶粒細(xì)小、表面粗糙度低，零件結(jié)構(gòu)強度和表面質(zhì)量高；本發(fā)明能夠方便迅捷地制造傳統(tǒng)工 藝方法難以制造甚至無法制造的復(fù)雜金屬零件，適于傳統(tǒng)方法難以加工的高加工硬化率金 屬、難熔金屬、金屬間化合物等材料的成形，適用范圍廣。


利用附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步說明，但附圖中的實施例不構(gòu)成對本發(fā)明的任何限制。附圖1是本發(fā)明的一種激光熔覆成型設(shè)備的結(jié)構(gòu)示意圖。附圖2是本發(fā)明的一種激光熔覆成型設(shè)備的激光器裝置和送絲裝置的局部結(jié)構(gòu) 示意圖。附圖3是本發(fā)明的一種激光熔覆成型設(shè)備的送絲裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。附圖4是本發(fā)明的一種激光熔覆成型設(shè)備的送絲裝置的另一視角的示意圖。附圖5是本發(fā)明的一種金屬零件激光熔覆成型方法的步驟流程圖。圖1、圖2、圖3和圖4中包括
1——工作臺2——激光器裝置 21——激光頭
22——激光束輸出端3——送絲裝置313——絲盤
314——導(dǎo)管315——保護(hù)氣噴嘴 32——支架
331——主動輪332——從動輪 35——三維調(diào)節(jié)器
35a——X軸調(diào)節(jié)器 35b——Z軸調(diào)節(jié)器35c——Y軸調(diào)節(jié)器 36——送絲嘴371——調(diào)節(jié)桿 372——調(diào)節(jié)螺栓
38——步進(jìn)電機 4——控制系統(tǒng) 41——多軸運動控制卡 5——金屬絲。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明，見圖1 圖4所示，一種激光熔覆成型設(shè)備，包括CNC數(shù)控工作平臺，所述CNC數(shù)控工作平臺設(shè)置有可做X-Y-Z三維運動的工作臺1， 所述工作臺1上方固設(shè)有激光器裝置2，所述激光器裝置2的激光束輸出端22正對所述工 作臺1，它還包括送絲裝置3和控制系統(tǒng)4 ；所述送絲裝置3包括支架32和送絲嘴36，所述 支架32內(nèi)設(shè)置有夾送輥輪對，所述夾送輥輪對的主動輪331與一步進(jìn)電機38的輸出軸連 接，該步進(jìn)電機38固設(shè)于所述支架32，所述送絲嘴36通過一三維調(diào)節(jié)器35與所述支架32 連接；所述控制系統(tǒng)4包括設(shè)置有運動控制軟件的運動控制模塊，所述運動控制模塊設(shè)置 有多軸運動控制卡41，該多軸運動控制卡41分別與所述步進(jìn)電機38和驅(qū)動工作臺1X-Y-Z 三維運動的驅(qū)動電機連接，所述多軸運動控制卡41亦與所述激光裝置的激光頭21轉(zhuǎn)動驅(qū) 動裝置連接。見圖5所示，利用本發(fā)明所述的激光熔覆成型設(shè)備的一種金屬零件激光熔覆成型 方法，包括以下步驟a、建模，利用CAD軟件或反求技術(shù)生成零件的CAD三維模型，利用成形 控制軟件將所述CAD三維模型按一定間距切割成一系列平行薄片，得到各層薄片的輪廓數(shù) 據(jù)；b、指令轉(zhuǎn)換，根據(jù)各層薄片的輪廓數(shù)據(jù)設(shè)計工作臺1的運動軌跡，將該運動軌跡轉(zhuǎn)換成 多軸運動控制卡41的控制指令，并將所述控制指令輸出至所述所述多軸運動控制卡41 ；c、 薄片成型，多軸運動控制卡41控制工作臺1做X向和Y向運動，同時控制送絲裝置3將金 屬絲5送至工作臺1上方正對激光器激裝置激光束輸出端22的位置，激光器裝置2產(chǎn)生激 光束，熱熔金屬絲5前端，形成熔滴并滴落于工作臺1，所述熔滴在工作臺1上堆積冷卻，并 隨工作臺1運動而形成薄片；d、沉積成型，完成薄片的成型后，多軸運動控制卡41控制工作 臺1做Z向運動，向下運動步驟a所述間距的距離，再以步驟c進(jìn)行下一薄片的成型，并依 次完成各層薄片的成型，熔滴堆積冷卻沉積成型而制得金屬零件。