截齒凈成形裝置及方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種截齒凈成形裝置及方法，所述截齒包括齒頭基座和齒頭，所述截齒凈成形裝置包括激光器、激光頭和噴嘴，本發(fā)明提供的截齒凈成形裝置及方法采用三維打印技術，使用激光將碳化鎢合金粉末直接打在齒頭基座上，使由碳化鎢合金材料制成的齒頭能夠直接成型于齒頭基座上，在加強了齒頭與齒頭基座的結合強度的同時，也增強了齒頭自身的結構強度與質量。
【專利說明】截齒凈成形裝置及方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及工業(yè)生產(chǎn)制造領域，尤其涉及一種截齒凈成形裝置及方法。
【背景技術】
[0002]工業(yè)用截齒是采煤機、掘進機和破碎機等采掘機械上直接切割石塊的關鍵部件。該部件通常采用齒頭及齒頭基座組成的焊接結構，釬焊強度直接影響截齒壽命。工業(yè)用截齒的齒頭普遍采用碳化鎢硬質合金材料，齒頭部分鑄造成型后，通過高溫釬焊工藝將鑄造其連接到齒頭基座(12CrMo鋼基材)上。釬焊工藝可以使齒頭與齒頭基座的結合強度達到一定水平，但是由于釬焊材料自身強度的限制和釬焊工藝的問題，齒頭與齒頭基座結合界面的斷裂仍然是截齒使用過程中的主要失效形式，限制了截齒的使用壽命。截齒在工作過程中由于工況惡劣，承受壓縮、彎曲和沖擊等復雜的合力作用，齒頭脫落現(xiàn)象十分嚴重。齒頭脫落勢必要停機換齒，不但增加生產(chǎn)成本，還會造成硬質合金和貴重鋼材的浪費。

【發(fā)明內容】

[0003]本發(fā)明提供一種截齒凈成形裝置及方法，以采用三維打印技術將齒頭直接沉積成型于齒頭基座上，提高齒頭與齒頭基座的結合強度及齒頭本身的質量。
[0004]為達到上述目的，本發(fā)明提供一種截齒凈成形裝置，所述截齒包括齒頭基座和齒頭，所述截齒凈成形裝置包括激光器、激光頭和噴嘴，所述激光器發(fā)出的激光經(jīng)過所述激光頭聚焦后，與碳化鎢合金粉末一起通過所述噴嘴同時投射到所述齒頭基座表面，形成熔池，所述齒頭基座靠近所述粉末部分的材料與所述粉末在所述熔池中得到混合，所述激光頭在空間內做三維運動，在運動過程中，所述熔池中的材料不斷冷卻凝固，最終形成所述齒頭，使所述齒頭直接成型于所述齒頭基座上。
[0005]進一步的，所述截齒凈成形裝置還包括數(shù)控機床或機械臂，所述激光頭在所述數(shù)控機床或機械臂的帶動下在空間內做三維運動。
[0006]進一步的，所述截齒凈成形裝置還包括預熱系統(tǒng)，所述預熱系統(tǒng)用于在成型所述齒頭之前為所述齒頭基座預熱。
[0007]進一步的，所述預熱系統(tǒng)包括感應預熱線圈、感應預熱頭和感應預熱控制器，所述感應預熱線圈繞于所述齒頭基座上，所述感應預熱頭與所述感應預熱線圈的兩端連接，所述感應預熱控制器與所述感應預熱頭電信連接。
[0008]進一步的，所述預熱系統(tǒng)還包括紅外測溫儀和控制電腦，所述紅外測溫儀用于測量所述齒頭基座的溫度，所述控制電腦與所述紅外測溫儀電信連接，所述感應預熱控制器與所述控制電腦電信連接，所述控制電腦根據(jù)所述紅外測溫儀反饋的溫度數(shù)據(jù)，通過所述感應預熱控制器實時控制所述齒頭基座的溫度和冷卻速率。
[0009]進一步的，所述齒頭基座上成型有錐形型芯，所述錐形型芯與所述齒頭基座所用的材料相同，在進行齒頭成型工作時，所述激光直接打在帶有所述錐形型芯的齒頭基座上。
[0010]本發(fā)明還提供一種截齒凈成形方法，所述截齒包括齒頭基座和齒頭，所述截齒凈成形方法包括:
[0011]步驟一:通過激光器向激光頭發(fā)出激光；
