CN104550955B - 一种用于螺杆激光组合制造的工艺方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及材料科学与激光加工领域，具体涉及一种用于螺杆激光组合制造的工艺方法，依次包括如下步骤：确定激光组合增材制造材料、对螺杆光杆表面进行清洁表面、螺杆激光组合增材制造和对螺杆初步成型后进行后续铣削加工。本发明具有的有益技术效果如下：利用激光组合增材制造技术对螺杆光杆进行增材制造，通过高能量密度的激光束快速扫描待处理表面，由于极快的加热和冷却速度，使晶粒不易长大，从而在激光组合增材制造形成的螺棱表面获得极细的晶粒，且与基体呈牢固冶金结合的高性能堆焊层。当改变表面层的材料(如把Ni60换成Stellite 6与316L组合等)时即可改变表层的性能，在其它场合获得应用(如大型齿轮)。

Description

一种用于螺杆激光组合制造的工艺方法

【技术领域】

本发明涉及材料科学与激光加工领域，具体涉及一种用于螺杆激光组合制造的工艺方法，特别适用于螺杆表面由于承受着来自包括摩擦、挤压等各种形式的复杂应力而导致的螺杆的疲劳损伤和失效，延长螺杆的使用寿命。

【背景技术】

“激光组合增材制造技术”是在“增材制造”(俗称“3D打印”)基础上发展起来的一种技术，是一种在零件的关键部位通过材料逐层添加堆积、实现构件无模成形的数字化制造技术，其原理是用能量对金属粉体熔化、烧结形成新的金属材料和形状。激光组合增材制造与传统制造方法相结合，更强调与基体材质的不同，多组元功能性结构，实现异质材料的结合，以及制造层内部材料的梯度变化，亦可利用报废的部件作为母体，实现全生命周期的循环利用，并节材降耗。实现了材料组合、方法组合和功能组合。

螺杆是注塑机的关键零件，在生产塑料制品时，塑料颗粒及填料由尾部进入注塑机的机筒，螺杆在机筒中高速旋转运动，将塑料颗粒及填料挤压推进，在前进中混合塑化，由螺杆头部注入模腔。注射螺杆在比较恶劣的条件下工作，温度一般在200℃以上。它不仅要承受注射时的高压，同时还承受熔料的磨蚀作用和预塑时的频繁负载启动。螺杆多因磨损造成螺杆与料筒的间隙过大使注塑机不能正常挤出塑料而失效。螺杆组件常用的强化工艺有：渗氮处理、电镀硬铬层、高频淬火及喷涂双金属合金层等方法。渗氮与电镀硬铬工艺虽能获得一定的硬度，但因硬化层太薄或结合力不够而实际使用效果不好；而淬火处理由于螺杆一般都在较高的温度下工作，回火的作用使得螺杆很快失效；虽然喷涂双金属合金层的螺杆其结合力较差，价格为常规螺杆的数倍，目前仍为使用性能最佳的产品。而本发明制造的螺杆其性能完全优于双金属螺杆，具有广阔的应用前景。

【发明内容】

本发明的目的是解决现有金属螺杆易磨损、使用寿命短、加工余量大等问题，提供一种与基体结合强度高、使用寿命长、加工余量小的激光组合制造金属螺杆加工工艺。本发明所述的金属螺杆采用自动送粉工艺的激光组合增材制造技术(Laser CombinationAdditive Manufacturing，简称LCAM技术)，合金粉末经由喷嘴喷出，激光与工件的相对运动采用机器人或数控机床来实现，LCAM工艺可采用较大的直径的光斑，且制造零件相对较简单，这使得LCAM技术非常适合于螺杆方面的制造。LCAM技术的显著优势之一是，可选择性的成型部件关键部位，同时装备也可以借用发展十分成熟的数控机床，容易实现制造大尺寸零部件。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明提供一种用于螺杆激光组合制造的工艺方法，包括如下步骤：

