CN103624258A - 一种制造大倾斜角度零件的激光金属成形系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种制造大倾斜角度零件的激光金属成形系统及方法，该方法利用同轴四管送粉喷嘴送粉，并在四个送粉喷嘴上各安装一个由控制器控制的电磁阀，利用控制器对四个送粉喷嘴的关闭进行实时控制，当零件的倾斜角度超过极限角度时，控制器控制电磁阀，使沿零件倾斜方向的喷嘴送粉，其余送粉喷嘴关闭，但送粉总量不变，使熔池受力稳定，不容易塌陷，且粉末利用率高，从而实现大倾斜角度零件的加工。这种方法结合同轴送粉和侧向送粉的优点，可以实现用三维工作台来制造形状复杂、倾斜角度较大的零件，如生物医疗器械等，同时结构简单，不需反复调整，粉末汇聚性稳定，且容易控制。能很好地解决加工大倾角零件时无法成形、表面结瘤和塌陷等问题。

Description

一种制造大倾斜角度零件的激光金属成形系统及方法

技术领域

本发明属于零件加工领域，具体涉及一种制造大倾斜角度零件的激光金属成形系统及方法。

背景技术

激光金属直接成形(Laser Metal Direct Forming,LMDF)是将激光熔覆技术与快速成型制造技术相融合，能将复杂的CAD模型直接成形出高性能致密的金属零件。其加工过程为：先用三维建模软件设计出三维模型或者利用反求技术反求出模型。然后用RPDATA软件按照一定的厚度将三维零件模型分层，得到二维的轮廓切片信息并对轮廓信息进行编辑，然后将二维的轮廓信息转换成加工路径。根据加工路径的信息，计算机控制熔覆头在三维工作台的运动，同时由激光器输送激光，由送粉器通过喷嘴输送金属粉末，粉末在激光作用下形成熔池，并迅速凝固，成形完一层之后Z轴向上提升一层的厚度，不断重复便逐层地将零件堆积出来，最后经过去除支撑、喷砂等较少的后处理得到设计的零件。用激光金属直接成形的方法，有成本低、周期短和能制造复杂零件，很适合于航空航天和医疗器械的制造，同时制造出的金属零件具有力学性能好、高致密、几乎不需要后处理等优点。

但是成形倾斜零件时，由于缺乏稳定的支撑，形成的熔池很不稳定，特别在倾斜角度较大时，容易产生熔池塌陷等问题，造成加工的零件结瘤和表面不平整等问题。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种制造大倾斜角度零件的激光金属成形系统及方法，能通过电磁阀控制送粉喷嘴的开闭，改变熔池的受力情况，提高熔池的稳定性，来提高制造倾斜复杂零件的能力。

为达到上述目的，本发明是采用如下技术方案予以实现的：

一种制造大倾斜角度零件的激光金属成形系统，包括三维工作台，以及安装在三维工作台Z轴方向上的激光头和喷嘴固定装置；激光头通过光纤和激光器相连；喷嘴固定装置上固定有同轴四管送粉喷嘴，并且安装在激光头的周围，激光头位于同轴四管送粉喷嘴的中心轴上；同轴四管送粉喷嘴上连接有用于控制其打开或关闭的电磁阀。

所述的同轴四管送粉喷嘴包括均匀分布在喷嘴固定装置上的四个送粉喷嘴，每一个送粉喷嘴的上端均通过送粉管与送粉器相连；送粉喷嘴与送粉器之间的送粉管上还连接有电磁阀，四个电磁阀的控制端均连接到控制器的控制信号输出端上。