[0012]步驟二:所述激光經(jīng)過所述激光頭聚焦后，與碳化鎢合金粉末一起通過噴嘴同時投射到所述齒頭基座表面，形成熔池，所述齒頭基座靠近所述粉末部分的材料與所述粉末在所述熔池中得到混合；
[0013]步驟三:所述激光頭在空間內做三維運動，在運動過程中，所述熔池中的材料不斷冷卻凝固，最終形成所述齒頭，使所述齒頭直接成型于所述齒頭基座上。
[0014]進一步的，在所述碳化鎢合金粉末中，碳化鎢的重量百分比為10%_98%，粉末顆粒度為1-300微米，粉末形狀為不規(guī)則形狀或球形。
[0015]進一步的，所述激光的功率為50-5000瓦，所述激光的掃描速度為1-100毫米每秒，送粉速率為1-50克每分鐘。
[0016]進一步的，在所述步驟一中，在所述激光器工作之前，先對所述齒頭基座進行預熱。
[0017]與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有以下有益效果:
[0018]本發(fā)明提供的截齒凈成形裝置及方法采用三維打印技術，使用激光將碳化鎢合金粉末直接打在齒頭基座上，使由碳化鎢合金材料制成的齒頭能夠直接成型于齒頭基座上，在加強了齒頭與齒頭基座的結合強度的同時，也增強了齒頭自身的結構強度與質量。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]下面結合附圖對本發(fā)明作進一步說明:
[0020]圖1為本發(fā)明實施例提供的截齒凈成形裝置的結構示意圖；
[0021]圖2為帶有錐形型芯的齒頭基座在使用本發(fā)明實施例提供的截齒凈成形裝置完成齒頭成型后的結構示意圖。
[0022]在圖1和圖2中，
[0023]1:截齒；11:齒頭基座；12:齒頭；2:感應預熱線圈；3:感應預熱頭；4:感應預熱控制器；5:控制電腦；6:紅外測溫儀；7:激光頭；8:激光器；9:噴嘴。
【具體實施方式】
[0024]以下結合附圖和具體實施例對本發(fā)明提出的截齒凈成形裝置及方法作進一步詳細說明。根據(jù)下面說明和權利要求書，本發(fā)明的優(yōu)點和特征將更清楚。需說明的是，附圖均采用非常簡化的形式且均使用非精準的比率，僅用以方便、明晰地輔助說明本發(fā)明實施例的目的。
[0025]本發(fā)明的核心思想在于，提供一種截齒凈成形裝置及方法，所述截齒包括齒頭基座和齒頭，所述截齒凈成形裝置包括激光器、激光頭和噴嘴，所述激光器發(fā)出的激光經(jīng)過所述激光頭聚焦后，與碳化鎢合金粉末一起通過所述噴嘴同時投射到所述齒頭基座表面，形成熔池，所述齒頭基座靠近所述粉末部分的材料與所述粉末在所述熔池中得到混合，所述激光頭在空間內做三維運動，在運動過程中，所述熔池中的材料不斷冷卻凝固，最終形成所述齒頭，使所述齒頭直接成型于所述齒頭基座上。本發(fā)明提供的截齒凈成形裝置及方法采用三維打印技術，使用激光將碳化鎢合金粉末直接打在齒頭基座上，使由碳化鎢合金材料制成的齒頭能夠直接成型于齒頭基座上，在加強了齒頭與齒頭基座的結合強度的同時，也增強了齒頭自身的結構強度與質量。
[0026]請參考圖1和圖2，圖1為本發(fā)明實施例提供的截齒凈成形裝置的結構示意圖；圖2為帶有錐形型芯的齒頭基座在使用本發(fā)明實施例提供的截齒凈成形裝置完成齒頭成型后的結構示意圖。
[0027]如圖1所示，本發(fā)明實施例提供一種截齒凈成形裝置，所述截齒I包括齒頭基座11(12CrMo鋼基材)和齒頭12，所述截齒凈成形裝置包括激光器8、激光頭7和噴嘴9，所述激光器8發(fā)出的激光經(jīng)過所述激光頭7聚焦后，與碳化鎢(WC)合金粉末一起通過所述噴嘴9同時投射到所述齒頭基座11表面，形成熔池，所述齒頭基座11靠近所述粉末部分的材料與所述粉末在所述熔池中得到混合，所述激光頭7在空間內做三維運動，即調整所述激光和粉末入射的點與方向，在運動過程中，所述熔池中的材料不斷冷卻凝固，最終形成所述齒頭12，使所述齒頭12直接成型于所述齒頭基座11上。
