CN108677186A - 一种自旋式复合冷却送粉头喷嘴 - Google Patents

一种自旋式复合冷却送粉头喷嘴 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种自旋式复合冷却送粉头喷嘴，包括内套筒、上锥体、下锥体、电机，内套筒的下端部可拆卸式连接有锥形喷嘴；上锥体可拆卸式的安装于内套筒的中上部外侧；上锥体中下部分与内套筒之间留有空腔；上锥体内中空，并填充有冷却循环水；下锥体内壁与内套筒外壁之间形成一个第一环形间隙，锥形喷嘴外壁与下锥体下部锥形部分的内壁之间形成第二环形间隙；下锥体的增大环形部分的下表面设置有滚珠循环道，滚珠循环道内设置有若干滚珠；下锥体内部中空，并填充有导热剂；电机下端设置电机输出轴，电机输出轴末端连接有旋转主动轮，由旋转主动轮驱动，并带动下锥体旋转。本发明通过自旋复合冷却的方式带走送粉喷嘴头部的热量，提高了散热效率。

Description

一种自旋式复合冷却送粉头喷嘴
技术领域
本发明涉及一种适用于精密加工场合的激光熔覆送粉头，是激光熔覆、激光快速成型等激光加工技术的配套装置，属于激光制造技术领域。
背景技术
激光熔覆技术作为一种新型的零件表面修复手段受到越来越多的关注，它利用高能密度的激光束使熔覆材料与基体表面熔融后快速凝固，在基体表面形成一层高性能的熔覆层，从而达到零件表面性能强化，或对已损坏零部件的表面进行修复。进行激光熔覆时，激光束、粉末输送、保护气体要保证同步进行，才能达到良好的熔覆质量而精度要求，所以送粉装置尤为重要。在这其中，喷嘴是激光熔覆设备的末端，来自于送粉器的金属粉末和保护气通过管路到达喷嘴，准确的输送到熔池中，激光束也通过喷嘴在零件表面产生汇聚。由于喷嘴头部距离激光熔池较近，长期接受来自于熔池反射的热量，工作环境恶劣，所以对喷嘴头部的冷却显得尤为重要。
现有的送粉头喷嘴结构如图1所示。现有的送粉方式，无论是同轴式送粉还是偏置式送粉都采用水冷的方式，在送粉喷嘴的头部外置环形的冷却水路，通过循环水冷的方式对送粉喷嘴头部进行降温。但现有的喷嘴冷却水路的布置和送粉管路的布置，使得喷嘴的周向尺寸很大，无法在一些空间较狭小的地方进行加工。且由于送水和送粉橡胶软管的耐高温性能差，使得喷嘴在加工过程中要保持和激光熔池的距离，无法近距离的贴近金属基体，从而限制了加工质量。
发明内容
为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种自旋式复合冷却送粉头喷嘴，通过自旋复合冷却的方式带走送粉喷嘴头部的热量，提高散热效率，且结构紧凑，减小喷嘴前端周向尺寸，增大送粉喷嘴的工作能力范围。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种自旋式复合冷却送粉头喷嘴，包括内套筒、上锥体、下锥体、电机，其中：
所述内套筒的下端部可拆卸式连接有锥形喷嘴，内套筒及锥形喷嘴内部设置有中空部分，用于激光束通过其中到达基体表面；内套筒中上部一侧开设有保护气连接孔，用于连接保护气管；
所述上锥体可拆卸式的安装于内套筒的中上部外侧，上锥体顶部外侧均匀布设有多个送粉管连接孔，用于连接送粉管路；上锥体为圆环结构，其上部分与内套筒接触并连接，中下部分与内套筒之间留有空腔；上锥体内中空，并填充有冷却循环水；
所述下锥体为上部呈圆柱、下部呈锥形的中空套筒结构，下锥体的上部嵌入上锥体和内套筒之间的空腔中，下锥体内壁与内套筒外壁之间形成一个第一环形间隙，第一环形间隙与送粉管连接孔连通，用于粉末输送；锥形喷嘴外壁与下锥体下部锥形部分的内壁之间形成第二环形间隙，第二环形间隙的宽度由上至下递减；下锥体的上端为增大环形部分，增大环形部分与上锥体内壁接触，增大环形部分的下表面设置有滚珠循环道，滚珠循环道内设置有若干滚珠，滚珠循环道的下方设置有挡圈；下锥体内部中空，并填充有导热剂；
所述电机放置于固定在上锥体底部外侧的电机支撑座上，电机的下端设置电机输出轴，电机输出轴末端连接有旋转主动轮；所述下锥体中上部外壁开有键槽，键槽中安装有键，键连接有外齿圈，外齿圈与旋转主动轮连接，由旋转主动轮驱动，并带动下锥体旋转。
