一种针对于异质材料的同轴送粉系统技术方案

本发明专利技术涉及一种针对于异质材料的同轴送粉系统，该系统通过配粉装置和送粉装置的相互配合、控制部分预先计算单次扫描路径所需送粉量和前后路径之间的时间间隔以及快速粉闸在两次不同送粉路径间的快速通断并及时处理残留粉末，实现对功能梯度材料的连续熔覆加工，零件一次成型，保证产品的机械性能稳定，加工精度高。控制部分的配粉程序实时调节配粉装置中多组步进电机的转速，将多种粉末按照指定比例混合并储存在粉末汇聚仓内，为不同扫描路径间粉末比例的准确快速切换提供条件。

A coaxial powder feeding system for heterogeneous materials

The invention relates to a coaxial powder feeding system for a needle for a heterogeneous material. The system uses the coordination of a powder matching device and a powder feeding device, controls the amount of powder feeding and the time interval between the front and back paths, and the quick switch between the fast powder sluice and the two different powder feeding paths. Residual powder, realize continuous cladding processing of functionally gradient materials, forming parts at one time, ensure the mechanical stability of the product, high processing accuracy. The pulverizing program of the control part regulates the speed of the multi group stepper motor in the powder matching device in real time, and combines a variety of powders in a specified proportion and stored in the powder bunker, providing the conditions for accurate and rapid switching of the powder ratio between different scanning paths.

【技术实现步骤摘要】
一种针对于异质材料的同轴送粉系统
本专利技术涉及一种针对于异质材料的同轴送粉系统。
技术介绍
随着科学技术的快速发展，尤其是军事领域，对待特殊环境下工作材料的要求越来越严格。普通的单一材料和复合材料的机械强度、耐磨性、耐循环性、耐久性和寿命都很难满足要求，而且利用率低成本较高。异质材料是根据使用要求，选择两种或两种以上不同性能的材料，采用先进的材料制备技术，使中间的组成和结构连续呈梯度变化,内部不存在明显的界面,从而使材料的性质和功能沿厚度方向也呈梯度变化的一种新型复合材料。增材制造技术是采用材料逐层累加的方法制造实体零件的技术。常见的金属激光熔覆成型增材制造供给方式可分为预置式激光熔覆和同步式激光熔覆。预置式激光熔覆是将熔覆材料预先置于基材表面的熔覆部位，然后采用激光束辐照扫描熔化。由于该方法所需的熔覆能量较高，且不易实现自动控制，所以目前先进的激光熔覆技术多采用同步送粉熔覆法。