一種制造大傾斜角度零件的激光金屬成形系統(tǒng)及方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種制造大傾斜角度零件的激光金屬成形系統(tǒng)及方法，該方法利用同軸四管送粉噴嘴送粉，并在四個送粉噴嘴上各安裝一個由控制器控制的電磁閥，利用控制器對四個送粉噴嘴的關(guān)閉進(jìn)行實時控制，當(dāng)零件的傾斜角度超過極限角度時，控制器控制電磁閥，使沿零件傾斜方向的噴嘴送粉，其余送粉噴嘴關(guān)閉，但送粉總量不變，使熔池受力穩(wěn)定，不容易塌陷，且粉末利用率高，從而實現(xiàn)大傾斜角度零件的加工。這種方法結(jié)合同軸送粉和側(cè)向送粉的優(yōu)點，可以實現(xiàn)用三維工作臺來制造形狀復(fù)雜、傾斜角度較大的零件，如生物醫(yī)療器械等，同時結(jié)構(gòu)簡單，不需反復(fù)調(diào)整，粉末匯聚性穩(wěn)定，且容易控制。能很好地解決加工大傾角零件時無法成形、表面結(jié)瘤和塌陷等問題。
【專利說明】一種制造大傾斜角度零件的激光金屬成形系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于零件加工領(lǐng)域，具體涉及一種制造大傾斜角度零件的激光金屬成形系統(tǒng)及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]激光金屬直接成形(Laser Metal Direct Forming, LMDF)是將激光熔覆技術(shù)與快速成型制造技術(shù)相融合，能將復(fù)雜的CAD模型直接成形出高性能致密的金屬零件。其加工過程為:先用三維建模軟件設(shè)計出三維模型或者利用反求技術(shù)反求出模型。然后用RPDATA軟件按照一定的厚度將三維零件模型分層，得到二維的輪廓切片信息并對輪廓信息進(jìn)行編輯，然后將二維的輪廓信息轉(zhuǎn)換成加工路徑。根據(jù)加工路徑的信息，計算機(jī)控制熔覆頭在三維工作臺的運動，同時由激光器輸送激光，由送粉器通過噴嘴輸送金屬粉末，粉末在激光作用下形成熔池，并迅速凝固，成形完一層之后Z軸向上提升一層的厚度，不斷重復(fù)便逐層地將零件堆積出來，最后經(jīng)過去除支撐、噴砂等較少的后處理得到設(shè)計的零件。用激光金屬直接成形的方法，有成本低、周期短和能制造復(fù)雜零件，很適合于航空航天和醫(yī)療器械的制造，同時制造出的金屬零件具有力學(xué)性能好、高致密、幾乎不需要后處理等優(yōu)點。
[0003]但是成形傾斜零件時，由于缺乏穩(wěn)定的支撐，形成的熔池很不穩(wěn)定，特別在傾斜角度較大時，容易產(chǎn)生熔池塌陷等問題，造成加工的零件結(jié)瘤和表面不平整等問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點，提供一種制造大傾斜角度零件的激光金屬成形系統(tǒng)及方法，能通過電磁閥控制送粉噴嘴的開閉，改變?nèi)鄢氐氖芰η闆r，提高熔池的穩(wěn)定性，來提高制造傾斜復(fù)雜零件的能力。
[0005]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明是采用如下技術(shù)方案予以實現(xiàn)的:
[0006]一種制造大傾斜角度零件的激光金屬成形系統(tǒng)，包括三維工作臺，以及安裝在三維工作臺Z軸方向上的激光頭和噴嘴固定裝置；激光頭通過光纖和激光器相連；噴嘴固定裝置上固定有同軸四管送粉噴嘴，并且安裝在激光頭的周圍，激光頭位于同軸四管送粉噴嘴的中心軸上；同軸四管送粉噴嘴上連接有用于控制其打開或關(guān)閉的電磁閥。
[0007]所述的同軸四管送粉噴嘴包括均勻分布在噴嘴固定裝置上的四個送粉噴嘴，每一個送粉噴嘴的上端均通過送粉管與送粉器相連；送粉噴嘴與送粉器之間的送粉管上還連接有電磁閥，四個電磁閥的控制端均連接到控制器的控制信號輸出端上。
[0008]所述的送粉噴嘴的上端與電磁閥之間的距離為10?15mm。
[0009]所述的控制器的控制信號輸入端上還連接有用于控制電磁閥開閉和三維工作臺運動的計算機(jī)。
[0010]一種制造大傾斜角度零件的激光金屬成形的方法，包括以下步驟:
