CN111334789B - 一种用于超高速激光熔覆盘类零件端面的方法 - Google Patents

一种用于超高速激光熔覆盘类零件端面的方法 Download PDF

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CN111334789B CN202010078003.2A CN202010078003A CN111334789B CN 111334789 B CN111334789 B CN 111334789B CN 202010078003 A CN202010078003 A CN 202010078003A CN 111334789 B CN111334789 B CN 111334789B
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Abstract

本发明涉及一种用于超高速激光熔覆盘类零件端面的方法。该方法首先将缺口圆环Ⅰ、缺口圆环Ⅱ套装于盘类零件外圆与内孔，根据工艺需求设置熔覆速率V1、熔覆搭接率η、激光束功率P等参数；然后根据熔覆搭接率η和超高速激光熔覆单道宽度DL等参数，将超高速激光熔覆路径规划为起点位于盘类零件端面内孔截面线，终点位于盘类零件端面外圆截面线上的等间距螺旋线；同时设置等角度节点，将等间距螺旋线划分为多段等间距螺旋线弧，通过改变超高速激光熔覆各段等间距螺旋线弧时的盘类零件旋转角速度ωi和超高速激光熔覆头移动速度
Figure DDA0002379142300000011
的方式进行熔覆，保证熔覆过程中各参数维持稳定；最后通过线切割的方式对缺口圆环Ⅰ、缺口圆环Ⅱ与盘类零件进行分离。

Description

一种用于超高速激光熔覆盘类零件端面的方法
技术领域
本发明涉及激光熔覆技术，特指一种用于超高速激光熔覆盘类零件端面的方法。
背景技术
2017年由德国弗朗霍夫学院提出的超高速激光熔覆技术(Ultra High-SpeedLaser Cladding)，熔覆速率可达到25～200m/min，加工过程中激光聚焦于工件上方，使得能量大部分作用于工件上方的粉末，采用这种方法，熔覆过程中基体的热输入极小，但却能保证粉末与基体发生充分冶金结合，一般稀释率仅在2～4％左右。因此，可以制备超薄且质量很高的涂层，根据熔覆速率不同，涂层厚度基本仅在25～400μm之间，且涂层表面光洁度很好，通过简单的磨削与抛光即可投入使用，被誉为替代传统电镀工艺的先进绿色制造技术，具有广阔的应用前景。
超高速激光熔覆基于同轴送粉喷嘴的优化设计实现了粉末粒子与激光束的最佳耦合，在高能密度激光束的作用下使粉末与高速运动的基体表面同时熔化，快速凝固后形成与基体呈高强冶金结合的熔覆层，极大提高了熔覆速率，突破了传统熔覆的效率瓶颈。与传统激光熔覆相比，超高速激光熔覆解决了能量利用效率低、对基体热影响大以及熔覆层厚度较厚的问题；与热喷涂相比，解决了涂层冶金结合的问题，有望在期望具有冶金结合、对基体热影响小的薄涂层制备领域广泛应用。
超高速激光熔覆拥有远超于传统激光熔覆的加工效率，其高效率的背后，是远超于传统激光熔覆的熔覆速率，即零件表面熔覆线速度，而为保证高速的熔覆速率，高能密度激光束与高速运动的基体表面间相对运动的有序稳定控制是必备因素；另一方面超高速激光熔覆过程中，熔覆速度、激光束功率P、搭接率等工艺参数对零件表面熔覆质量、熔覆层与基体的结合性和熔覆层厚度有显著影响。为保证盘类零件超高速激光熔覆层的表面质量，使其熔覆层均匀致密，且厚度均匀，在熔覆过程中要保证工艺参数的稳定。
目前超高速激光熔覆在国内资料较少，且普遍应用于轴类零件外圆面加工，对盘类零件端面熔覆工艺研究较少。而超高速激光熔覆过程中极高的熔覆速率代表着难以采用折返式的熔覆路径，所以在盘类零件端面高速熔覆过程中如何保证熔覆速率稳定，同时稳定其他熔覆工艺参数，进一步提高盘类零件端面表面以及端面边缘熔覆质量成为超高速激光熔覆技术发展问题之一。
发明内容