步骤一：确定激光组合增材制造材料：

选择与螺杆光杆材料热膨胀系数相匹配的合金粉末作为螺棱材料，以满足耐磨损和耐腐蚀要求，其中：所述螺棱芯部合金粉末选择为与螺杆光杆相一致的材料；所述螺棱挤压工作面材料为Ni60粉末或者Stellite6粉末，所述螺杆光杆为42CrMo圆钢，所述螺棱芯部合金粉末为42CrMo粉末或者35CrMo粉末；

步骤二：对螺杆光杆表面进行清洁表面；

步骤三：螺杆激光组合增材制造：

采用半导体或光纤激光器和六轴机器人组成的柔性激光加工系统，光学聚焦系统采用在线可调光斑聚焦系统，采用两个送粉器同轴送粉；

扫描路径：通过机器人控制机械手使得激光头位于螺杆光杆上方平行于螺杆光杆轴心进行来回运动，并控制螺杆光杆进行自转；同时送粉器随着激光头对螺杆光杆进行送粉，完成多层多道次的激光堆焊熔覆，直至使螺棱的激光组合增材制造成形；

步骤四：对螺杆初步成型后进行后续铣削加工。

本发明中，所述螺棱是通过激光进行多层多道次激光堆焊熔覆而成的，每层中包括第一道次、若干中间道次和最后道次，第一道次和最后道次的合金粉末为Ni60粉末或者Stellite6粉末，若干中间道次的合金粉末为42CrMo粉末或者35CrMo粉末，相邻道次之间的搭接率为30～50％。

本发明中，所述螺棱的半剖面呈圆角梯形，且螺棱外表面呈光滑结构。

本发明中，所述送粉器包括第一送粉器和第二送粉器，每层螺棱的激光扫描过程具体如下：先通过第一送粉器对该层中的第一道次螺棱进行激光堆焊熔覆，完成后，由机器人程序控制在激光头的回程中进行光斑尺寸的自动调整，通过第二送粉器对该层中的若干中间道次进行激光堆焊熔覆，完成后，由机器人程序控制在激光头的回程中进行光斑尺寸的自动调整，通过第一送粉器对该层中的最后道次螺棱进行激光堆焊熔覆，即完成该层螺棱的激光堆焊熔覆，第一送粉器内装有Ni60粉末或者Stellite6粉末，第二送粉器内装有42CrMo粉末或者35CrMo粉末。

本发明中，所述每层中的第一道次和最后道次的光斑尺寸大小为1×1～3×3mm^²、送粉量为8～10g/s、功率为500～1200W、激光扫描线速度为800～1200mm/min；若干中间道次的光斑尺寸大小为4×4～6×6mm^²、送粉量为15～25g/s、功率为2000～3500W、激光扫描线速度为400～800mm/min。

本发明中，所述螺棱挤压工作面是指每层螺棱的第一道次和最后道次，所述螺棱芯部是指每层螺棱的若干中间道次。

本发明与背景技术相比，具有的有益技术效果如下：

利用激光组合增材制造技术对螺杆光杆进行增材制造，通过高能量密度的激光束快速扫描待处理表面，由于极快的加热和冷却速度，使晶粒不易长大，从而在激光组合增材制造形成的螺棱表面获得极细的晶粒，且与基体呈牢固冶金结合的高性能堆焊层。当改变表面层的材料(如把Ni60换成Stellite 6与316L组合等)时即可改变表层的性能，在其它场合获得应用(如大型齿轮)。结果表明，激光组合增材制造形成的表面层较常规渗氮处理层抗磨性能提高2倍以上，实际使用寿命提高3倍以上；与双金属螺杆的使用寿命相近。但其工艺方法与制造成本却比双金属螺杆的工艺方法和制造成本简单、降低了很多。