[0011]I)在三維工作臺Z軸方向上安裝激光頭和噴嘴固定裝置，激光頭通過光纖和激光器相連；在噴嘴固定裝置上激光頭的周圍安裝同軸四管送粉噴嘴，激光頭與四個送粉噴嘴的中心對準(zhǔn)；每個送粉噴嘴的上端安裝電磁閥，并通過送粉管與送粉器相連；將電磁閥的控制端均連接到控制器的控制信號輸出端上，再將控制器的控制信號輸入端與計算機(jī)相連；
[0012]2)加工時，根據(jù)需要加工零件的類型、相應(yīng)的工藝參數(shù)和設(shè)備的加工能力，設(shè)定最大傾斜角度Θ，并將零件的加工路徑數(shù)據(jù)導(dǎo)入計算機(jī)。
[0013]3)然后打開控制器、激光器和送粉器進(jìn)行加工；激光器經(jīng)過光纖和激光頭輸送出激光，送粉器通過送粉管經(jīng)送粉噴嘴輸送出粉末，激光將粉末熔化形成熔池；
[0014]4)當(dāng)零件的傾斜角度小于最大傾斜角度Θ時，控制器控制四個電磁閥全部打開，使四個送粉噴嘴送粉加工；
[0015]5)當(dāng)加工到傾斜角度大于或者等于最大傾斜角度Θ時，控制器控制相應(yīng)電磁閥的打開和關(guān)閉；
[0016]6)當(dāng)加工到傾斜角度小于最大傾斜角度Θ時，控制器控制電磁閥全部打開送粉噴嘴，重復(fù)步驟4)和5)，直至加工完畢。
[0017]所述步驟2)中，導(dǎo)入計算機(jī)的加工路徑數(shù)據(jù)中包括不同層的傾斜角度和傾斜方向。
[0018]所述步驟2)中，最大傾斜角度Θ為30°?60°。
[0019]所述步驟5)中，控制器控制電磁閥的具體方法是:
[0020]將沿零件傾斜方向的兩個送粉噴嘴打開，另外兩個關(guān)閉；
[0021]或者當(dāng)零件只向其中一個送粉噴嘴方向傾斜時，只打開傾斜方向的送粉噴嘴，其余三個關(guān)閉，打開的送粉噴嘴的送粉方向和零件傾斜的方向相同；當(dāng)有送粉噴嘴關(guān)閉時，打開的送粉噴嘴的送粉量增加，使總送粉量不變。
[0022]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果:
[0023]本發(fā)明制造大傾斜角度零件的激光金屬成形系統(tǒng)，通過在同軸四管送粉噴嘴上安裝用于控制其打開或關(guān)閉的電磁閥，在加工傾斜角度較大的零件時，能通過對送粉噴嘴的開閉進(jìn)行控制來改變?nèi)鄢氐氖芰顩r，提高熔池的穩(wěn)定性，從而提高制造傾斜復(fù)雜零件的能力，同時本發(fā)明實現(xiàn)的方式簡單，便于控制。
[0024]進(jìn)一步的，本發(fā)明，送粉噴嘴的上端安裝電磁閥，且其與電磁閥之間的距離近，避免了出現(xiàn)粉末延遲等問題。
[0025]本發(fā)明制造大傾斜角度零件的激光金屬成形方法，首先，由于整個加工是在三維工作臺上的完成的，因此可以用三維工作臺直接成形出傾斜角度較大、形狀較復(fù)雜的零件，很好地解決了加工復(fù)雜零件時產(chǎn)生塌陷、結(jié)瘤和表面粗糙等問題。其次，本發(fā)明能夠避免對噴嘴的調(diào)整，因此避免了在光斑范圍內(nèi)的粉末量減小，提高了粉末的利用率；此外，由于避免對噴嘴的調(diào)整，也不會影響粉末的匯聚性，減小實驗誤差；最后，在加工大傾斜角零件時，送粉的方向和工件的移動方向相同，使直接落入熔池中的粉末量增加，提高了粉末的利用效率。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0026]圖1為本發(fā)明同軸四管送粉噴嘴加工零件的示意圖；
[0027]圖2為本發(fā)明同軸四管送粉噴嘴的仰視圖。[0028]其中，I為送粉管；2為激光頭；3為電磁閥；4為送粉噴嘴；5為噴嘴固定裝置?！揪唧w實施方式】
[0029]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明進(jìn)一步詳述描述。
[0030]參見圖1和圖2所示，本發(fā)明制造大傾斜角度零件的激光金屬成形系統(tǒng)，包括三維工作臺，以及安裝在三維工作臺Z軸方向上的激光頭2和噴嘴固定裝置5 ;激光頭2通過光纖和激光器相連；噴嘴固定裝置5上固定有同軸四管送粉噴嘴，并且安裝在激光頭2的周圍，激光頭2位于同軸四管送粉噴嘴的中心軸上；同軸四管送粉噴嘴包括均勻分布在噴嘴固定裝置5上的四個送粉噴嘴4，每一個送粉噴嘴4的上端均通過送粉管I與送粉器相連；送粉噴嘴4與送粉器之間的送粉管I上還連接有電磁閥3，四個電磁閥3的控制端均連接到控制器的控制信號輸出端上。送粉噴嘴4的上端與電磁閥3之間的距離為10?15mm。同軸四管送粉噴嘴上連接有用于控制其打開或關(guān)閉的控制器?？刂破鞯目刂菩盘栞斎攵松线€連接有用于控制電磁閥開閉和三維工作臺運動的計算機(jī)，計算機(jī)的加工軟件根據(jù)輸入的路徑數(shù)據(jù)，對控制器進(jìn)行控制。