针对上述问题，本发明提供一种用于超高速激光熔覆盘类零件端面的方法。该方法首先将缺口圆环Ⅰ、缺口圆环Ⅱ套装于盘类零件外圆与内孔，根据工艺需求设置熔覆速率V1、熔覆搭接率η、激光束功率P等参数；然后根据熔覆搭接率η和超高速激光熔覆单道宽度DL等参数，将超高速激光熔覆路径规划为，起点位于盘类零件端面内孔截面线，终点位于盘类零件端面外圆截面线上的等间距螺旋线；同时设置等角度节点，将等间距螺旋线划分为多段等间距螺旋线弧，通过改变超高速激光熔覆各段等间距螺旋线弧时的盘类零件旋转角速度ωi和超高速激光熔覆头移动速度
Figure GDA0003497885470000021
的方式进行熔覆，保证熔覆过程中各参数维持稳定；最后通过线切割的方式对缺口圆环Ⅰ、缺口圆环Ⅱ与盘类零件进行分离，将熔覆完成后的零件端面进行磨削加工达到成品要求。通过该方法可有效调控超高速激光熔覆头与高速回转的盘类零件端面相对运动，保证超高速激光熔覆过程中各熔覆参数稳定性，提高熔覆效率，进一步提高盘类零件端面表面，包括端面边缘的熔覆质量和均匀性。该方法可以在盘类零件端面表面形成具有较好冶金结合、致密且厚度均匀的熔覆层。
本发明所述的一种用于超高速激光熔覆盘类零件端面的方法包括以下步骤：
S1，对盘类零件端面进行机械加工处理，检查盘类零件端面表面，保证表面质量无缺陷。
S2，对盘类零件外圆套装缺口圆环Ⅰ，如盘类零件有内孔则在内孔安装缺口圆环Ⅱ，将盘类零件装夹固定于可回转机构上，可回转机构主轴与无级变速电机相连接，保证盘类零件可绕自身回转轴变速旋转。
S3，开启超高速激光熔覆设备，根据熔覆需求设置激光束功率P、载气流量、保护气流量等参数；设定超高速激光熔覆头位置和姿态，使激光光斑对准盘类零件端面内孔截面线位置，并保证激光束与盘类零件端面垂直；所述超高速激光熔覆头可沿盘类零件端面径向方向变速直线运动，超高速激光熔覆头初始正离焦为0.5mm～50mm。
S4，根据盘类零件端面尺寸和工艺要求，设计超高速激光熔覆路径和熔覆控制参数。
步骤S4具体细分步骤如下：
步骤1，在待熔覆的盘类零件端面设置平面极坐标系：
将盘类零件端面圆心设为极坐标系极点。超高速激光熔覆路径设置为等间距螺旋线，该等间距螺旋线起点位于盘类零件端面内孔截面线上，终点位于盘类零件端面外圆截面线上。
步骤2，规划盘类零件端面超高速激光熔覆路径：
将盘类零件端面超高速激光熔覆路径设为等间距螺旋线。
等间距螺旋线路径匝间距为：
Δr＝(1-η)×DL (1)；
其中：Δr为等间距螺旋线路径匝间距，单位：mm；η为熔覆搭接率，0＜η＜1；DL为超高速激光熔覆单道宽度，单位：mm。
等间距螺旋线路径匝数为：
Figure GDA0003497885470000031
其中：n为等间距螺旋线路径匝数；D1为盘类零件端面外圆直径，单位：mm；D2为盘类零件内孔圆直径，单位：mm，当盘类零件不存在内孔时，D2＝0。
等间距螺旋线路径极坐标表达式为：
Figure GDA0003497885470000032
其中：r为螺旋半径，单位：mm；θ为方位角，单位：rad；D2为盘类零件内孔圆直径，单位：mm，当盘类零件不存在内孔时，D2＝0；Δr为等间距螺旋线路径匝间距，单位：mm。
步骤3，设置极坐标等角度节点：
设置极坐标节点：
θi＝θi-1+ε (4)；
要求在
Figure GDA0003497885470000033
范围内，同时ε满足
Figure GDA0003497885470000034
的条件下尽量取较小值；为减少后续数据运算量，在熔覆质量精度允许的条件下，可适当调整增加ε值。
其中：i＝(1,2,3，……)；θi为节点方位角，θ0＝0，单位：rad；ε为节点方位角节距，单位：rad；V1为超高速激光熔覆速率，单位：mm/s；D1为盘类零件端面外圆直径，单位：mm；D2为盘类零件内孔圆直径，单位：mm，当盘类零件不存在内孔时，取D2＝DL；ΔT1为盘类零件端面外圆节距弧熔覆所需极限时间，单位：s；ΔT2为盘类零件端面内孔节距弧熔覆所需极限时间，单位：s；Q为极坐标节点极限个数，通常设Q＝10000。
步骤4，求取对应节点区间内各段等间距螺旋线弧长：
第i段等间距螺旋线弧长：
Figure GDA0003497885470000041
其中：i＝(1,2,3，……)；Si为第i段等间距螺旋线弧长，单位：mm；r为螺旋半径，单位：mm；θ为方位角，单位：rad；Δr为等间距螺旋线路径匝间距，单位：mm；ε为节点方位角节距，单位：rad；θi为节点方位角，θ0＝0，单位：rad。