进一步的，所述内套筒上部设有螺纹，用于将所述自旋式复合冷却送粉头喷嘴与激光头进行固定。
进一步的，所述上锥体的上端开设有冷却水出口，下端开设有冷却水入口，且冷却水出口和冷却水入口分别位于上锥体的两侧。
进一步的，所述挡圈的外圆面与上锥体底部内圆面通过螺纹连接；滚珠循环道内放置有润滑脂，用于润滑滚珠；挡圈的内圆面开有一环槽，环槽内安装有密封圈；挡圈的下端面均布设有若干孔。
进一步的，所述挡圈的外圆面与上锥体底部内圆面的螺纹为三角形螺纹；所述密封圈为动密封圈。
进一步的，所述导热剂为熔点低于150℃，比热容大于0.75/KJ·kg-1·k-1，导热系数大于85W/m·K的导热介质；如：碱金属、低熔点合金、或者碱金属与低熔点合金构成的导热介质。其中，碱金属为钠、钾、锂的一种或多种，低熔点合金为铅-铋。
进一步的，所述下锥体与外齿圈的接触处设置有锁紧螺母，锁紧螺母通过螺纹与下锥体进行连接，将外齿圈压紧。
进一步的，所述下锥体和锁紧螺母的螺纹为三角形螺纹；所述下锥体在与锁紧螺母连接的螺纹以下外圆面周向直径减小。
进一步的，所述电机能实现正反转和速度调节。
进一步的，所述挡圈下端面和外齿圈上端面之间安装有垫圈，垫圈与下锥体同轴，垫圈的内径与下锥体的外径相同。
本发明的有益效果如下：
1、通过低熔点高比热的导热剂和冷却循环水的复合冷却散热，可以实现送粉喷嘴头部的快速散热，大大提高散热效率，延长送粉喷嘴头部的使用寿命。
2、通过冷却水套与上锥体的结合，使得送粉喷嘴头部的轴向尺寸减小，可以让送粉喷嘴头部到达空间狭小的区域(孔、槽位置等)，增大送粉喷嘴的工作能力范围。
3、使得送粉喷嘴头部结构更加紧凑，送粉管和冷却水管更加远离送粉喷嘴头部，增大与熔池的距离，可以使得整个送粉喷嘴与基体获得更近的距离，从而获得性能更好的熔覆层。
4、通过将头部的锥形喷嘴与内套筒进行分离式制作，可以通过螺纹啮合程度调节金属粉末的汇聚点，可以加工多厚度层次的熔覆层。
5、由于锥形喷嘴易损坏，通过将头部的锥形喷嘴与内套筒的分离，可以避免由于喷嘴头部损坏而更换整个内套筒，从而节约使用成本。
附图说明
图1是现有喷嘴结构示意图。
图2是本发明的一个实施例的结构示意图。
图中，1-内套筒，2-上锥体，3-冷却水出口，4-滚珠，5-电机，6-电机支撑座，7-旋转主动轮，8-电机输出轴，9-挡圈，10-外齿圈，11-锁紧螺母，12-下锥体，13-锥形喷嘴，14-导热剂，15-键，16-垫圈，17-冷却水入口，18-密封圈，19-冷却循环水，20-送粉管连接孔，21-保护气连接孔，22-中空部分，23-第一环形间隙，24-增大环形部分，25-滚珠循环道，26-孔，27-第二环形间隙。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
图2示出了本发明一个较佳的实施例的结构示意图，如图2，一种自旋式复合冷却送粉头喷嘴，包括内套筒1、上锥体2、下锥体12、电机5，其中：
内套筒1的下端部通过螺纹连接有锥形喷嘴13，内套筒1及锥形喷嘴13内部设置有中空部分22，用于激光束通过其中到达基体表面。内套筒1中上部一侧开设有保护气连接孔21，用于连接保护气管，通入惰性气体，保护熔覆过程。优选的，内套筒1上部设有螺纹，用于将自旋式复合冷却送粉头喷嘴与激光头进行固定。
上锥体2可拆卸式的安装于内套筒1的中上部外侧，优选的，内套筒1在中上部外侧攻有螺纹，上锥体2通过螺纹配合与内套筒进行固定连接。上锥体2顶部外侧均匀布设有四个送粉管连接孔20，用于连接送粉管路，通入金属粉末。上锥体2为圆环结构，其上部分与内套筒1接触并连接，中下部分与内套筒1之间留有空腔。上锥体2内中空，并填充有冷却循环水19；优选的，上锥体2的上端开设有冷却水出口3，下端开设有冷却水入口17，且冷却水出口3和冷却水入口17分别位于上锥体2的两侧，循环冷却水19从下部冷却水入口17进入，由上部冷却水出口3流出，达到最好的冷却效果。