[0031]本發(fā)明還公開了一種制造大傾斜角度零件的激光金屬成形的方法，包括以下步驟:
[0032]I)在三維工作臺Z軸方向上安裝激光頭2和噴嘴固定裝置5，激光頭(2)通過光纖和激光器相連；在噴嘴固定裝置5上激光頭2的周圍安裝同軸四管送粉噴嘴，激光頭2與四個送粉噴嘴4的中心對準(zhǔn)；每個送粉噴嘴4的上端安裝電磁閥3，并通過送粉管I與送粉器相連；將電磁閥3的控制端均連接到控制器的控制信號輸出端上，再將控制器的控制信號輸入端與計算機(jī)相連；
[0033]2)加工時，根據(jù)需要加工零件的類型、相應(yīng)的工藝參數(shù)和設(shè)備的加工能力，設(shè)定最大傾斜角度Θ，并將零件的加工路徑數(shù)據(jù)導(dǎo)入計算機(jī)，導(dǎo)入計算機(jī)的加工路徑數(shù)據(jù)中包括不同層的傾斜角度和傾斜方向。其中，零件的類型一般分為薄壁件(零件壁厚與內(nèi)徑曲率半徑或輪廓尺寸之比小于1:20)和實體件，薄壁件的最大傾斜角度Θ為40°?60°，實體件的最大傾斜角度Θ為30°?40°。
[0034]3)然后打開控制器、激光器和送粉器進(jìn)行加工；激光器經(jīng)過光纖和激光頭2輸送出激光，送粉器通過送粉管I經(jīng)送粉噴嘴輸4送出粉末，激光將粉末熔化形成熔池；
[0035]4)當(dāng)零件的傾斜角度小于最大傾斜角度Θ時，控制器控制四個電磁閥3全部打開，使四個送粉噴嘴正常送粉加工；
[0036]5)當(dāng)加工到傾斜角度大于或者等于最大傾斜角度Θ時，控制器控制相應(yīng)電磁閥3的打開和關(guān)閉；
[0037]控制器控制電磁閥的具體方法是:
[0038]將沿零件傾斜方向的兩個送粉噴嘴4打開，另外兩個關(guān)閉；
[0039]或者當(dāng)零件只向其中一個送粉噴嘴方向傾斜時，只打開傾斜方向的送粉噴嘴，其余三個關(guān)閉，打開的送粉噴嘴的送粉方向和零件傾斜的方向相同；當(dāng)有送粉噴嘴關(guān)閉時，打開的送粉噴嘴的送粉量增加，使總送粉量不變。
[0040]6)當(dāng)加工到傾斜角度小于最大傾斜角度Θ時，控制器控制電磁閥全部打開送粉噴嘴，重復(fù)步驟4)和5)，直至加工完畢。[0041]本發(fā)明具有以下優(yōu)點:
[0042]1、本發(fā)明利用電磁閥對送粉噴嘴的打開和關(guān)閉進(jìn)行控制來制造大傾斜角度零件的激光金屬直接成形的方法，適合于制造傾斜角度較大、形狀較復(fù)雜的零件及其修復(fù)，特別適合用于制造定制化人工假體等醫(yī)療器械的制造；可以用三維工作臺直接成形出傾斜角度較大、形狀較復(fù)雜的零件，很好地解決了加工復(fù)雜零件時產(chǎn)生塌陷、結(jié)瘤和表面粗糙等問題。
[0043]2、避免對噴嘴的調(diào)整，因為如果通過對噴嘴的送粉角度進(jìn)行調(diào)整來制造傾斜角度較大的零件，會使在光斑范圍內(nèi)的粉末量減小，同時由于重力作用，粉末的利用率減??；此外對噴嘴進(jìn)行調(diào)整，也會影響粉末的匯聚性，增大實驗誤差。
[0044]3、在加工大傾斜角零件時，送粉的方向和工件的移動方向相同，使直接落入熔池中的粉末量增加，提高了粉末的利用效率。
[0045]4、電磁閥距離送粉噴嘴近，能避免出現(xiàn)粉末延遲等問題。
[0046]5、實現(xiàn)的方式簡單，便于控制。