螺旋半径增量：
Figure GDA0003497885470000042
其中：rL为螺旋半径增量，单位：mm；ε为节点方位角节距，单位：rad。步骤5，求取超高速激光熔覆控制参数；
保证超高速激光熔覆速率V1保持不变。
超高速激光熔覆第i段等间距螺旋线弧，所需时间为：
Figure GDA0003497885470000043
其中：Ti为超高速激光熔覆第i段等间距螺旋线弧所需时间，单位：s；Si为第i段等间距螺旋线弧长，单位：mm；V1为超高速激光熔覆速率，单位：mm/s。
超高速激光熔覆第i段等间距螺旋线弧，盘类零件旋转角速度：
Figure GDA0003497885470000044
其中：ωi为超高速激光熔覆第i段等间距螺旋线弧，盘类零件旋转角速度；ε为节点方位角节距，单位：rad。
超高速激光熔覆第i段等间距螺旋线弧，主轴转速：
Figure GDA0003497885470000051
其中：Fi为主轴转速，单位：r/min。
超高速激光熔覆第i段等间距螺旋线弧，超高速激光熔覆头移动速度：
Figure GDA0003497885470000052
其中：
Figure GDA0003497885470000053
为超高速激光熔覆第i段等间距螺旋线弧，超高速激光熔覆头移动速度，单位：mm/s；rL为螺旋半径增量，单位：mm。
S5，将步骤S4设计好的熔覆控制参数，包括主轴超高速激光熔覆第i段等间距螺旋线弧所需时间Ti、超高速激光熔覆第i段等间距螺旋线弧的主轴转速Fi，超高速激光熔覆头移动速度
Figure GDA0003497885470000054
导入到超高速激光熔覆设备控制系统中；将超高速激光熔覆头移动至等间距螺旋线起点，启动无级变速电机，当主轴转速Fi提升至超高速激光熔覆第1段等间距螺旋线弧主轴转速F1时，启动超高速激光熔覆头，对盘类零件端面进行超高速激光熔覆加工。在此过程中对超高速激光熔覆各段等间距螺旋线弧时的盘类零件旋转角速度ωi和超高速激光熔覆头移动速度
Figure GDA0003497885470000055
进行调控；在此过程中超高速激光熔覆路径为等间距螺旋线。等间距螺旋线路径极坐标表达式为：
Figure GDA0003497885470000056
其中：r为螺旋半径，单位：mm；θ为方位角，单位：rad；Δr为等间距螺旋线路径匝间距，单位：mm；D2为盘类零件内孔圆直径，单位：mm，当盘类零件不存在内孔时，D2＝0。
S6，根据需熔覆层数，重复步骤S5。
S7，熔覆完成后缺口圆环Ⅰ和缺口圆环Ⅱ与盘类零件产生类似焊接的连接，对盘类零件沿外圆和内孔进行线切割，将盘类零件与缺口圆环Ⅰ和缺口圆环Ⅱ分离。
S8，将加工完成后的零件端面进行磨削加工达到成品要求。
本发明所述的一种用于超高速激光熔覆盘类零件端面的方法，步骤S4设定超高速激光熔覆的具体工艺参数范围区间为：光斑直径为1～3mm，盘类零件表面线速度即熔覆速率V1为10～150m/min，激光束功率P为1～10KW，送粉速率为5～40g/min，熔覆搭接率0＜η＜1。
本发明所述的一种用于超高速激光熔覆盘类零件端面的方法，所用缺口圆环Ⅰ的缺口宽度为1mm，缺口圆环Ⅰ内外半径差为10mm，厚度为10mm，缺口圆环Ⅰ内圈设有矩形凹槽，凹槽深度为3mm，宽度为3mm，凹槽上表面距缺口圆环Ⅰ上表面2mm，缺口圆环Ⅰ内圈与盘类零件外圆配合，安装后保证上表面与盘类零件端面平齐，配合精度为H7/f7；缺口圆环Ⅱ的缺口宽度为1mm，缺口圆环Ⅱ内外半径差为10mm，厚度为10mm，缺口圆环Ⅱ外圆设有矩形凹槽，凹槽深度为3mm，宽度为3mm，凹槽上表面距缺口圆环Ⅱ上表面2mm，缺口圆环Ⅱ外圈与盘类零件内孔配合，安装后保证上表面与盘类零件端面平齐，配合精度为H7/f7。
本发明的增益效果：
(1)本发明提供的一种用于超高速激光熔覆盘类零件端面的方法将超高速激光熔覆路径设为起点位于盘类零件端面内孔截面线上，终点位于盘类零件端面外圆截面线上的等间距螺旋线；可以达到一次性熔覆整个盘类零件端面的目的，有效保证熔覆效率。
(2)本发明提供的一种用于超高速激光熔覆盘类零件端面的方法在将超高速激光熔覆路径设为等间距螺旋线的同时，设置等角度节点，将等间距螺旋线划分为多段等间距螺旋线弧，通过改变超高速激光熔覆各段等间距螺旋线弧时的盘类零件旋转速度ωi和超高速激光熔覆头移动速度