【附图说明】

图1为本发明中螺杆激光组合制造示意图；

图2为本发明中第一道次激光熔覆结构示意图；

图3为本发明中第二道次激光熔覆结构示意图；

图4为本发明中第三道次激光熔覆结构示意图；

图5为本发明中熔覆堆焊至所要求高度的结构示意图；

图6为本发明中螺棱激光组合增材制造过程半剖结构示意图；

附图说明：激光源1，光纤2，机械手3，送粉管4，第一送粉器5，第二送粉器6，激光头7，激光头运动方向8，螺杆旋转方向9。

【具体实施方式】

下面结合附图和依照本发明的技术方案作出具体事例对本发明作进一步的说明，但本发明并不局限于这些实例。

如图1所示，本发明的设备装置包括激光源1、三爪卡盘及其底座和机器人，激光源1的激光头7通过机器人的机械手3进行控制，以保证激光头7位于三爪卡盘上所固定旋转的螺杆光杆的上方，并以一定速度平行于螺杆光杆轴心方向上运动，所述激光源通过光纤2与激光头7相连接，实现将激光从激光头7发射出去；所述第一送粉器5、第二送粉器6分别通过送粉管4与激光头7相连通，以保证根据需要将两个送粉器内的合金粉末输送到螺杆光杆上适当位置进行激光堆焊熔覆。如图2～5所示，横向箭头为激光头运动方向8，曲线箭头为螺杆光杆自转方向9。

采用半导体或光纤激光器和六轴机器人组成的柔性激光加工系统，光束模式为多模，最大输出功率为4KW，焦距为400mm，光学聚焦系统采用在线可调光斑聚焦系统，采用双送粉器同轴送粉。

实施例一：

所处理的螺杆型号为SCM，材质42CrMo圆钢，处理状态为调质。激光处理前，定制夹具并预先确定处理面积及搭接量；然后根据螺杆需处理部位的具体尺寸进行数控编程；清洗螺杆表面待处理区域。

将Ni60粉末与42CrMo粉末分别放入烘箱中，进行2小时200℃的烘干处理。处理完成后即可将烘干后的粉末分别放入第一送粉器5、第二送粉器6中备用，上述合金粉末粒度为-140～+325目的球形粉末；

下面以FT-130注塑机的金属螺杆表面处理为例，具体步骤如下：

1、以三爪卡盘以及顶针安装金属螺杆。

2、清洗待处理部位：用丙酮、松香水等除去油污。

3、根据处理要求，按照型线进行数控编程。所选择的送粉量以及机械臂进给速度，激光组合增材制造工艺参数见表一。

表1 激光组合增材制造工艺参数

第一道次和最后道次的光斑尺寸大小为2mm×2mm、送粉量为10g/s、功率为800W、激光扫描线速度为800mm/min；

螺棱芯部的若干道次，即每层螺棱的若干中间道次，其光斑大小为6mm×6mm、送粉量为25g/s、功率为3200W、激光扫描线速度为800mm/min；

操作步骤如下：首先，由机器人程序控制在激光头的开始运行过程中进行光斑尺寸大小为2mm×2mm的自动调整，通过装有Ni60粉末的第一送粉器5进行第一层第一道次的激光堆焊熔覆，完成后，由机器人程序控制在激光头的回程中进行光斑尺寸大小为6mm×6mm的自动调整，通过装有42CrMo粉末第二送粉器6进行搭接率为40％的第一层若干中间道次的激光堆焊熔覆，完成后，由机器人程序控制在激光头的回程中进行光斑尺寸大小为2mm×2mm的自动调整，通过装有Ni60粉末的第一送粉器5进行第一层最后道次的激光堆焊熔覆，即完成第一层螺棱的激光堆焊熔覆，进行下一层螺棱的激光堆焊熔覆。