[0028]在本實施例中，所述激光器8為光纖激光器，但可以想到的是，如固體激光器、半導體激光器或二氧化碳激光器等其它激光器8也可以用于本專利應用，本起到同樣的效果，故本發(fā)明也意圖將這些技術方案包含在保護范圍之內。
[0029]進一步的，所述截齒凈成形裝置還包括數(shù)控機床或機械臂，所述激光頭7在所述數(shù)控機床或機械臂的帶動下在空間內做三維運動。
[0030]進一步的，所述截齒凈成形裝置還包括預熱系統(tǒng)，所述預熱系統(tǒng)用于在成型所述齒頭之前為所述齒頭基座預熱，所述預熱系統(tǒng)包括感應預熱線圈2、感應預熱頭3和感應預熱控制器4，所述感應預熱線圈2繞于所述齒頭基座11上，所述感應預熱頭3與所述感應預熱線圈2的兩端連接，所述感應預熱控制器4與所述感應預熱頭3電信連接，所述預熱系統(tǒng)還包括紅外測溫儀6和控制電腦5，所述紅外測溫儀6用于測量所述齒頭基座11的溫度，所述控制電腦5與所述紅外測溫儀6電信連接，所述感應預熱控制器4與所述控制電腦5電信連接，所述控制電腦5根據(jù)所述紅外測溫儀6反饋的溫度數(shù)據(jù)，通過所述感應預熱控制器4實時控制所述齒頭基座11的溫度和冷卻速率，預熱溫度控制在200-1000°C之間為優(yōu)。
[0031]可以想到的是，采用紅外輻射、電阻絲等其他加熱方法亦可實現(xiàn)齒頭基座11的預熱效果，故本發(fā)明也意圖將這些加熱方法包含在保護范圍之內。
[0032]進一步的，所述齒頭基座11上成型有錐形型芯，所述錐形型芯與所述齒頭基座11所用的材料相同，如圖2所示，在進行齒頭12成型工作時，所述激光直接打在帶有所述錐形型芯的齒頭基座11上?？紤]到截齒I的齒頭12實際磨損超過一定厚度(如IOmm)即為失效的標準，故在帶有錐形型芯的齒頭基座11上直接成型大于該厚度標準的碳化鎢合金材料，這種制造方法既可以節(jié)省所需使用的碳化鎢合金材料和成型制造的時間，又有利于減小成型工藝過程中由于熱應力引起的開裂變形等缺陷，并且這種工藝，只能由本發(fā)明實施例提供的截齒凈成形裝置來進行加工。
[0033]本發(fā)明還提供一種利用上述截齒凈成形裝置實現(xiàn)的截齒凈成形方法，所述截齒凈成形方法包括:
[0034]步驟一:通過激光器向激光頭發(fā)出激光；
[0035]步驟二:所述激光經(jīng)過所述激光頭聚焦后，與碳化鎢合金粉末一起通過噴嘴同時投射到所述齒頭基座表面，形成熔池，所述齒頭基座靠近所述粉末部分的材料與所述粉末在所述熔池中得到混合；
[0036]步驟三:所述激光頭在空間內做三維運動，在運動過程中，所述熔池中的材料不斷冷卻凝固，最終形成所述齒頭，使所述齒頭直接成型于所述齒頭基座上。
[0037]進一步的，在所述碳化鎢合金粉末中，碳化鎢的重量百分比為10%_98%，粉末顆粒度為1-300微米，粉末形狀為不規(guī)則形狀或球形。
[0038]進一步的，所述激光的功率為50-5000瓦，所述激光的掃描速度為1_100毫米每秒，送粉速率為1-50克每分鐘，其中激光功率和掃描速度之比定義為線能量密度，單位為J/mm (焦耳每毫米)。工藝實驗研究表明，線能量密度是影響激光熔覆層的形貌尺寸(例如寬度和高度)和三維打印成型質量的主要控制參數(shù)。例如，線能量密度與熔覆寬度成正比關系，通過增大線能量密度也可以有效減少氣孔。但是線能量密度太大時會導致WC顆粒在熔池中發(fā)生分解，形成W2C和其它金屬共熔混合物，熔覆層中的WC顆粒平均尺寸明顯下降，還會增大底材向熔覆層中的稀釋度，降低熔覆層的硬度。另外，較高的線能量密度也會導致大的溫度梯度和熱應力，容易造成裂紋。因此線能量密度應控制在合適的范圍，例如對波長為近紅外的激光(1064-1080納米)時，三維打印的線能量密度應控制在50-300J/mm范圍內，以獲得無氣孔、裂紋等缺陷的高質量的硬質合金。