Figure GDA0003497885470000061
的方式进行熔覆，可以有效保证熔覆速率维持稳定。与此同时该等角度节点方位角节距可根据需求调整，在保证预留无级变速电机转速调节时间的同时，又保证超高速激光熔覆过程中各参数的稳定性。本发明可以通过设置合理等角度节点分布，广泛适用于不同尺寸规格的盘类零件端面熔覆。
(3)本发明通过将缺口圆环Ⅰ、缺口圆环Ⅱ安装于盘类零件外圆与内孔；再进行盘类零件端面超高速激光熔覆加工；最后通过线切割的方式对缺口圆环Ⅰ、缺口圆环Ⅱ与盘类零件进行分离，解决了盘类零件端面边缘难以熔覆或熔覆厚度过薄的问题，提高了盘类零件端面整体熔覆质量。
附图说明
图1为某款制动盘三维结构示意图；
图2为盘类零件端面超高速激光熔覆路径示意图；
图3为某款制动盘套装缺口圆环Ⅰ、缺口圆环Ⅱ示意图；
图4为缺口圆环Ⅰ、缺口圆环Ⅱ结构示意图；
图5为经该发明熔覆后的熔覆层截面组织扫描电镜图；
图6为经该发明熔覆后的熔覆层截面组织扫描电镜图；
附图标记：1—某盘类零件待熔覆端面、2—盘类零件端面内孔截面线、3—等间距螺旋线路径、4—盘类零件端面外圆截面线、5—节点方位角节距ε、6—盘类零件端面内孔直径D2、7—盘类零件端面外圆直径D1、8—第i段等间距螺旋线弧长Si、9—等间距螺旋线路径匝间距Δr、10—某款制动盘零件、11—缺口圆环Ⅱ、12—缺口圆环Ⅰ、13—缺口圆环Ⅱ外圆矩形凹槽、14—表面熔覆层、15—制动盘基体。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。
实施例：
某款制动盘，其待熔覆端面为圆环状，外径为Φ800mm，内径为Φ200mm，厚度为30mm，基体材料为35CrMo，对其表面进行单层超高速激光熔覆，熔覆粉末选用铁基不锈钢粉末，其熔覆过程通过以下工艺步骤进行：
S1，对制动盘端面进行机械加工处理，检查制动盘端面表面，保证表面质量无缺陷。
S2，将定制好的缺口圆环Ⅰ、缺口圆环Ⅱ安装于制动盘外圆与内孔。所用缺口圆环Ⅰ的缺口宽度为1mm，缺口圆环Ⅰ内径为Φ800mm，外径为Φ810mm厚度为10mm，缺口圆环Ⅰ内圈设有矩形凹槽，凹槽深度为3mm，宽度为3mm，凹槽上表面距缺口圆环Ⅰ上表面2mm，缺口圆环Ⅰ内圈与制动盘外圆配合，安装后保证上表面与制动盘端面平齐，配合精度为H7/f7；缺口圆环Ⅱ的缺口宽度为1mm，缺口圆环Ⅱ内径为Φ190mm，外径为Φ200mm，厚度为10mm，缺口圆环Ⅱ外圆设有矩形凹槽，凹槽深度为3mm，宽度为3mm，凹槽上表面距缺口圆环Ⅱ上表面2mm，缺口圆环Ⅱ外圈与制动盘内孔配合，安装后保证上表面与制动盘端面平齐，配合精度为H7/f7。将制动盘装夹固定于可回转机构上，可回转机构主轴与无级变速电机相连接，保证制动盘可绕自身回转轴变速旋转。
S3，开启超高速激光熔覆设备，根据熔覆需求设置激光束功率P、载气流量、保护气流量等参数；设定超高速激光熔覆头位置和姿态，使激光光斑对准制动盘端面内孔截面线位置，并保证激光束与制动盘端面垂直；所述超高速激光熔覆头可沿制动盘端面径向方向变速直线运动，超高速激光熔覆头初始正离焦为12mm。
设定超高速激光熔覆的具体工艺参数：光斑直径为2.5mm，制动盘表面熔覆线速度即熔覆速率V1为15m/min即250mm/s，激光束功率P为5KW，送粉速率为25g/min；熔覆搭接率η为60％，激光熔覆单道宽度DL在该熔覆参数下经多次实践取2.5mm。
S4，根据制动盘端面尺寸和工艺要求，设计超高速激光熔覆路径和熔覆控制参数。
步骤S4包括以下细分步骤：
步骤1，在待熔覆的制动盘端面设置平面极坐标系：
将制动盘端面圆心设为极坐标系极点，设置超高速激光熔覆路径为等间距螺旋线，起点位于制动盘端面内孔截面线上，终点位于制动盘端面外圆截面线上。
步骤2，设计制动盘端面超高速激光熔覆路径。
将制动盘端面超高速激光熔覆路径设为等间距螺旋线。
等间距螺旋线路径匝间距为：
Δr＝(1-η)×DL＝(1-0.6)×2.5＝1mm (1)；
其中：Δr为等间距螺旋线路径匝间距，单位：mm；η为熔覆搭接率；DL为超高速激光熔覆单道宽度，单位：mm。
等间距螺旋线路径匝数为：