接着，由机器人程序控制在激光头的开始回程中进行光斑尺寸大小为2mm×2mm的自动调整，通过装有Ni60粉末的第一送粉器5进行第J层第一道次的激光堆焊熔覆，完成后，由机器人程序控制在激光头的回程中进行光斑尺寸大小为6mm×6mm的自动调整，通过装有42CrMo粉末第二送粉器6进行搭接率为40％的第J层若干中间道次的激光堆焊熔覆，完成后，由机器人程序控制在激光头的回程中进行光斑尺寸大小为2mm×2mm的自动调整，通过装有Ni60粉末的第一送粉器5进行第J层最后道次的激光堆焊熔覆，即完成第J层螺棱的激光堆焊熔覆，进行下一层螺棱的激光堆焊熔覆，其中自然数J＝2、3、4……；依次进行若干层螺棱的激光堆焊熔覆，直至完成最后一层螺棱的激光堆焊熔覆，达到螺棱的激光组合增材制造成形。

4、清洗处理区域。

5、检测：

1)显微硬度检测结果如表2(横截面制作金相试样，载荷5Kg)

表2 显微硬度参数

2)经过X射线探伤检验，无内裂纹。

3)耐磨性能检测，耐磨性能提高2.3倍。

6、装机使用：

经后续少量机加工及抛光后装机使用表明，激光组合制造的螺杆在相同的回炉料下，常规螺杆的使用寿命为三周，双金属螺杆为8个月，而激光组合制造螺杆的使用寿命为20个月零6天。

实施例二：

所处理的螺杆型号为SCM，材质42CrMo圆钢，处理状态为调质。激光处理前，定制夹具并预先确定处理面积及搭接量；然后根据螺杆需处理部位的具体尺寸进行数控编程；清洗螺杆表面待处理区域。

将Stellite 6粉末与35CrMo粉末放入烘箱中，进行2小时200℃的烘干处理。处理完成后即可将烘干后的粉末分别放入第一送粉器5、第二送粉器6当中备用；上述合金粉末粒度为-140～+325目的球形粉末。

1、以三爪卡盘以及顶针安装金属螺杆。

2、清洗待处理部位：用丙酮、松香水等除去油污。

3、根据处理要求，按照型线进行数控编程。所选择的送粉量以及机械臂进给速度，激光组合增材制造工艺参数见表三。

表3 激光组合增材制造工艺参数

激光组合增材制造螺棱熔覆方法如下所述：

第一道次和最后道次的光斑大小为2.5mm×2.5mm、送粉量为10g/s、功率为1200W、激光扫描线速度为1000mm/min；

螺棱芯部的若干道次，即每层螺棱的若干中间道次，其光斑大小为6mm×6mm、送粉量为25g/s、功率为3200W、激光扫描线速度为800mm/min；

操作步骤如下：首先，由机器人程序控制在激光头的开始运行过程中进行光斑尺寸大小为2.5mm×2.5mm的自动调整，通过装有Stellite 6粉末的第一送粉器5进行第一层第一道次的激光堆焊熔覆，完成后，由机器人程序控制在激光头的回程中进行光斑尺寸大小为6mm×6mm的自动调整，通过装有35CrMo粉末第二送粉器6进行搭接率为40％的第一层若干中间道次的激光堆焊熔覆，完成后，由机器人程序控制在激光头的回程中进行光斑尺寸大小为2.5mm×2.5mm的自动调整，通过装有Stellite 6粉末的第一送粉器5进行第一层最后道次的激光堆焊熔覆，即完成第一层螺棱的激光堆焊熔覆，进行下一层螺棱的激光堆焊熔覆。

接着，由机器人程序控制在激光头的开始回程中进行光斑尺寸大小为2.5mm×2.5mm的自动调整，通过装有Stellite 6粉末的第一送粉器5进行第J层第一道次的激光堆焊熔覆，完成后，由机器人程序控制在激光头的回程中进行光斑尺寸大小为6mm×6mm的自动调整，通过装有35CrMo粉末第二送粉器6进行搭接率为40％的第J层若干中间道次的激光堆焊熔覆，完成后，由机器人程序控制在激光头的回程中进行光斑尺寸大小为2.5mm×2.5mm的自动调整，通过装有Stellite 6粉末的第一送粉器5进行第J层最后道次的激光堆焊熔覆，即完成第J层螺棱的激光堆焊熔覆，进行下一层螺棱的激光堆焊熔覆，其中自然数J＝2、3、4……；依次进行若干层螺棱的激光堆焊熔覆，直至完成最后一层螺棱的激光堆焊熔覆，达到螺棱的激光组合增材制造成形。

