CN115194178A - 一种用于薄壁零件激光直接成形的同轴送粉喷嘴 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种用于薄壁零件激光直接成形的同轴送粉喷嘴，属于激光增材制造设备技术领域，包括喷嘴本体、上盖、感温元件、传动组件以及出粉调节器，所述上盖设置在所述喷嘴本体上侧，所述感温元件设置在所述喷嘴本体内部，所述感温元件能够受温度影响发生形变，所述出粉调节器设置在所述上盖内部的回收通道中，所述出粉调节器通过所述传动组件与所述感温元件相连，所述感温元件形变时可通过所述传动组件带动所述出粉调节器运动，从而控制所述回收通道的开度。本发明实施例具有送粉量调节的响应时间短；送粉量调节的灵敏度高以及出粉调节器结构简单，可靠性高的优点。
Description
技术领域
本发明属于激光增材制造设备技术领域，具体是一种用于薄壁零件激光直接成形的同轴送粉喷嘴。
背景技术
增材制造自20世纪80年代后期诞生以来，已经成为了制造业最具代表性和最受关注性的颠覆性技术之一。随着政府和市场的推动，增材制造热点应用争相出现、前沿技术研发不断加快。而金属增材制造正逐步改变着传统金属零件的加工模式，其中激光熔覆以其熔覆层晶粒细小、结构致密、冷却速度快、结合良好、加工速度快等优势被广泛应用。激光增材制造的一个典型应用为快速制造高质量薄壁零件。在激光直接成形工艺中，同轴送粉喷嘴同时输送出高功率激光束和金属粉末，随着同轴送粉喷嘴的往复移动，金属粉末逐层熔融沉积，最终高效地获得力学性能良好的薄壁零件。
但采用激光直接成形工艺增材制造薄壁零件的过程中，由于同轴送粉喷嘴运动到接近行程的末端时，由匀速运动转变为减速运动，速度减为零至末端后再反向加速运动，从而实际上同轴送粉喷嘴在薄壁零件的两端上方停留时间比在中部位置时更长，导致在薄壁零件的两端沉积的金属粉末更多，最终造成薄壁零件“两端高，中间低”的高度不均匀问题。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明旨在提供一种用于薄壁零件的激光直接成形同轴送粉喷嘴，能够根据成形过程中的实时温度反馈，自动控制送粉量，解决激光直接成形薄壁零件的高度不均匀问题。本发明的基本思路和原理是：在激光直接成形过程中，由于受热条件和散热条件与中部位置的不同，薄壁零件两端产生热量积累，从而其表面温度高于中部的表面温度。本发明的同轴送粉喷嘴通过感温元件实时获取零件成形过程中的表面温度，利用在薄壁零件两端和中部的温度差，实现对送粉量的控制，达到成形高度均匀化的目的。
为解决上述技术问题，本发明提供了如下技术方案：
一种用于薄壁零件激光直接成形的同轴送粉喷嘴，包括喷嘴本体、上盖、感温元件、传动组件以及出粉调节器，
所述上盖设置在所述喷嘴本体上侧，
所述感温元件设置在所述喷嘴本体内部，
所述感温元件能够受温度影响发生形变，
所述出粉调节器设置在所述上盖内部的回收通道中，
所述出粉调节器通过所述传动组件与所述感温元件相连，
所述感温元件形变时可通过所述传动组件带动所述出粉调节器运动，从而控制所述回收通道的开度。
作为本发明进一步的改进方案：所述出粉调节器包括上端盖、引导器、叶片组以及下端盖，
所述上端盖固定设置在所述下端盖上侧，所述引导器以及所述叶片组转动设置在所述上端盖与所述下端盖之间，
所述传动组件包括传动轴以及锥齿轮所述传动轴一端与所述感温元件相连，另一端与所述锥齿轮相连，所述锥齿轮与所述引导器啮合。
作为本发明进一步的改进方案：所述传动轴与所述上盖之间通过轴承转动配合。
作为本发明进一步的改进方案：所述上盖内部还设置有进粉通道和送粉通道，所述送粉通道中设置有分粉器，所述分粉器包括若干条连接软管。
作为本发明再进一步的改进方案：所述叶片组为弧形结构，叶片组的几何位置及几何结构在中心形成所述回收通道。
作为本发明再进一步的改进方案：所述引导器由圆环和部分锥齿构成，圆环面上均匀开槽。
作为本发明再进一步的改进方案：所述感温元件为形状记忆合金。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1.送粉量调节的响应时间短。采用送粉器调节送粉量，由于粉末流需要通过较长的送粉管路到达同轴送粉喷嘴，从而实际在同轴送粉喷嘴出口的粉末输送量的变化需要较长的响应时间。而采用本发明的技术方案，感温元件和出粉调节器在同轴送粉喷嘴内部直接调节出粉量，这样具备了送粉量调节的快速响应能力。