Figure GDA0003497885470000081
其中：n为等间距螺旋线路径匝数；D1为制动盘端面外圆直径，单位：mm；D2为制动盘内孔圆直径，单位：mm。
等间距螺旋线路径极坐标表达式为：
Figure GDA0003497885470000082
其中：r为螺旋半径，单位：mm；θ为方位角，单位：rad。
步骤3，设置极坐标等角度节点：
设置极坐标节点：
θi＝θi-1+ε (4)；
(要求在
Figure GDA0003497885470000091
范围内，取恰当ε值；同时ε满足
Figure GDA0003497885470000092
的条件下尽量取较小值。)经换算后可得2.5≤ε≤625。
在满足ε值取值范围内，同时满足表面熔覆质量的条件下适当增加ε值，为适当减少后续运算，这里取ε＝π。
其中：i＝(1,2,3，......)；θi为节点方位角，θ0＝0，单位：rad；ε为节点方位角节距，单位：rad；V1为超高速激光熔覆速率，单位：mm/s；D1为制动盘端面外圆直径，单位：mm；D2为制动盘内孔圆直径，单位：mm，当制动盘不存在内孔时，D2＝DL；ΔT1为制动盘端面外圆节距弧熔覆所需极限时间，单位：s；ΔT2为制动盘端面内孔节距弧熔覆所需极限时间，单位：s；Q为极坐标节点极限个数，这里取Q＝10000。
步骤4，求取对应节点内各段等间距螺旋线弧长：
第i段等间距螺旋线弧长：
Figure GDA0003497885470000093
其中：i＝(1,2,3，……)；Si为第i段等间距螺旋线弧长，单位：mm；r为螺旋半径，单位：mm；θ为方位角，单位：rad；Δr为等间距螺旋线路径匝间距，单位：mm；ε为节点方位角节距，单位：rad；θi为节点方位角，θ0＝0，单位：rad。
螺旋半径增量：
Figure GDA0003497885470000094
其中：rL为螺旋半径增量，单位：mm；ε为节点方位角节距，单位：rad。步骤5，求取超高速激光熔覆控制参数；
设超高速激光熔覆速率V1保持不变。
超高速激光熔覆第i段等间距螺旋线弧，所需时间为：
Figure GDA0003497885470000095
其中：Ti为超高速激光熔覆第i段等间距螺旋线弧长所需时间，单位：s；Si为第i段等间距螺旋线弧长，单位：mm；V1为超高速激光熔覆速率，单位：mm/s。
超高速激光熔覆第i段等间距螺旋线弧，制动盘旋转角速度：
Figure GDA0003497885470000101
其中：ωi为超高速激光熔覆第i段等间距螺旋线弧，制动盘旋转角速度；ε为节点方位角节距，单位：rad。
超高速激光熔覆第i段等间距螺旋线弧，主轴转速：
Figure GDA0003497885470000102
其中：Fi为主轴转速，单位：r/min。
超高速激光熔覆第i段等间距螺旋线弧，超高速激光熔覆头移动速度：
Figure GDA0003497885470000103
其中：
Figure GDA0003497885470000104
为超高速激光熔覆第i段等间距螺旋线弧，超高速激光熔覆头移动速度，单位：mm/s；rL为螺旋半径增量，单位：mm。
S5，将步骤S4设计好的熔覆控制参数，包括主轴超高速激光熔覆第i段等间距螺旋线弧所需时间Ti、超高速激光熔覆第i段等间距螺旋线弧的主轴转速Fi，超高速激光熔覆头移动速度
Figure GDA0003497885470000105
导入到超高速激光熔覆设备控制系统中；将超高速激光熔覆头移动至等间距螺旋线起点，启动无级变速电机，当主轴转速Fi提升至超高速激光熔覆第1段等间距螺旋线弧主轴转速F1时，启动超高速激光熔覆头，对盘类零件端面进行超高速激光熔覆加工。在此过程中对超高速激光熔覆各段等间距螺旋线弧时的盘类零件旋转角速度ωi和超高速激光熔覆头移动速度
Figure GDA0003497885470000106
进行调控；在此过程中超高速激光熔覆路径为等间距螺旋线。等间距螺旋线路径极坐标表达式为：
Figure GDA0003497885470000107
其中：r为螺旋半径，单位：mm；θ为方位角，单位：rad；Δr为等间距螺旋线路径匝间距，单位：mm；D2为制动盘内孔圆直径，单位：mm。