在金屬零件的熔覆成型加工過程中，通過調(diào)節(jié)所述三維調(diào)節(jié)器35，使送絲嘴36精 確的對準(zhǔn)激光束輸出端22在工作臺1上形成的焦點處；待制備的零件三維結(jié)構(gòu)經(jīng)所述的步 驟a和步驟b形成控制指令；CNC數(shù)控工作平臺的機架上樞接有絲盤314，在工作時，將盤繞 于絲盤314的金屬絲5拉出，送入所述支架32 ；金屬絲5在支架32內(nèi)經(jīng)過一輔助輪和夾送 輥輪對，被校直拉緊的同時，通過所述主動輪331，獲得步進(jìn)電機38提供的送進(jìn)動力；金屬 絲5從支架32的出絲端導(dǎo)出后，進(jìn)入送絲嘴366，并從送絲嘴36的前端伸出，被激光器裝 置2產(chǎn)生的激光加熱融化而形成熔滴，依次經(jīng)所述的步驟c和步驟d而堆積成三維零件。送 絲裝置3送絲的位置精度由三維調(diào)節(jié)器35保證，送絲速度的精度由多軸運動控制卡41控 制步進(jìn)電機38保證。本發(fā)明通過激光熔融金屬絲5，形成熔滴，熔滴在工作臺1上堆積冷卻，并隨工作 臺1運動而形成薄片，各個薄片依次一層層沉積而形成三維金屬零件；本發(fā)明制造過程不 需采用鑄造模型或鍛造模具以及其它專用加工設(shè)備，顯著降低了制造成本；簡化了工藝流 程，成型效率高；由于零件是由金屬熔滴堆積沉積而成，故而制備的零件組織致密、晶粒細(xì) 小、表面粗糙度低，零件結(jié)構(gòu)強度和表面質(zhì)量高；本發(fā)明能夠方便迅捷地制造傳統(tǒng)工藝方法 難以制造甚至無法制造的復(fù)雜金屬零件，適于傳統(tǒng)方法難以加工的高加工硬化率金屬、難 熔金屬、金屬間化合物等材料的成形，適用范圍廣。其中，所述的多軸運動控制卡41 (即Program Multiple Axises Controller，簡 稱PMAC)是美國Delta Tau公司九十年代最早推出的開放式多軸運動控制器，它提供運動 控制、離散控制、內(nèi)務(wù)處理、同主機的交互等數(shù)控的基本功能，廣泛應(yīng)用于多軸運動的控制系統(tǒng)，這里不贅述其構(gòu)造和工作原理。其中，本實施例所述的三維調(diào)節(jié)器35由X軸調(diào)節(jié)器35a、Y軸調(diào)節(jié)器35c和Z軸 調(diào)節(jié)器35b組成；所述的X軸調(diào)節(jié)器35a、Y軸調(diào)節(jié)器35c和Z軸調(diào)節(jié)器35b均由一對滑動 副和一個用于控制滑動副相對滑動的調(diào)節(jié)螺桿組成；所述Y軸調(diào)節(jié)器35c的滑動副分別與 X軸調(diào)節(jié)器35a的滑動副，以及Z軸調(diào)節(jié)器35b的滑動副固接；使用時通過擰動各個調(diào)節(jié)螺 桿，調(diào)節(jié)與之對應(yīng)的滑動副的相對位置，從而實現(xiàn)X、Y、Z三維空間位置的調(diào)節(jié)。當(dāng)然，三維 調(diào)節(jié)技術(shù)屬于成熟的現(xiàn)有技術(shù)，只要能實現(xiàn)三維空間位置的精確調(diào)節(jié)，本發(fā)明也可以采用 其它結(jié)構(gòu)的三維調(diào)節(jié)器。本發(fā)明所述的控制系統(tǒng)4還包括設(shè)置于CNC數(shù)控工作平臺的溫度感應(yīng)器。