根据送粉装置的不同，同步送粉又分为侧向送粉和同轴送粉，对于侧向送粉，送粉系统与光束系统相对独立，送粉器与喷嘴相对激光光束倾斜安装，该送粉装置设计具有粉末输送均匀，送粉范围大，粉末利用率高等特点，缺点在于只局限于一个方向的送粉，对加工轨迹有很大地限制，它只适合于线形轨迹的运动，且不能实现自动化控制，粉体输送与光路不同轴，光粉耦合性差，激光成型过程中易造成光粉偏离，成型件质量差，因此不适合异质材料增材制造。对于制备功能梯度材料的送粉系统，专利CN101342640A采用辅助惰性气体将不同粉末吸取输送到粉末混合器，通过分粉器将粉末分多路输送至喷嘴，喷嘴将多路粉末汇聚于激光形成的熔池内完成功能梯度材料的制备。上述专利在完成功能梯度材料制备过程中存在不足，首先，机构的设计是一个单一的流程，当前后路径粉末比例变化时需要停机等待粉末的混合过程，不能保证熔覆过程的连续。其次，粉末由混合器到喷嘴运输通道较长，没有设计单独的机构或方法来解决粉末的快速通断问题并保证粉末混合比例的准确性。对于喷粉装置，专利CN101148760A通过圆锥反射镜—圆环形聚焦反射镜扩束变换的方法,获得了圆环锥形聚焦光束,使投射至加工表面的聚焦光束中产生一较大中空无光区，实现光内送粉，其不足之处在于：首先，由于喷嘴嵌在喷粉机构内部，加工过程中如果出现光斑变大或者光粉耦合性差的情况必须停机拆卸调节，破坏系统真空环境且浪费时间。其次，结构设计上固定式的聚焦光路机构不适合多变的环境，在装配过程中一次性手动调节光粉耦合程度不利于加工精度的提高，对操作人员经验要求较高。
技术实现思路
针对于现有技术存在的不足，本专利技术的目的在于提供一种针对于异质材料的同轴送粉系统。该系统针对于异质材料进行同轴送粉，混合粉末通过喷粉装置按照指定比例均匀地送入到零件基体上，并且与聚焦光斑达到理想的耦合，熔覆过程连续，能够实现对高精密异质材料零件的加工制造。本专利技术的目的是通过以下技术方案来实现的：提供一种针对于异质材料的同轴送粉系统，其特征在于该系统包括用于粉末的预先配置及暂存的配粉装置、送粉装置、送粉驱动装置、喷粉装置和控制部分，其中配粉装置嵌入在送粉装置内部，配粉装置的落粉口连接送粉装置的粉槽，送粉装置的吸粉嘴连接喷粉装置，送粉驱动装置驱动送粉装置动作，控制部分用于控制配粉装置中粉料的配置及落粉口的通断、送粉驱动装置工作和喷粉装置中粉闸的通断，多种不同材质粉末在配粉装置内按比例均匀混合后通过落粉口进入送粉装置，在载气的作用下，粉末由吸粉嘴通过导管进入喷粉装置完成粉末的输送过程；所述配粉装置包括多组由步进电机、联轴器、螺杆组成的螺旋送粉机构，还包括配粉筒体、粉末汇聚仓、落粉口、注粉孔和配粉筒盖，配粉筒体和配粉筒盖构成密封空间，多组螺旋送粉机构沿圆周方向均匀嵌在配粉筒体的多个上粉仓内，多个上粉仓的下部均连接至粉末汇聚仓，粉末汇聚仓下部开有落粉口，落粉口上设置用于控制落粉量的阀门，该阀门连接控制部分；在每个上粉仓的上部配粉筒盖上相应位置均设有注粉孔；所述步进电机与控制部分电连接，控制部分内加载有配粉程序，所述配粉程序的流程是：根据预先规划好的路径由扫描路径和出粉速度预设单次定比例熔覆送粉量，并实时监控调节各个步进电机的步数，通过调节步进电机预先设定螺杆转速，协同调定下次送粉的粉末配比和用量，并将预先调节的下一扫描路径所需粉末储存在粉末汇聚仓内，在上一路径的粉末还没彻底熔覆完成时预先将粉末送出，当喷粉装置移至下一扫描路径起点时，及时将第二种配比的混合粉末由喷嘴均匀喷出，实现零件的连续熔覆成型。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：本专利技术送粉系统通过配粉装置和送粉装置的相互配合、控制部分预先计算单次扫描路径所需送粉量和前后路径之间的时间间隔以及快速粉闸在两次不同送粉路径间的快速通断并及时处理残留粉末，实现对功能梯度材料的连续熔覆加工，零件一次成型，保证产品的机械性能稳定，加工精度高。