经步骤S5加工后的熔覆层截面组织扫描电镜图见图5、图6。14为表面熔覆层、15为制动盘基体。通过该方法制备的表面熔覆层14厚度均匀，与制动盘基体15结合良好，图6为经本发明方法熔覆后的熔覆层微观组织形貌，表面熔覆层14晶粒尺寸极其细密且分布均匀，具有良好的机械和力学性能。
S6，熔覆完成后缺口圆环Ⅰ和缺口圆环Ⅱ与制动盘产生类似焊接的连接，对制动盘沿外圆和内孔进行线切割，将制动盘与缺口圆环Ⅰ和缺口圆环Ⅱ分离。
S7，将加工完成后的制动盘端面进行磨削加工达到成品要求。

Claims (3)

1.一种用于超高速激光熔覆盘类零件端面的方法，其特征在于，该方法首先将缺口圆环Ⅰ、缺口圆环Ⅱ套装于盘类零件外圆与内孔，根据工艺需求设置熔覆速率V1、熔覆搭接率η、激光束功率P参数；然后根据熔覆搭接率η和超高速激光熔覆单道宽度DL参数，将超高速激光熔覆路径规划为：起点位于盘类零件端面内孔截面线，终点位于盘类零件端面外圆截面线上的等间距螺旋线；同时设置等角度节点，将等间距螺旋线划分为多段等间距螺旋线弧，通过改变超高速激光熔覆各段等间距螺旋线弧时的盘类零件旋转角速度ωi和超高速激光熔覆头移动速度
Figure FDA0003497885460000011
的方式进行熔覆，保证熔覆过程中各参数维持稳定；最后通过线切割的方式对缺口圆环Ⅰ、缺口圆环Ⅱ与盘类零件进行分离，将熔覆完成后的零件端面进行磨削加工达到成品要求，具体步骤如下：
S1，对盘类零件端面进行机械加工处理，检查盘类零件端面表面，保证表面质量无缺陷；
S2，对盘类零件外圆套装缺口圆环Ⅰ，如盘类零件有内孔则在内孔安装缺口圆环Ⅱ，将盘类零件装夹固定于可回转机构上，可回转机构主轴与无级变速电机相连接，保证盘类零件可绕自身回转轴变速旋转；
S3，开启超高速激光熔覆设备，根据熔覆需求设置激光束功率P、载气流量、保护气流量参数；设定超高速激光熔覆头位置和姿态，使激光光斑对准盘类零件端面内孔截面线位置，并保证激光束与盘类零件端面垂直；所述超高速激光熔覆头可沿盘类零件端面径向方向变速直线运动，超高速激光熔覆头初始正离焦为0.5mm～50mm；
S4，根据盘类零件端面尺寸和工艺要求，设计超高速激光熔覆路径和熔覆控制参数；
S5，将步骤S4设计好的熔覆控制参数，包括主轴超高速激光熔覆第i段等间距螺旋线弧所需时间Ti、超高速激光熔覆第i段等间距螺旋线弧的主轴转速Fi，超高速激光熔覆头移动速度
Figure FDA0003497885460000012
导入到超高速激光熔覆设备控制系统中；将超高速激光熔覆头移动至等间距螺旋线起点，启动无级变速电机，当主轴转速Fi提升至超高速激光熔覆第1段等间距螺旋线弧主轴转速F1时，启动超高速激光熔覆头，对盘类零件端面进行超高速激光熔覆加工，在此过程中对超高速激光熔覆各段等间距螺旋线弧时的盘类零件旋转角速度ωi和超高速激光熔覆头移动速度
Figure FDA0003497885460000021
进行调控；在此过程中超高速激光熔覆路径为等间距螺旋线，等间距螺旋线路径极坐标表达式为：
Figure FDA0003497885460000022
其中：r为螺旋半径，单位：mm；θ为方位角，单位：rad；Δr为等间距螺旋线路径匝间距，单位：mm；D2为盘类零件内孔圆直径，单位：mm，当盘类零件不存在内孔时，D2＝0；
S6，根据需熔覆层数，重复步骤S5；
S7，熔覆完成后对盘类零件沿外圆和内孔进行线切割，将盘类零件与缺口圆环Ⅰ和缺口圆环Ⅱ分离；
S8，将加工完成后的零件端面进行磨削加工达到成品要求；
步骤S4具体细分步骤如下：
步骤1，在待熔覆的盘类零件端面设置平面极坐标系
将盘类零件端面圆心设为极坐标系极点，超高速激光熔覆路径设置为等间距螺旋线，该等间距螺旋线起点位于盘类零件端面内孔截面线上，终点位于盘类零件端面外圆截面线上；
步骤2，规划盘类零件端面超高速激光熔覆路径
将盘类零件端面超高速激光熔覆路径设为等间距螺旋线；
等间距螺旋线路径匝间距为：
Δr＝(1-η)×DL (1)；
其中：Δr为等间距螺旋线路径匝间距，单位：mm；η为熔覆搭接率，0＜η＜1；DL为超高速激光熔覆单道宽度，单位：mm；
等间距螺旋线路径匝数为：
Figure FDA0003497885460000023