在加工 過程中，熔滴滴落于工作臺1，與之前滴落于工作臺1的熔滴融合，最后冷卻而形成固態(tài)金 屬零件，這個過程中，金屬由液態(tài)轉(zhuǎn)換為固態(tài)的凝固速度很重要，凝固過快，則熔滴與熔滴 之間，或薄片與薄片之間金相組織無法相互融合，形成的零件結(jié)構(gòu)強度不強，易在熔滴與熔 滴之間，或薄片與薄片之間產(chǎn)生裂紋；若熔滴凝固速度過慢，則成型過程中，液態(tài)金屬易流 動而無法定型，影響成型尺寸；熔滴的凝固速度取決于熔滴自身溫度和環(huán)境溫度，熔滴溫度 由激光溫度決定，而環(huán)境溫度則需要監(jiān)控并調(diào)節(jié)，所述溫度感應(yīng)器即用于監(jiān)控環(huán)境溫度，并 將采集的數(shù)據(jù)傳遞至控制系統(tǒng)4，進(jìn)而轉(zhuǎn)化成多軸運動控制卡41調(diào)節(jié)步進(jìn)電機38送絲速度 和工作臺1移動速度的參數(shù)，這提高了本發(fā)明的工作可靠性。其中，所述CNC數(shù)控工作平臺在所述工作臺1周緣設(shè)置有限位開關(guān)，所述限位開關(guān) 與所述多軸運動控制卡41連接。工作過程中，可能由于工作臺1的裝配誤差、磨損、控制信 號誤差等因素而產(chǎn)生工作臺1的移動誤差，這將影響零件的成型精度，故而設(shè)置限位開關(guān)， 用于監(jiān)控反饋控制工作臺1的移動誤差。當(dāng)然，這種對工作臺1移動誤差的監(jiān)控反饋的裝 置也可以是光柵尺、傳感器等。見圖3所示，所述夾送輥輪對的從動輪樞接在一從動輪調(diào)節(jié)器上；所述從動輪調(diào) 節(jié)器包括一調(diào)節(jié)桿371和一調(diào)節(jié)螺栓372 ；所述調(diào)節(jié)桿371鉸接在支架32內(nèi)，從動輪樞接 在調(diào)節(jié)桿371靠近自由端處；所述調(diào)節(jié)螺栓372螺接于支架32，調(diào)節(jié)螺栓372的前端頂?shù)?所述調(diào)節(jié)桿371的自由端。所述調(diào)節(jié)螺栓372螺接在支架32上，調(diào)節(jié)螺栓372的前端頂?shù)?所述調(diào)節(jié)桿371的自由端。擰動所述調(diào)節(jié)螺栓372，調(diào)節(jié)桿371由于其自由端受調(diào)節(jié)螺栓 372的抵壓而繞鉸鏈轉(zhuǎn)動，從而調(diào)節(jié)樞接于其上的從動輪相對主動輪331的距離；這樣可以 調(diào)節(jié)所述夾送輥輪對對金屬絲5的夾緊程度，同時，當(dāng)該夾送輥輪對夾送不同截面直徑的 金屬絲5時，也可以通過調(diào)節(jié)所述從動輪調(diào)節(jié)器，從而實現(xiàn)對不同尺寸金屬絲5的夾送，進(jìn) 一步增強了本發(fā)明的適用范圍。其中，所述夾送輥輪對的主動輪331的周緣面開設(shè)有夾絲槽，所述從動輪周緣面 對應(yīng)主動輪331夾絲槽的位置亦開設(shè)有夾絲槽；所述夾絲槽槽壁內(nèi)設(shè)置有防滑紋。該夾絲 槽可以保護(hù)金屬絲5在被夾送時不至于被壓壞，同時，由于夾送時，金屬絲5與夾絲槽的槽 壁接觸，增大了與夾送輥輪對的接觸面積，從而在相同的夾緊力下增加了送絲的摩擦力。其中，所述送絲嘴36鉸接在所述三維調(diào)節(jié)器35前端。這樣，送絲嘴36可繞三維 調(diào)節(jié)器35的前端轉(zhuǎn)動，從而調(diào)節(jié)送絲的角度，而上述的三維調(diào)節(jié)器35主要用于精確控制送 絲嘴36的空間定位。本實施例所述送絲嘴36還可以在所述三維調(diào)節(jié)器35上更換不同內(nèi) 徑的送絲嘴36，以滿足不同型號金屬絲5的送絲需要。