控制部分的配粉程序实时调节配粉装置中多组步进电机的转速，将多种粉末按照指定比例混合并储存在粉末汇聚仓内，为不同扫描路径间粉末比例的准确快速切换提供条件。本专利技术中设置光斑调节机构，该机构中采用啮合齿轮组和凸轮、连杆机构的相互配合，能通过手动调节聚焦光束，可以在不拆机的情况下调节聚焦光束的焦距和中空半径，保证系统的真空环境不被破坏并且提高加工效率。同时通过聚焦光路机构中的环镜组和圆弧锥镜的相互配合，在系统工作之前预先由通光通道通入可见光，通过光斑调节机构将光斑调整到合适的焦距和中空半径，通过可见光引导的可视化对焦方式，保证光粉的精确耦合，光束直径略大于粉束直径，既保证了能量的充分利用，又使得粉末能够充分熔化形成熔覆层，使粉末利用率能够达到68％以上。综上，本专利技术送粉系统专门针对于异质材料进行同轴送粉设计，是一种实时可控、熔覆过程连续、送粉比例准确、可进行引导式调节对焦的高精度激光精密增材制造送粉系统。附图说明图1是本专利技术针对于异质材料的同轴送粉系统的三维立体结构示意图；图2是本专利技术配粉装置和送粉装置结构示意图；图3是本专利技术中喷粉装置的结构示意图；图4是本专利技术针对于异质材料的同轴送粉系统的聚焦光路机构311的结构示意图；图5是本专利技术针对于异质材料的同轴送粉系统的光斑调节机构312的立体结构示意图；图6是本专利技术本专利技术针对于异质材料的同轴送粉系统的喷嘴结构示意图；图中：1.送粉装置，2.送粉驱动装置，3.喷粉装置，4.配粉装置；101.转动轴，102.蜗杆，103.蜗轮，104.送粉仓，105.刮板，106.转盘，107.支撑板，108.吸粉嘴，301.喷粉筒盖，302.喷粉筒体，303.喷嘴，304.第一冷却水腔，305.内喷嘴，306.第二冷却水腔，307.喷嘴筒体，308.连接筒体，309.光路汇聚腔，310.支撑架，311.聚焦光路机构，312.光斑调节机构；30301.粉闸气孔，30302.喷嘴基座，30303.喷嘴固定槽，30304.槽轮，30305.一级喷嘴，30306.粉闸，30307.二级喷嘴，30308.紧定圆螺母，30309.保护气筒体，30310.喷嘴固定筒体，30311.保护气孔，30312.入粉口；31101.环镜组，31102.圆弧锥镜；31201.通光通道，31202.啮合齿轮组，31203.凸轮支撑板，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种针对于异质材料的同轴送粉系统，其特征在于该系统包括用于粉末的预先配置及暂存的配粉装置、送粉装置、送粉驱动装置、喷粉装置和控制部分，其中配粉装置嵌入在送粉装置内部，配粉装置的落粉口连接送粉装置的粉槽，送粉装置的吸粉嘴连接喷粉装置，送粉驱动装置驱动送粉装置动作，控制部分用于控制配粉装置中粉料的配置及落粉口的通断、送粉驱动装置工作和喷粉装置中粉闸的通断，多种不同材质粉末在配粉装置内按比例均匀混合后通过落粉口进入送粉装置，在载气的作用下，粉末由吸粉嘴通过导管进入喷粉装置完成粉末的输送过程；所述配粉装置包括多组由步进电机、联轴器、螺杆组成的螺旋送粉机构，还包括配粉筒体、粉末汇聚仓、落粉口、注粉孔和配粉筒盖，配粉筒体和配粉筒盖构成密封空间，多组螺旋送粉机构沿圆周方向均匀嵌在配粉筒体的多个上粉仓内，多个上粉仓的下部均连接至粉末汇聚仓，粉末汇聚仓下部开有落粉口，落粉口上设置用于控制落粉量的阀门，该阀门连接控制部分；在每个上粉仓的上部配粉筒盖上相应位置均设有注粉孔；所述步进电机与控制部分电连接，控制部分内加载有配粉程序，所述配粉程序的流程是：根据预先规划好的路径由扫描路径和出粉速度预设单次定比例熔覆送粉量，并实时监控调节各个步进电机的步数，通过调节步进电机预先设定螺杆转速，协同调定下次送粉的粉末配比和用量，并将预先调节的下一扫描路径所需粉末储存在粉末汇聚仓内，在上一路径的粉末还没彻底熔覆完成时预先将粉末送出，当喷粉装置移至下一扫描路径起点时，及时将第二种配比的混合粉末由喷嘴均匀喷出，实现零件的连续熔覆成型。...