其中：n为等间距螺旋线路径匝数；D1为盘类零件端面外圆直径，单位：mm；D2为盘类零件内孔圆直径，单位：mm，当盘类零件不存在内孔时，D2＝0；
等间距螺旋线路径极坐标表达式为：
Figure FDA0003497885460000024
其中：r为螺旋半径，单位：mm；θ为方位角，单位：rad；D2为盘类零件内孔圆直径，单位：mm，当盘类零件不存在内孔时，D2＝0；Δr为等间距螺旋线路径匝间距，单位：mm；
步骤3，设置极坐标等角度节点
设置极坐标节点：
θi＝θi-1+ε(4)；
要求在
Figure FDA0003497885460000031
范围内，同时ε满足
Figure FDA0003497885460000032
的条件下尽量取较小值；为减少后续数据运算量，在熔覆质量精度允许的条件下，可适当调整增加ε值；
其中：i＝(1,2,3，......)；θi为节点方位角，θ0＝0，单位：rad；ε为节点方位角节距，单位：rad；V1为超高速激光熔覆速率，单位：mm/s；D1为盘类零件端面外圆直径，单位：mm；D2为盘类零件内孔圆直径，单位：mm，当盘类零件不存在内孔时，取D2＝DL；ΔT1为盘类零件端面外圆节距弧熔覆所需极限时间，单位：s；ΔT2为盘类零件端面内孔节距弧熔覆所需极限时间，单位：s；Q为极坐标节点极限个数，通常设Q＝10000；
步骤4，求取对应节点区间内各段等间距螺旋线弧长
第i段等间距螺旋线弧长：
Figure FDA0003497885460000033
其中：i＝(1,2,3，……)；Si为第i段等间距螺旋线弧长，单位：mm；r为螺旋半径，单位：mm；θ为方位角，单位：rad；Δr为等间距螺旋线路径匝间距，单位：mm；ε为节点方位角节距，单位：rad；θi为节点方位角，θ0＝0，单位：rad；
螺旋半径增量：
Figure FDA0003497885460000034
其中：rL为螺旋半径增量，单位：mm；ε为节点方位角节距，单位：rad；
步骤5，求取超高速激光熔覆控制参数
保证超高速激光熔覆速率V1保持不变；
超高速激光熔覆第i段等间距螺旋线弧，所需时间为：
Figure FDA0003497885460000041
其中：Ti为超高速激光熔覆第i段等间距螺旋线弧所需时间，单位：s；Si为第i段等间距螺旋线弧长，单位：mm；V1为超高速激光熔覆速率，单位：mm/s；
超高速激光熔覆第i段等间距螺旋线弧，盘类零件旋转角速度：
Figure FDA0003497885460000042
其中：ωi为超高速激光熔覆第i段等间距螺旋线弧，盘类零件旋转角速度；ε为节点方位角节距，单位：rad；
超高速激光熔覆第i段等间距螺旋线弧，主轴转速：
Figure FDA0003497885460000043
其中：Fi为主轴转速，单位：r/min；
超高速激光熔覆第i段等间距螺旋线弧，超高速激光熔覆头移动速度：
Figure FDA0003497885460000044
其中：
Figure FDA0003497885460000045
为超高速激光熔覆第i段等间距螺旋线弧，超高速激光熔覆头移动速度，单位：mm/s；rL为螺旋半径增量，单位：mm。
2.如权利要求1所述的一种用于超高速激光熔覆盘类零件端面的方法，其特征在于，步骤S4设定超高速激光熔覆的具体工艺参数范围区间为：光斑直径为1～3mm，盘类零件表面线速度即熔覆速率V1为10～150m/min，激光束功率P为1～10KW，送粉速率为5～40g/min，熔覆搭接率η为0＜η＜100％。
3.如权利要求1所述的一种用于超高速激光熔覆盘类零件端面的方法，其特征在于，所用缺口圆环Ⅰ的缺口宽度为1mm，缺口圆环Ⅰ内外半径差为10mm，厚度为10mm，缺口圆环Ⅰ内圈设有矩形凹槽，凹槽深度为3mm，宽度为3mm，凹槽上表面距缺口圆环Ⅰ上表面2mm，缺口圆环Ⅰ内圈与盘类零件外圆配合，安装后保证上表面与盘类零件端面平齐，配合精度为H7/f7；缺口圆环Ⅱ的缺口宽度为1mm，缺口圆环Ⅱ内外半径差为10mm，厚度为10mm，缺口圆环Ⅱ外圆设有矩形凹槽，凹槽深度为3mm，宽度为3mm，凹槽上表面距缺口圆环Ⅱ上表面2mm，缺口圆环Ⅱ外圈与盘类零件内孔配合，安装后保证上表面与盘类零件端面平齐，配合精度为H7/f7。