見圖3和圖4所示，所述送絲嘴36上設(shè)有用來輸送激光熔覆工藝所需保護(hù)氣體的 保護(hù)氣噴嘴315。其中，所述支架32的進(jìn)絲端與收卷有金屬絲5的絲盤13之間，以及支架32的出 絲端與送絲嘴36之間均設(shè)有導(dǎo)管314 ；所述導(dǎo)管314的作用在于限制和改變金屬絲5的前 進(jìn)方向。本實施例所述導(dǎo)管314的材料采用聚四氟乙烯，導(dǎo)管314的內(nèi)徑比金屬絲5直徑 大 0. 5-1. Ornm。本金屬零件的激光熔覆成型方法中，所述金屬絲5采用直徑為0. 4mm 0. 6mm的 金屬絲。金屬絲5的直徑大小影響熔滴尺寸，亦即是說，對熔覆成型每一進(jìn)尺的精度有影 響。若金屬絲5直徑過小，則熔滴尺寸小，成型速度慢，且對激光器裝置2的能量利用率不 高；若金屬絲5直徑過大，則有可能造成在激光熔化金屬絲5的過程中，金屬絲5端部未 完全熔化而熔滴已滴落，這將造成熔滴不均勻，影響成型精度，故而選取直徑為0. 4mm 0. 6mm的金屬絲5，熔覆過程中，形成的熔滴尺寸適中，能有效提高成型精度和零件結(jié)構(gòu)強 度。本金屬零件的激光熔覆成型方法的步驟c中，送絲裝置3的送絲速度為10 40mm/s，所述工作臺1的X向和Y向運動的移動速度為5 30mm/s，所述激光器裝置2產(chǎn)生 激光束的功率為0. 8 1. 2kw。送絲裝置3的送絲速度與工作臺1的移動速度是相互影響 的，二者共同決定了零件的成型精度。送絲速度過快，則金屬絲5不能被完全熔化，熔滴在 滴落前會有部分殘留于未熔化的部分金屬絲5表面，這將影響熔滴均勻性；送絲速度過慢， 則熔滴供給不能保證熔覆成型的需要，兩相鄰熔滴間不能有效結(jié)合，從而影響零件的結(jié)構(gòu) 強度。同理，在一個薄片成型的過程中，工作平臺的移動速度若與熔滴滴落速度不相匹配， 移動速度過慢則易造成熔滴堆積，過快則易造成兩相鄰熔滴間不能有效結(jié)合。故而，在選定 金屬絲5直徑的情況下，選擇工作臺1的X向和Y向運動的移動速度為5 30mm/s，與之相 匹配的，選擇送絲速度為10 40mm/s，這保證了熔滴產(chǎn)生、熔滴滴落的均勻性，進(jìn)而保證了 熔覆成型過程的均勻性，保證了成型精度。以上所述僅是本發(fā)明的較佳實施方式，故凡依本發(fā)明專利申請范圍所述的構(gòu)造、 特征及原理所做的等效變化或修飾，均包括于本發(fā)明專利申請范圍內(nèi)。
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權(quán)利要求
激光熔覆成型設(shè)備，它包括CNC數(shù)控工作平臺，所述CNC數(shù)控工作平臺設(shè)置有可做X-Y-Z三維運動的工作臺，所述工作臺上方固設(shè)有激光器裝置，所述激光器裝置的激光束輸出端正對所述工作臺，其特征在于它還包括送絲裝置和控制系統(tǒng)；所述送絲裝置包括支架和送絲嘴，所述支架內(nèi)設(shè)置有夾送輥輪對，所述夾送輥輪對的主動輪與一步進(jìn)電機的輸出軸連接，該步進(jìn)電機固設(shè)于所述支架，所述送絲嘴通過一三維調(diào)節(jié)器與所述支架連接；所述控制系統(tǒng)包括設(shè)置有運動控制軟件的運動控制模塊，所述運動控制模塊設(shè)置有多軸運動控制卡，該多軸運動控制卡分別與所述步進(jìn)電機和驅(qū)動工作臺X-Y-Z三維運動的驅(qū)動電機連接，所述多軸運動控制卡亦與所述激光裝置的激光頭轉(zhuǎn)動驅(qū)動裝置連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光熔覆成型設(shè)備，其特征在于所述控制系統(tǒng)還包括設(shè)置 于CNC數(shù)控工作平臺的溫度感應(yīng)器。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的激光熔覆成型設(shè)備，其特征在于所述CNC數(shù)控工作平臺在 所述工作臺周緣設(shè)置有限位開關(guān)，所述限位開關(guān)與所述多軸運動控制卡連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的激光熔覆成型設(shè)備，其特征在于所述夾送輥輪對的從動輪 樞接在一從動輪調(diào)節(jié)器上；所述從動輪調(diào)節(jié)器包括一調(diào)節(jié)桿和一調(diào)節(jié)螺栓；所述調(diào)節(jié)桿鉸 接在支架內(nèi)，從動輪樞接在調(diào)節(jié)桿靠近自由端處；所述調(diào)節(jié)螺栓螺接于支架，調(diào)節(jié)螺栓的前 端頂?shù)炙稣{(diào)節(jié)桿的自由端。