下锥体12为上部呈圆柱、下部呈锥形的中空套筒结构，下锥体12的上部嵌入上锥体2和内套筒1之间的空腔中。下椎体12内壁与内套筒1外壁之间形成一个第一环形间隙23，第一环形间隙23与送粉管连接孔20连通，用于粉末输送，优选的，第一环形间隙23的宽度为2.5mm，能够将金属粉末均匀混合。锥形喷嘴13外壁与下锥体12下部锥形部分的内壁之间形成第二环形间隙27，第二环形间隙27的宽度由上至下递减，金属粉末由上到下进行汇聚，从喷嘴头部喷出，通过调节锥形喷嘴13与内套筒1螺纹啮合程度可以调节金属粉末汇聚点高度。下锥体12的上端为增大环形部分24，增大环形部分24与上锥体2内壁接触，便于增大与上锥体2的接触面积，有利于充分散热。增大环形部分24的下表面设置有滚珠循环道25，滚珠循环道25内设置有若干滚珠4，其中，滚珠4均匀放置。滚珠循环道25的下方设置有挡圈9；优选的，挡圈9的外圆面与上锥体2底部内圆面通过螺纹连接，优选的，挡圈9的外圆面与上锥体2底部内圆面的螺纹为自锁性能好的三角形螺纹；滚珠循环道25内放置有润滑脂，用于润滑滚珠4，减小下锥体12的旋转阻力。挡圈9的内圆面开有一环槽，环槽内安装有密封圈18，用于润滑脂的密封，优选的，密封圈18为动密封圈。挡圈9的下端面均布设有若干孔26，便于挡圈9安装时旋入，其中，小孔深度和直径应根据挡圈9的直径和厚度进行选择。下锥体12内部中空，并填充有导热剂14，导热剂为熔点低于150℃，比热容大于0.75/KJ·kg-1·k-1，导热系数大于85W/m·K的导热介质；如：碱金属、低熔点合金、或者碱金属与低熔点合金构成的导热介质，其中，碱金属为钠、钾、锂的一种或多种，低熔点合金为铅-铋。优选的，导热剂14为金属钠。
电机5放置于焊接在上锥体2底部外侧的电机支撑座6上，电机支撑座7端面形状与电机5形状相同，在电机支撑座6上表面通过螺栓固定电机5，优选的，电机5能实现正反转和速度调节。电机5的下端设置电机输出轴8，电机输出轴8末端连接有旋转主动轮7。下锥体12中上部外壁开有键槽，键槽中安装有键15，其中，键15的型号和数量应根据下锥体12外圆面直径大小进行选择，并进行相应计算校核的。键15连接有外齿圈10，外齿圈10与旋转主动轮7连接，由旋转主动轮7驱动，并带动下锥体12旋转。下锥体12与外齿圈10的接触处设置有锁紧螺母11，锁紧螺母11通过螺纹与下锥体12进行连接，将外齿圈10压紧，优选的，下锥体12和锁紧螺母9的螺纹选用自锁性能好的三角形螺纹。将垫圈16的说明提前。改为：挡圈9下端面和外齿圈10上端面之间安装有垫圈16，垫圈16与下锥体12同轴，垫圈16内径与下锥体12的外径相同，此处安装垫圈16的目的是，便于外齿圈10的轴向定位和固定。优选的，下锥体12在与锁紧螺母11连接的螺纹以下外圆面周向直径减小，便于锁紧螺母11、外齿圈10和挡圈9的安装。
优选的，旋转主动轮7应与电机输出轴8进行轴向固定，旋转主动轮7应同外齿圈10具有相同的模数，纵向定位安装高度相同，旋转主动轮7驱动外齿圈10，进一步带动下锥体12进行旋转。旋转主动轮7与外齿圈10应通过相应的计算和校核，外齿圈10要在下锥体12上定位准确，使其能够满足寿命和精度要求，上述结构中的螺纹应同样满足寿命及应力要求。
本发明在上锥体2外侧固定电机5的目的，是为了通过旋转主动轮7带动外齿圈10，进一步带动下锥体12实现旋转。下锥体12内部充有低熔点高比热导热剂14，当送粉喷嘴正常工作时，下锥体12和锥形喷嘴13接受来自于激光熔池的反射的热量，下锥体12内腔的导热剂钠14吸收外部的热量快速融化，通过下锥体12旋转速度或方向的调节实现内部导热剂钠14的上下浮动，当下锥体12内腔中受热融化的导热剂14到达下锥体12顶部时，通过下锥体12外壁和上锥体2内壁的接触，实现热量的传递，上锥体2内部的循环冷却水19带走下锥体10内部导热剂钠14的热量。通过下锥体12的旋转速度或方向变化实现导热剂钠14的上下浮动，向冷却循环水中传递热量，通过此种复合冷却的方式以实现喷嘴头部的散热效果。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种自旋式复合冷却送粉头喷嘴，其特征在于：包括内套筒(1)、上锥体(2)、下锥体(12)、电机(5)，其中：