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Families Citing this family (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112195467B (zh) * 2020-09-30 2022-04-22 南京中科煜宸激光技术有限公司 盘类件高速激光熔覆制备功能涂层变形量控制方法与系统
CN114231975B (zh) * 2021-12-27 2023-06-23 天津职业技术师范大学(中国职业培训指导教师进修中心) 一种利用超高速激光熔覆技术修复或强化刹车盘的方法
CN114507855A (zh) * 2022-02-18 2022-05-17 上海彩石激光科技有限公司 一种制造高性能盘类零件的方法及设备
WO2023161088A1 (de) * 2022-02-22 2023-08-31 Trumpf Laser- Und Systemtechnik Gmbh LASERAUFTRAGSCHWEIßVERFAHREN ZUM HERSTELLEN EINER BESCHICHTUNGSSCHICHT AUF EINEM BAUTEIL
CN115625352B (zh) * 2022-11-09 2024-05-14 江苏大学 一种超高速平面激光熔覆增材制造装置及加工方法
DE102022130764A1 (de) * 2022-11-21 2024-05-23 HPL Technologies GmbH Verfahren zum Beschichten einer Oberfläche
CN117070942B (zh) * 2023-10-18 2024-01-26 江苏大学 一种用于超高速激光熔覆不规则平面的方法

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101775525A (zh) * 2010-01-19 2010-07-14 秦皇岛首钢长白结晶器有限责任公司 一种连铸结晶器铜板激光熔覆钴基合金涂层材料及工艺
CN103205746A (zh) * 2013-03-15 2013-07-17 上海交通大学 半球体零件表面的激光熔覆方法
CN106513995A (zh) * 2016-12-26 2017-03-22 浙江久恒光电科技有限公司 用于平面类阀门密封面的激光表面强化加工设备及其加工方法
JP2017196623A (ja) * 2016-04-25 2017-11-02 株式会社東芝 弁装置の製造方法
CN108220951A (zh) * 2017-12-22 2018-06-29 北京机科国创轻量化科学研究院有限公司 一种超高速激光熔覆系统
CN108950540A (zh) * 2018-07-24 2018-12-07 亚琛联合科技（天津）有限公司 一种超高速激光熔覆与表面重熔的复合加工方法

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101775525A (zh) * 2010-01-19 2010-07-14 秦皇岛首钢长白结晶器有限责任公司 一种连铸结晶器铜板激光熔覆钴基合金涂层材料及工艺
CN103205746A (zh) * 2013-03-15 2013-07-17 上海交通大学 半球体零件表面的激光熔覆方法
JP2017196623A (ja) * 2016-04-25 2017-11-02 株式会社東芝 弁装置の製造方法
CN106513995A (zh) * 2016-12-26 2017-03-22 浙江久恒光电科技有限公司 用于平面类阀门密封面的激光表面强化加工设备及其加工方法
CN108220951A (zh) * 2017-12-22 2018-06-29 北京机科国创轻量化科学研究院有限公司 一种超高速激光熔覆系统
CN108950540A (zh) * 2018-07-24 2018-12-07 亚琛联合科技（天津）有限公司 一种超高速激光熔覆与表面重熔的复合加工方法

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