所述的送粉喷嘴的上端与电磁阀之间的距离为10～15mm。

所述的控制器的控制信号输入端上还连接有用于控制电磁阀开闭和三维工作台运动的计算机。

一种制造大倾斜角度零件的激光金属成形的方法，包括以下步骤：

1）在三维工作台Z轴方向上安装激光头和喷嘴固定装置，激光头通过光纤和激光器相连；在喷嘴固定装置上激光头的周围安装同轴四管送粉喷嘴，激光头与四个送粉喷嘴的中心对准；每个送粉喷嘴的上端安装电磁阀，并通过送粉管与送粉器相连；将电磁阀的控制端均连接到控制器的控制信号输出端上，再将控制器的控制信号输入端与计算机相连；

2）加工时，根据需要加工零件的类型、相应的工艺参数和设备的加工能力，设定最大倾斜角度θ，并将零件的加工路径数据导入计算机。

3）然后打开控制器、激光器和送粉器进行加工；激光器经过光纤和激光头输送出激光，送粉器通过送粉管经送粉喷嘴输送出粉末，激光将粉末熔化形成熔池；

4）当零件的倾斜角度小于最大倾斜角度θ时，控制器控制四个电磁阀全部打开，使四个送粉喷嘴送粉加工；

5）当加工到倾斜角度大于或者等于最大倾斜角度θ时，控制器控制相应电磁阀的打开和关闭；

6）当加工到倾斜角度小于最大倾斜角度θ时，控制器控制电磁阀全部打开送粉喷嘴，重复步骤4）和5），直至加工完毕。

所述步骤2）中，导入计算机的加工路径数据中包括不同层的倾斜角度和倾斜方向。

所述步骤2）中，最大倾斜角度θ为30°～60°。

所述步骤5）中，控制器控制电磁阀的具体方法是：

将沿零件倾斜方向的两个送粉喷嘴打开，另外两个关闭；

或者当零件只向其中一个送粉喷嘴方向倾斜时，只打开倾斜方向的送粉喷嘴，其余三个关闭，打开的送粉喷嘴的送粉方向和零件倾斜的方向相同；当有送粉喷嘴关闭时，打开的送粉喷嘴的送粉量增加，使总送粉量不变。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明制造大倾斜角度零件的激光金属成形系统，通过在同轴四管送粉喷嘴上安装用于控制其打开或关闭的电磁阀，在加工倾斜角度较大的零件时，能通过对送粉喷嘴的开闭进行控制来改变熔池的受力状况，提高熔池的稳定性，从而提高制造倾斜复杂零件的能力，同时本发明实现的方式简单，便于控制。

进一步的，本发明，送粉喷嘴的上端安装电磁阀，且其与电磁阀之间的距离近，避免了出现粉末延迟等问题。

本发明制造大倾斜角度零件的激光金属成形方法，首先，由于整个加工是在三维工作台上的完成的，因此可以用三维工作台直接成形出倾斜角度较大、形状较复杂的零件，很好地解决了加工复杂零件时产生塌陷、结瘤和表面粗糙等问题。其次，本发明能够避免对喷嘴的调整，因此避免了在光斑范围内的粉末量减小，提高了粉末的利用率；此外，由于避免对喷嘴的调整，也不会影响粉末的汇聚性，减小实验误差；最后，在加工大倾斜角零件时，送粉的方向和工件的移动方向相同，使直接落入熔池中的粉末量增加，提高了粉末的利用效率。

附图说明

图1为本发明同轴四管送粉喷嘴加工零件的示意图；

图2为本发明同轴四管送粉喷嘴的仰视图。

其中，1为送粉管；2为激光头；3为电磁阀；4为送粉喷嘴；5为喷嘴固定装置。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步详述描述。