[0047]以上內(nèi)容僅為說明本發(fā)明的技術(shù)思想，不能以此限定本發(fā)明的保護(hù)范圍，凡是按照本發(fā)明提出的技術(shù)思想，在技術(shù)方案基礎(chǔ)上所做的任何改動，均落入本發(fā)明權(quán)利要求書的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種制造大傾斜角度零件的激光金屬成形系統(tǒng)，其特征在于:包括三維工作臺，以及安裝在三維工作臺Z軸方向上的激光頭(2)和噴嘴固定裝置(5);激光頭(2)通過光纖和激光器相連；噴嘴固定裝置(5)上固定有同軸四管送粉噴嘴，并且安裝在激光頭(2)的周圍，激光頭(2)位于同軸四管送粉噴嘴的中心軸上；同軸四管送粉噴嘴上連接有用于控制其打開或關(guān)閉的電磁閥。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制造大傾斜角度零件的激光金屬成形系統(tǒng)，其特征在于:所述的同軸四管送粉噴嘴包括均勻分布在噴嘴固定裝置(5)上的四個送粉噴嘴(4)，每一個送粉噴嘴(4)的上端均通過送粉管(I)與送粉器相連；送粉噴嘴(4)與送粉器之間的送粉管(I)上還連接有電磁閥(3)，四個電磁閥(3)的控制端均連接到控制器的控制信號輸出端上。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制造大傾斜角度零件的激光金屬成形系統(tǒng)，其特征在于:所述的送粉噴嘴(4)的上端與電磁閥(3)之間的距離為10~15mm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的制造大傾斜角度零件的激光金屬成形系統(tǒng)，其特征在于:所述的控制器的控制信號輸入端上還連接有用于控制電磁閥開閉和三維工作臺運動的計算機(jī)。
5.一種制造大傾斜角度零件的激光金屬成形的方法，其特征在于，包括以下步驟: 1)在三維工作臺Z軸方向上安裝激光頭(2)和噴嘴固定裝置(5)，激光頭(2)通過光纖和激光器相連；在噴嘴固定裝置(5)上激光頭(2)的周圍安裝同軸四管送粉噴嘴，激光頭(2)與四個送粉噴嘴(4)的中心對準(zhǔn)；每個送粉噴嘴(4)的上端安裝電磁閥(3)，并通過送粉管(I)與送粉器相連；將電磁 閥(3)的控制端均連接到控制器的控制信號輸出端上，再將控制器的控制信號輸入端與計算機(jī)相連； 2)加工時，根據(jù)需要加工零件的類型、相應(yīng)的工藝參數(shù)和設(shè)備的加工能力，設(shè)定最大傾斜角度Θ，并將零件的加工路徑數(shù)據(jù)導(dǎo)入計算機(jī)； 3)然后打開控制器、激光器和送粉器進(jìn)行加工；激光器經(jīng)過光纖和激光頭(2)輸送出激光，送粉器通過送粉管(I)經(jīng)送粉噴嘴輸(4)送出粉末，激光將粉末熔化形成熔池； 4)當(dāng)零件的傾斜角度小于最大傾斜角度Θ時，控制器控制四個電磁閥(3)全部打開，使四個送粉噴嘴送粉加工； 5)當(dāng)加工到傾斜角度大于或者等于最大傾斜角度Θ時，控制器控制相應(yīng)電磁閥(3)的打開和關(guān)閉； 6)當(dāng)加工到傾斜角度小于最大傾斜角度Θ時，控制器控制電磁閥全部打開送粉噴嘴，重復(fù)步驟4)和5)，直至加工完畢。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的制造大傾斜角度零件的激光金屬成形的方法，其特征在于:所述步驟2)中，導(dǎo)入計算機(jī)的加工路徑數(shù)據(jù)中包括不同層的傾斜角度和傾斜方向。
7.根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的制造大傾斜角度零件的激光金屬成形的方法，其特征在于:所述步驟2)中，最大傾斜角度Θ為30°~60°。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的制造大傾斜角度零件的激光金屬成形的方法，其特征在于:所述步驟5)中，控制器控制電磁閥的具體方法是: 將沿零件傾斜方向的兩個送粉噴嘴(4)打開，另外兩個關(guān)閉； 或者當(dāng)零件只向其中一個送粉噴嘴方向傾斜時，只打開傾斜方向的送粉噴嘴，其余三個關(guān)閉，打開的送粉噴嘴的送粉方向和零件傾斜的方向相同；當(dāng)有送粉噴嘴關(guān)閉時，打開的送粉噴嘴的送粉量增加，使總送粉量不變。
【文檔編號】B22F3/105GK103624258SQ201310562345
【公開日】2014年3月12日 申請日期:2013年11月11日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月11日
【發(fā)明者】劉亞雄, 秦勉, 張安峰, 李滌塵, 楊洪濤 申請人:西安交通大學(xué)