2.送粉量调节的灵敏度高。采用成分梯度形状记忆合金和锥齿轮致动出粉调节器，可以使出粉调节器对同轴送粉喷嘴下的沉积区域的微小温度变化实现响应，从而具有较高灵敏度。
3.出粉调节器结构简单，可靠性高。采用引导器直接驱动出粉调节器的多组叶片实现对回收通道的调节，结构简易，粉末不容易发生堵塞，可靠性高。
4.柔性强，针对不同的应用场合，可以更换具有不同形状记忆特性的感温元件，使出粉调节器对于不同材料、不同薄壁零件尺寸具有不同的响应特征，从而具有柔性强的特点。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明系统送粉流程图；
图3为本发明中叶片的结构示意图；
图4为本发明中引导器的结构示意图；
图5为本发明中出粉调节器的结构示意图：
图6为本发明中出粉调节器的外观示意图：
图7为本发明中回收通道缩小状态示意图；
图8为本发明中回收通道放大状态示意图；
图9为本发明加工过程中示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本专利的技术方案作进一步详细地说明。
下面详细描述本专利的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本专利，而不能理解为对本专利的限制。
请参阅图1-9，本实施例提供了一种用于薄壁零件激光直接成形的同轴送粉喷嘴，包括喷嘴本体1、上盖2、感温元件8、传动组件以及出粉调节器5，所述上盖2设置在所述喷嘴本体1上侧，所述感温元件8设置在所述喷嘴本体1内部，所述感温元件8能够受温度影响发生形变，所述出粉调节器5设置在所述上盖2内部的回收通道中，所述出粉调节器5通过所述传动组件与所述感温元件8相连，所述感温元件8形变时可通过所述传动组件带动所述出粉调节器5运动，从而控制所述回收通道的开度。
通过感温元件8受温度影响进而发生形变，以通过传动组件带动出粉调节器5运动，实现回收通道的开启，使得粉末流入回收瓶中进行回收；当同轴送粉喷嘴移动到薄壁零件的两端时，由于两端的热量堆积以及薄壁零件在的两端散热能力较差，导致薄壁零件两端表面温度高于中心表面温度，从而使得形状记忆合金在同轴送粉喷嘴运动至两端时发生形变，并且喷嘴越靠近两端，零件的表面温度越高，发生形变的形状记忆合金也越长，导致感温元件8整体发生的形变也越大，基于上述原理，当温度越高时，感温元件8发生形变程度越强，通过传动组件带动出粉调节器5运动时，回收通道的开度越大，流入回收瓶的粉量越多，最终通过送粉通道9沉积的粉量也就越少，减轻了由于同轴送粉喷嘴的减速运动导致在薄壁零件两端停留时间较长的影响，从而使得薄壁零件两端与中心部分高度均匀化。
请参阅图1和图5，在一个实施例中，所述出粉调节器5包括上端盖12、引导器13、叶片组14以及下端盖15，所述引导器13以及所述叶片组14设置在所述上端盖12与所述下端盖15之间，所述传动组件包括传动轴7以及锥齿轮4，所述传动轴7一端与所述感温元件8相连，另一端与所述锥齿轮4相连，所述锥齿轮4与所述引导器13啮合。
当感温元件8发生形变时，可带动传动轴7转动，进而带动锥齿轮4转动，通过锥齿轮4与引导器13的啮合作用可带动叶片组14转动，当叶片组14转动时可打开回收通道，并且随着感温元件8形变程度的不同，叶片组14转动角度不同，从而实现回收通道开度的调节。
在一个实施例中，所述上端盖12和下端盖15为圆环形，下端盖15周向均布若干个孔，下端盖15、叶片组14、引导器13和上端盖12依次安装，叶片组14的转轴10安装于下端盖15的孔内，叶片组14的引导轴11插入引导器13的引导槽内。
请参阅图1，在一个实施例中，所述传动轴7与所述上盖2之间通过轴承3转动配合。
请参阅图2，在一个实施例中，虚线方框为同轴送粉喷嘴，实线箭头为粉末流通过管道的流向；所述上盖2内部还设置有进粉通道6和送粉通道9，所述送粉通道9中设置有分粉器，所述分粉器包括若干条连接软管。
利用送粉器通过进粉通道6送入定量粉末流，当出粉调节器5控制回收通道打开时，一部分粉末可以通过出粉调节器5的回收通道收集到回收瓶中，另一部分粉末进入分粉器中，分粉器通过若干条连接软管将粉末分为若干路分别送入喷嘴本体1上的若干个送粉通道9中，最终送出粉末，感温元件8可调控回收通道的开度，从而控制进入回收通道的粉末量，进而调节送入送粉通道9的粉末量。
请参阅图3和图6，在一个实施例中，所述叶片组14为弧形结构，叶片组14的几何位置及几何结构在中心形成所述回收通道，当叶片组14处于初始位置时，回收通道完全闭合，此时出粉调节器5开度最小；当引导器13旋转时，由其引导槽牵引叶片组14的引导轴11移动，从而使单个叶片组14以转轴10为中心逐渐旋转，若干叶片组14的运动组合使回收通道的半径增大，通道的开度变大。