【技术特征摘要】
1.一种针对于异质材料的同轴送粉系统，其特征在于该系统包括用于粉末的预先配置及暂存的配粉装置、送粉装置、送粉驱动装置、喷粉装置和控制部分，其中配粉装置嵌入在送粉装置内部，配粉装置的落粉口连接送粉装置的粉槽，送粉装置的吸粉嘴连接喷粉装置，送粉驱动装置驱动送粉装置动作，控制部分用于控制配粉装置中粉料的配置及落粉口的通断、送粉驱动装置工作和喷粉装置中粉闸的通断，多种不同材质粉末在配粉装置内按比例均匀混合后通过落粉口进入送粉装置，在载气的作用下，粉末由吸粉嘴通过导管进入喷粉装置完成粉末的输送过程；所述配粉装置包括多组由步进电机、联轴器、螺杆组成的螺旋送粉机构，还包括配粉筒体、粉末汇聚仓、落粉口、注粉孔和配粉筒盖，配粉筒体和配粉筒盖构成密封空间，多组螺旋送粉机构沿圆周方向均匀嵌在配粉筒体的多个上粉仓内，多个上粉仓的下部均连接至粉末汇聚仓，粉末汇聚仓下部开有落粉口，落粉口上设置用于控制落粉量的阀门，该阀门连接控制部分；在每个上粉仓的上部配粉筒盖上相应位置均设有注粉孔；所述步进电机与控制部分电连接，控制部分内加载有配粉程序，所述配粉程序的流程是：根据预先规划好的路径由扫描路径和出粉速度预设单次定比例熔覆送粉量，并实时监控调节各个步进电机的步数，通过调节步进电机预先设定螺杆转速，协同调定下次送粉的粉末配比和用量，并将预先调节的下一扫描路径所需粉末储存在粉末汇聚仓内，在上一路径的粉末还没彻底熔覆完成时预先将粉末送出，当喷粉装置移至下一扫描路径起点时，及时将第二种配比的混合粉末由喷嘴均匀喷出，实现零件的连续熔覆成型。2.根据权利要求1所述的针对于异质材料的同轴送粉系统，其特征在于，所述粉末汇聚仓呈漏斗形，步进电机通过联轴器与螺杆连接，螺杆通过深沟球轴承固定在上粉仓上方的配粉筒盖上，螺杆下部位于粉末汇聚仓内，在位于上粉仓的螺杆上及位于粉末汇聚仓的螺杆上均安装有粉刷。3.根据权利要求1所述的针对于异质材料的同轴送粉系统，其特征在于，所述送粉装置包括转动轴、蜗杆、蜗轮、送粉仓、刮板、转盘、支撑板和吸粉嘴，送粉仓内设置支撑板、吸粉嘴和转盘，支撑板、转盘、转动轴同轴安装；支撑板的中心通过深沟球轴承固定在转动轴的上端，在支撑板的下方布置转盘，转盘通过推力球轴承与转动轴同轴过盈配合，且支撑板与转盘之间留有间隙；所述转盘上开有环形粉槽，支撑板的上表面固定支撑吸粉嘴，吸粉嘴内设有垂直吸粉通道，吸粉通道的下方正对转盘上的环形粉槽，与吸粉通道相对的环形粉槽另一侧的上方连接落粉口；在支撑板的下表面对应吸粉通道和落粉口的位置上均设有刮板，刮板与环形粉槽相配合；转动轴的下部通过蜗轮、蜗杆连接送粉驱动装置，蜗轮与转动轴通过键连接安装在转动轴下端。4.根据权利要求1所述的针对于异质材料的同轴送粉系统，其特征在于，所述喷粉装置包括喷粉筒盖、喷粉筒体、喷嘴、内喷嘴、喷嘴筒体、连接筒体、光路汇聚腔、支撑架、聚焦光路机构和光斑调节机构；喷粉筒体的上端连接喷粉筒盖，下端与连接筒体螺纹密封连接，连接筒体的下部与喷嘴筒体螺纹连接，连...

【专利技术属性】
技术研发人员：张争艳，雷焱阳，王颖，唐瑀，楚蓓蓓，杨志文，
申请(专利权)人：河北工业大学，
类型：发明
国别省市：天津,12