参见图1和图2所示，本发明制造大倾斜角度零件的激光金属成形系统，包括三维工作台，以及安装在三维工作台Z轴方向上的激光头2和喷嘴固定装置5；激光头2通过光纤和激光器相连；喷嘴固定装置5上固定有同轴四管送粉喷嘴，并且安装在激光头2的周围，激光头2位于同轴四管送粉喷嘴的中心轴上；同轴四管送粉喷嘴包括均匀分布在喷嘴固定装置5上的四个送粉喷嘴4，每一个送粉喷嘴4的上端均通过送粉管1与送粉器相连；送粉喷嘴4与送粉器之间的送粉管1上还连接有电磁阀3，四个电磁阀3的控制端均连接到控制器的控制信号输出端上。送粉喷嘴4的上端与电磁阀3之间的距离为10～15mm。同轴四管送粉喷嘴上连接有用于控制其打开或关闭的控制器。控制器的控制信号输入端上还连接有用于控制电磁阀开闭和三维工作台运动的计算机，计算机的加工软件根据输入的路径数据，对控制器进行控制。

本发明还公开了一种制造大倾斜角度零件的激光金属成形的方法，包括以下步骤：

1）在三维工作台Z轴方向上安装激光头2和喷嘴固定装置5，激光头（2）通过光纤和激光器相连；在喷嘴固定装置5上激光头2的周围安装同轴四管送粉喷嘴，激光头2与四个送粉喷嘴4的中心对准；每个送粉喷嘴4的上端安装电磁阀3，并通过送粉管1与送粉器相连；将电磁阀3的控制端均连接到控制器的控制信号输出端上，再将控制器的控制信号输入端与计算机相连；

2）加工时，根据需要加工零件的类型、相应的工艺参数和设备的加工能力，设定最大倾斜角度θ，并将零件的加工路径数据导入计算机，导入计算机的加工路径数据中包括不同层的倾斜角度和倾斜方向。其中，零件的类型一般分为薄壁件（零件壁厚与内径曲率半径或轮廓尺寸之比小于1：20）和实体件，薄壁件的最大倾斜角度θ为40°～60°，实体件的最大倾斜角度θ为30°～40°。

3）然后打开控制器、激光器和送粉器进行加工；激光器经过光纤和激光头2输送出激光，送粉器通过送粉管1经送粉喷嘴输4送出粉末，激光将粉末熔化形成熔池；

4）当零件的倾斜角度小于最大倾斜角度θ时，控制器控制四个电磁阀3全部打开，使四个送粉喷嘴正常送粉加工；

5）当加工到倾斜角度大于或者等于最大倾斜角度θ时，控制器控制相应电磁阀3的打开和关闭；

控制器控制电磁阀的具体方法是：

将沿零件倾斜方向的两个送粉喷嘴4打开，另外两个关闭；

或者当零件只向其中一个送粉喷嘴方向倾斜时，只打开倾斜方向的送粉喷嘴，其余三个关闭，打开的送粉喷嘴的送粉方向和零件倾斜的方向相同；当有送粉喷嘴关闭时，打开的送粉喷嘴的送粉量增加，使总送粉量不变。

6）当加工到倾斜角度小于最大倾斜角度θ时，控制器控制电磁阀全部打开送粉喷嘴，重复步骤4）和5），直至加工完毕。

本发明具有以下优点：

1、本发明利用电磁阀对送粉喷嘴的打开和关闭进行控制来制造大倾斜角度零件的激光金属直接成形的方法，适合于制造倾斜角度较大、形状较复杂的零件及其修复，特别适合用于制造定制化人工假体等医疗器械的制造；可以用三维工作台直接成形出倾斜角度较大、形状较复杂的零件，很好地解决了加工复杂零件时产生塌陷、结瘤和表面粗糙等问题。

2、避免对喷嘴的调整，因为如果通过对喷嘴的送粉角度进行调整来制造倾斜角度较大的零件，会使在光斑范围内的粉末量减小，同时由于重力作用，粉末的利用率减小；此外对喷嘴进行调整，也会影响粉末的汇聚性，增大实验误差。