所述内套筒(1)的下端部可拆卸式连接有锥形喷嘴(13)，内套筒(1)及锥形喷嘴(13)内部设置有中空部分(22)，用于激光束通过其中到达基体表面；内套筒(1)中上部一侧开设有保护气连接孔(21)，用于连接保护气管；
所述上锥体(2)可拆卸式的安装于内套筒(1)的中上部外侧，上锥体(2)顶部外侧均匀布设有多个送粉管连接孔(20)，用于连接送粉管路；上锥体2为圆环结构，其上部分与内套筒(1)接触并连接，中下部分与内套筒(1)之间留有空腔；上锥体(2)内中空，并填充有冷却循环水(19)；
所述下锥体(12)为上部呈圆柱、下部呈锥形的中空套筒结构，下锥体(12)的上部嵌入上锥体(2)和内套筒(1)之间的空腔中，下锥体(12)内壁与内套筒(1)外壁之间形成一个第一环形间隙(23)，第一环形间隙(23)与送粉管连接孔(20)连通，用于粉末输送；锥形喷嘴(13)外壁与下锥体(12)下部锥形部分的内壁之间形成第二环形间隙(27)，第二环形间隙(27)的宽度由上至下递减；下锥体(12)的上端为增大环形部分(24)，增大环形部分(24)与上锥体(2)内壁接触，增大环形部分(24)的下表面设置有滚珠循环道(25)，滚珠循环道(25)内设置有若干滚珠(4)，滚珠循环道(25)的下方设置有挡圈(9)；下锥体12内部中空，并填充有导热剂(14)；
所述电机(5)放置于固定在上锥体(2)底部外侧的电机支撑座(6)上，电机(5)的下端设置电机输出轴(8)，电机输出轴(8)末端连接有旋转主动轮(7)；所述下锥体(12)中上部外壁开有键槽，键槽中安装有键(15)，键(15)连接有外齿圈(10)，外齿圈(10)与旋转主动轮(7)连接，由旋转主动轮(7)驱动，并带动下锥体(12)旋转。
2.根据权利要求1所述的自旋式复合冷却送粉头喷嘴，其特征在于：所述上锥体(2)的上端开设有冷却水出口(3)，下端开设有冷却水入口(17)，且冷却水出口(3)和冷却水入口(17)分别位于上锥体(2)的两侧。
3.根据权利要求1所述的自旋式复合冷却送粉头喷嘴，其特征在于：所述挡圈(9)的外圆面与上锥体(2)底部内圆面通过螺纹连接；滚珠循环道(25)内放置有润滑脂，用于润滑滚珠(4)；挡圈(9)的内圆面开有一环槽，环槽内安装有密封圈(18)；挡圈(9)的下端面均布设有若干孔(26)。
4.根据权利要求3所述的自旋式复合冷却送粉头喷嘴，其特征在于：所述挡圈(9)的外圆面与上锥体(2)底部内圆面的螺纹为三角形螺纹；所述密封圈(18)为动密封圈。
5.根据权利要求1所述的自旋式复合冷却送粉头喷嘴，其特征在于：所述导热剂(14)为熔点低于150℃，比热容大于0.75/KJ·kg-1·k-1，导热系数大于85W/m·K的导热介质。
6.根据权利要求5所述的自旋式复合冷却送粉头喷嘴，其特征在于：所述导热剂(14)为碱金属、低熔点合金、或者碱金属与低熔点合金构成的导热介质。
7.根据权利要求1所述的自旋式复合冷却送粉头喷嘴，其特征在于：所述下锥体(12)与外齿圈(10)的接触处设置有锁紧螺母(11)，锁紧螺母(11)通过螺纹与下锥体(12)进行连接，将外齿圈(10)压紧。
8.根据权利要求7所述的自旋式复合冷却送粉头喷嘴，其特征在于：所述下锥体(12)和锁紧螺母(9)的螺纹为三角形螺纹；所述下锥体(12)在与锁紧螺母(11)连接的螺纹以下外圆面周向直径减小。
9.根据权利要求1所述的自旋式复合冷却送粉头喷嘴，其特征在于：所述电机(5)能实现正反转和速度调节。
10.根据权利要求1所述的自旋式复合冷却送粉头喷嘴，其特征在于：所述挡圈(9)下端面和外齿圈(10)上端面之间安装有垫圈(16)，垫圈(16)与下锥体(12)同轴，垫圈(16)内径与下锥体(12)的外径相同。
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