请参阅图4，在一个实施例中，所述引导器13由圆环和部分锥齿构成，圆环面上均匀开槽，通过锥齿与锥齿轮4之间的啮合作用，实现引导器13的转动。
请参阅图7和图8，引导器13发生旋转时，引导器13圆环面上的槽会推动叶片组14上的引导轴11，引起叶片组14发生转动，转动的基准轴为与下端盖15配合的转轴10，叶片组14绕转轴发生的旋转会改变回收通道的大小。
在一个实施例中，为了解决形状记忆合金的形变的跃变性，本发明实施例采用成分梯度形状记忆合金，由于形状记忆合金达到形变温度时形状会发生跃变，导致弹簧的形变不连续，为了使形变更加连续，本发明采用的弹簧为成分梯度形状记忆合金，即成分随弹簧中不同位置连续发生变化，弹簧不同位置的形状记忆合金具有不同的形变高温以及形变低温；当温度升高时，只有高于形变高温的部分弹簧会发生形变，剩下的部分弹簧保持不变，当温度继续升高时，剩下弹簧中高于形变高温的弹簧才发生形变，最终达到弹簧能随温度连续形变的目的；本发明采用低热滞形状记忆合金，该形状记忆合金的热滞性可忽略不计。本发明所选用形状记忆合金最低的形变高温需要约等于同轴送粉喷嘴开始减速时薄壁零件的表面温度，从而保证在薄壁零件中间部分(即温度稳定区域)回收通道始终处于关闭状态，不影响中间匀速运动部分的出粉量。
本发明实施例具体加工过程如图9所示，当同轴送粉喷嘴匀速运动到两端开始减速时，积累的温度达到最低的形变高温，感温元件8发生形变，通过带动叶片组14的转动打开回收通道，从而减小出粉量；当喷嘴继续向端部移动，喷嘴的速度进一步减小，积累的温度更高，由形状记忆合金制成的弹簧状感温元件8的形变进一步增大，导致叶片组14的转动加大，回收通道进一步增大，出粉量进一步减小；当喷嘴从两端向中间移动时，温度逐步降低，形状记忆合金逐渐恢复形变，感温元件8逐渐反向旋转，带动叶片组14反向旋转，最终在喷嘴加速到匀速的速度时，形状记忆合金完全恢复形变，中央回收通道直径关闭为零，最终送粉量增加到最大值。
上面对本专利的较佳实施方式作了详细说明，但是本专利并不限于上述实施方式，在本领域的普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本专利宗旨的前提下做出各种变化。
Claims (8)
1.一种用于薄壁零件激光直接成形的同轴送粉喷嘴，其特征在于，包括喷嘴本体、上盖、感温元件、传动组件以及出粉调节器，
所述上盖设置在所述喷嘴本体上侧，
所述感温元件设置在所述喷嘴本体内部，
所述感温元件能够受温度影响发生形变，
所述出粉调节器设置在所述上盖内部的回收通道中，
所述出粉调节器通过所述传动组件与所述感温元件相连，
所述感温元件形变时可通过所述传动组件带动所述出粉调节器运动，从而控制所述回收通道的开度。
2.根据权利要求1所述的一种用于薄壁零件激光直接成形的同轴送粉喷嘴，其特征在于，所述出粉调节器包括上端盖、引导器、叶片组以及下端盖，
所述上端盖固定设置在所述下端盖上侧，所述引导器以及所述叶片组转动设置在所述上端盖与所述下端盖之间，
所述传动组件包括传动轴以及锥齿轮所述传动轴一端与所述感温元件相连，另一端与所述锥齿轮相连，所述锥齿轮与所述引导器啮合。
3.根据权利要求2所述的一种用于薄壁零件激光直接成形的同轴送粉喷嘴，其特征在于，所述上端盖和下端盖为圆环形，下端盖周向均布若干个孔，下端盖、叶片组、引导器和上端盖依次安装，叶片组的转轴安装于下端盖的孔内，叶片组的引导轴插入引导器的引导槽内。
4.根据权利要求2所述的一种用于薄壁零件激光直接成形的同轴送粉喷嘴，其特征在于，所述传动轴与所述上盖之间通过轴承转动配合。
5.根据权利要求1所述的一种用于薄壁零件激光直接成形的同轴送粉喷嘴，其特征在于，所述上盖内部还设置有进粉通道和送粉通道，所述送粉通道中设置有分粉器，所述分粉器包括若干条连接软管。
6.根据权利要求1所述的一种用于薄壁零件激光直接成形的同轴送粉喷嘴，其特征在于，所述叶片组为弧形结构，叶片组的几何位置及几何结构在中心形成所述回收通道。
7.根据权利要求2所述的一种用于薄壁零件激光直接成形的同轴送粉喷嘴，其特征在于，所述引导器由圆环和部分锥齿构成，圆环面上均匀开槽。
8.根据权利要求1-7任一项所述的一种用于薄壁零件激光直接成形的同轴送粉喷嘴，其特征在于，所述感温元件为形状记忆合金。
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