[0039]顯然，本領域的技術人員可以對本發(fā)明進行各種改動和變型而不脫離本發(fā)明的精神和范圍。這樣，倘若本發(fā)明的這些改動和變型屬于本發(fā)明權利要求及其等同技術的范圍之內，則本發(fā)明也意圖包含這些改動和變型在內。
【權利要求】
1.一種截齒凈成形裝置，所述截齒包括齒頭基座和齒頭，其特征在于，所述截齒凈成形裝置包括激光器、激光頭和噴嘴，所述激光器發(fā)出的激光經(jīng)過所述激光頭聚焦后，與碳化鎢合金粉末一起通過所述噴嘴同時投射到所述齒頭基座表面，形成熔池，所述齒頭基座靠近所述粉末部分的材料與所述粉末在所述熔池中得到混合，所述激光頭在空間內做三維運動，在運動過程中，所述熔池中的材料不斷冷卻凝固，最終形成所述齒頭，使所述齒頭直接成型于所述齒頭基座上。
2.根據(jù)權利要求1所述的截齒凈成形裝置，其特征在于，還包括數(shù)控機床或機械臂，所述激光頭在所述數(shù)控機床或機械臂的帶動下在空間內做三維運動。
3.根據(jù)權利要求1所述的截齒凈成形裝置，其特征在于，還包括預熱系統(tǒng)，所述預熱系統(tǒng)用于在成型所述齒頭之前為所述齒頭基座預熱。
4.根據(jù)權利要求3所述的截齒凈成形裝置，其特征在于，所述預熱系統(tǒng)包括感應預熱線圈、感應預熱頭和感應預熱控制器，所述感應預熱線圈繞于所述齒頭基座上，所述感應預熱頭與所述感應預熱線圈的兩端連接，所述感應預熱控制器與所述感應預熱頭電信連接。
5.根據(jù)權利要求4所述的截齒凈成形裝置，其特征在于，所述預熱系統(tǒng)還包括紅外測溫儀和控制電腦，所述紅外測溫儀用于測量所述齒頭基座的溫度，所述控制電腦與所述紅外測溫儀電信連接，所述感應預熱控制器與所述控制電腦電信連接，所述控制電腦根據(jù)所述紅外測溫儀反饋的溫度數(shù)據(jù)，通過所述感應預熱控制器實時控制所述齒頭基座的溫度和冷卻速率。
6.根據(jù)權利要求1至5任一項所述的截齒凈成形裝置，其特征在于，所述齒頭基座上成型有錐形型芯，所述錐形型芯與所述齒頭基座所用的材料相同，在進行齒頭成型工作時，所述激光直接打在帶有所述錐形型芯的齒頭基座上。
7.一種截齒凈成形方法，其特征在于，所述截齒包括齒頭基座和齒頭，其特征在于，所述截齒凈成形方法包括:` 步驟一:通過激光器向激光頭發(fā)出激光； 步驟二:所述激光經(jīng)過所述激光頭聚焦后，與碳化鎢合金粉末一起通過噴嘴同時投射到所述齒頭基座表面，形成熔池，所述齒頭基座靠近所述粉末部分的材料與所述粉末在所述熔池中得到混合； 步驟三:所述激光頭在空間內做三維運動，在運動過程中，所述熔池中的材料不斷冷卻凝固，最終形成所述齒頭，使所述齒頭直接成型于所述齒頭基座上。
8.根據(jù)權利要求7所述的截齒凈成形方法，其特征在于，在所述碳化鎢合金粉末中，碳化鎢的重量百分比為10%-98%，粉末顆粒度為1-300微米，粉末形狀為不規(guī)則形狀或球形。
9.根據(jù)權利要求7所述的截齒凈成形裝置的傳動方法，其特征在于，所述激光的功率為50-5000瓦，所述激光的掃描速度為1-100毫米每秒，送粉速率為1-50克每分鐘。
10.根據(jù)權利要求7至9任一項所述的截齒凈成形方法，其特征在于，在所述步驟一中，在所述激光器工作之前，先對所述齒頭基座進行預熱。
【文檔編號】B22F5/08GK103600071SQ201310598066
【公開日】2014年2月26日 申請日期:2013年11月22日 優(yōu)先權日:2013年11月22日
【發(fā)明者】齊歡 申請人:上海彩石激光科技有限公司