3、在加工大倾斜角零件时，送粉的方向和工件的移动方向相同，使直接落入熔池中的粉末量增加，提高了粉末的利用效率。

4、电磁阀距离送粉喷嘴近，能避免出现粉末延迟等问题。

5、实现的方式简单，便于控制。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种制造大倾斜角度零件的激光金属成形系统，其特征在于：包括三维工作台，以及安装在三维工作台Z轴方向上的激光头（2）和喷嘴固定装置（5）；激光头（2）通过光纤和激光器相连；喷嘴固定装置（5）上固定有同轴四管送粉喷嘴，并且安装在激光头（2）的周围，激光头（2）位于同轴四管送粉喷嘴的中心轴上；同轴四管送粉喷嘴上连接有用于控制其打开或关闭的电磁阀。

2.根据权利要求1所述的制造大倾斜角度零件的激光金属成形系统，其特征在于：所述的同轴四管送粉喷嘴包括均匀分布在喷嘴固定装置（5）上的四个送粉喷嘴（4），每一个送粉喷嘴（4）的上端均通过送粉管（1）与送粉器相连；送粉喷嘴（4）与送粉器之间的送粉管（1）上还连接有电磁阀（3），四个电磁阀（3）的控制端均连接到控制器的控制信号输出端上。

3.根据权利要求2所述的制造大倾斜角度零件的激光金属成形系统，其特征在于：所述的送粉喷嘴（4）的上端与电磁阀（3）之间的距离为10～15mm。

4.根据权利要求1或2所述的制造大倾斜角度零件的激光金属成形系统，其特征在于：所述的控制器的控制信号输入端上还连接有用于控制电磁阀开闭和三维工作台运动的计算机。

5.一种制造大倾斜角度零件的激光金属成形的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）在三维工作台Z轴方向上安装激光头（2）和喷嘴固定装置（5），激光头（2）通过光纤和激光器相连；在喷嘴固定装置（5）上激光头（2）的周围安装同轴四管送粉喷嘴，激光头（2）与四个送粉喷嘴（4）的中心对准；每个送粉喷嘴（4）的上端安装电磁阀（3），并通过送粉管（1）与送粉器相连；将电磁阀（3）的控制端均连接到控制器的控制信号输出端上，再将控制器的控制信号输入端与计算机相连；

2）加工时，根据需要加工零件的类型、相应的工艺参数和设备的加工能力，设定最大倾斜角度θ，并将零件的加工路径数据导入计算机；

3）然后打开控制器、激光器和送粉器进行加工；激光器经过光纤和激光头（2）输送出激光，送粉器通过送粉管（1）经送粉喷嘴输（4）送出粉末，激光将粉末熔化形成熔池；

4）当零件的倾斜角度小于最大倾斜角度θ时，控制器控制四个电磁阀（3）全部打开，使四个送粉喷嘴送粉加工；

5）当加工到倾斜角度大于或者等于最大倾斜角度θ时，控制器控制相应电磁阀（3）的打开和关闭；

6）当加工到倾斜角度小于最大倾斜角度θ时，控制器控制电磁阀全部打开送粉喷嘴，重复步骤4）和5），直至加工完毕。

6.根据权利要求5所述的制造大倾斜角度零件的激光金属成形的方法，其特征在于：所述步骤2）中，导入计算机的加工路径数据中包括不同层的倾斜角度和倾斜方向。

7.根据权利要求5或6所述的制造大倾斜角度零件的激光金属成形的方法，其特征在于：所述步骤2）中，最大倾斜角度θ为30°～60°。

8.根据权利要求5所述的制造大倾斜角度零件的激光金属成形的方法，其特征在于：所述步骤5）中，控制器控制电磁阀的具体方法是：

将沿零件倾斜方向的两个送粉喷嘴（4）打开，另外两个关闭；

或者当零件只向其中一个送粉喷嘴方向倾斜时，只打开倾斜方向的送粉喷嘴，其余三个关闭，打开的送粉喷嘴的送粉方向和零件倾斜的方向相同；当有送粉喷嘴关闭时，打开的送粉喷嘴的送粉量增加，使总送粉量不变。

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