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的激光熔覆成型設(shè)備，其特征在于所述夾送輥輪對的主動輪 的周緣面開設(shè)有夾絲槽，所述從動輪周緣面對應(yīng)主動輪夾絲槽的位置亦開設(shè)有夾絲槽；所 述夾絲槽槽壁內(nèi)設(shè)置有防滑紋。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的激光熔覆成型設(shè)備，其特征在于所述送絲嘴鉸接在所述三 維調(diào)節(jié)器前端。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的激光熔覆成型設(shè)備，其特征在于所述送絲嘴上設(shè)有用來輸 送激光熔覆工藝所需保護(hù)氣體的保護(hù)氣噴嘴。
8.使用如權(quán)利要求1 7任意一項所述的激光熔覆成型設(shè)備的一種金屬零件激光熔覆 成型方法，其特征在于它包括以下步驟a、建模，利用CAD軟件或反求技術(shù)生成零件的CAD三維模型，利用成形控制軟件將所述 CAD三維模型按一定間距切割成一系列平行薄片，得到各層薄片的輪廓數(shù)據(jù)；b、指令轉(zhuǎn)換，根據(jù)各層薄片的輪廓數(shù)據(jù)設(shè)計工作臺的運動軌跡，將該運動軌跡轉(zhuǎn)換成 多軸運動控制卡的控制指令，并將所述控制指令輸出至所述所述多軸運動控制卡；c、薄片成型，多軸運動控制卡控制工作臺做X向和Y向運動，同時控制送絲裝置將金屬 絲送至工作臺上方正對激光器激裝置激光束輸出端的位置，激光器裝置產(chǎn)生激光束，熱熔 金屬絲前端，形成熔滴并滴落于工作臺，所述熔滴在工作臺上堆積冷卻，并隨工作臺運動而 形成薄片；d、沉積成型，完成薄片的成型后，多軸運動控制卡控制工作臺做Z向運動，向下運動步 驟a所述間距的距離，再以步驟c進(jìn)行下一薄片的成型，并依次完成各層薄片的成型，熔滴 堆積冷卻沉積成型而制得金屬零件。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種金屬零件的激光熔覆成型方法，其特征在于所述金屬 絲采用直徑為0. 4mm 0. 6mm的金屬絲。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的一種金屬零件的激光熔覆成型方法，其特征在于所述步驟 c中，送絲裝置的送絲速度為10 40mm/s，所述工作臺的X向和Y向運動的移動速度為5 30mm/s，所述激光器裝置產(chǎn)生激光束的功率為0. 8 1. 2kw。
全文摘要
激光熔覆成型設(shè)備及一種金屬零件的激光熔覆成型方法，該設(shè)備包括三維運動的工作臺、激光器裝置、送絲裝置和控制系統(tǒng)；送絲裝置包括夾送輥輪對，夾送輥輪對的主動輪與一步進(jìn)電機連接；控制系統(tǒng)包括多軸運動控制卡，多軸運動控制卡分別與步進(jìn)電機、工作臺驅(qū)動電機和激光裝置連接；該方法包括建模、指令轉(zhuǎn)換、薄片成型和沉積成型等步驟；通過激光熔融金屬絲，形成熔滴，熔滴在工作臺上堆積冷卻，并隨工作臺運動而形成薄片，各個薄片依次一層層沉積而形成三維金屬零件；制造成本低，成型效率高，零件結(jié)構(gòu)強度和表面質(zhì)量高，適用范圍廣。
文檔編號B22F3/105GK101885063SQ20101024841
公開日2010年11月17日 申請日期2010年8月9日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月9日
發(fā)明者四庫 申請人:東莞理工學(xué)院