4、清洗处理区域。

5、检测：

1)显微硬度检测结果如表4(横截面制作金相试样，载荷5Kg)。

表4 显微硬度参数

2)X射线探伤，无内裂纹。

3)高温耐磨性检测，400℃高温磨损试验其耐磨性能提高了2.4倍。

6、装机使用：

对材质为42CrMo的SCM螺杆进行表面处理后，改善了耐磨损性能。在相同工况条件下(相同的回收料)，使用寿命由原来的21天提高到现在的3个月。较之传统螺杆加工，本发明较少使用传统量，基本实现近净成形，大大减少了加工工序，缩短了加工周期，提高了产品的寿命。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限与此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化和替换，都应该涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种用于螺杆激光组合制造的工艺方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：确定激光组合增材制造材料：

螺棱挤压工作面材料为Ni60粉末或者Stellite6粉末，螺杆光杆为42CrMo圆钢，螺棱芯部合金粉末为42CrMo粉末或者35CrMo粉末；

步骤二：对螺杆光杆表面进行清洁表面；

步骤三：螺杆激光组合增材制造：

采用半导体或光纤激光器和六轴机器人组成的柔性激光加工系统，光学聚焦系统采用在线可调光斑聚焦系统，采用两个送粉器同轴送粉；

扫描路径：通过六轴机器人控制机械手使得激光头位于螺杆光杆上方平行于螺杆光杆轴心进行来回运动，并控制螺杆光杆进行自转；同时送粉器随着激光头对螺杆光杆进行送粉，完成多层多道次的激光堆焊熔覆，直至使螺棱的激光组合增材制造成形；

步骤四：对螺杆初步成型后进行后续铣削加工。

2.根据权利要求1中所述的用于螺杆激光组合制造的工艺方法，其特征在于，所述螺棱是通过激光进行多层多道次堆焊熔覆而成的，每层中包括第一道次、若干中间道次和最后道次，第一道次和最后道次的合金粉末为Ni60粉末或者Stellite6粉末，若干中间道次的合金粉末为42CrMo粉末或者35CrMo粉末，相邻道次之间的搭接率为30～50％。

3.根据权利要求1中所述的用于螺杆激光组合制造的工艺方法，其特征在于，所述螺棱的半剖面呈圆角梯形，且螺棱外表面呈光滑结构。

4.根据权利要求2中所述的用于螺杆激光组合制造的工艺方法，其特征在于，所述送粉器包括第一送粉器和第二送粉器，每层螺棱的激光扫描过程具体如下：

先通过第一送粉器对该层中的第一道次螺棱进行激光堆焊熔覆，完成后，由机器人程序控制在激光头的回程中进行光斑尺寸的自动调整，通过第二送粉器对该层中的若干中间道次进行激光堆焊熔覆，完成后，由机器人程序控制在激光头的回程中进行光斑尺寸的自动调整，通过第一送粉器对该层中的最后道次螺棱进行激光堆焊熔覆，即完成该层螺棱的激光堆焊熔覆，第一送粉器内装有Ni60粉末或者Stellite6粉末，第二送粉器内装有42CrMo粉末或者35CrMo粉末。

5.根据权利要求4中所述的用于螺杆激光组合制造的工艺方法，其特征在于，所述每层中的第一道次和最后道次的光斑尺寸大小为1×1～3×3mm²、送粉量为8～10g/s、功率为500～1200W、激光扫描线速度为800～1200mm/min；

若干中间道次的光斑尺寸大小为4×4～6×6mm²、送粉量为15～25g/s、功率为2000～3500W、激光扫描线速度为400～800mm/min。