專利名稱：一種激光精密微成形送粉方法及其光粉同軸裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及激光加工技術(shù)，具體涉及一種送粉均勻、分辨率高、可控性好、具有廣
適性的激光精密微成形送粉方法及其光粉同軸裝置。
背景技術(shù)：
激光精密微成形或微熔覆，成形零件尺寸小至毫米級(jí)，粉束、激光光斑與熔池尺寸要達(dá)到微米級(jí)，成形材料為微納米金屬粉體(粒徑小于50 i！ m)，送粉微管道或微噴嘴內(nèi)徑要求達(dá)到微米級(jí)，而微納米粉體表面張力大，在微管道中輸送粉體，極易架橋堵塞，輸送不暢，而激光微成形或微熔覆高精度的梯度材料或多層復(fù)合材料的零件，對送粉的準(zhǔn)確性、均勻度、穩(wěn)定性、連續(xù)性及可控性要求更高，且送粉系統(tǒng)應(yīng)具有高的分辨率，對粉體具有廣適性，光束與粉束保持同軸，粉束匯聚性能好，光粉耦合精度高，微噴嘴制造工藝簡單，成本低。 目前，用于激光成形或激光熔覆的送粉技術(shù)主要有偏置送粉和同軸送粉，對于偏置送粉，送粉系統(tǒng)與光束系統(tǒng)相對獨(dú)立，送粉器與噴嘴相對激光光束傾斜安裝，主要有自重式送粉器、螺桿式送粉器、磁力送粉器、霧化式送粉器等，如專利ZL92220906. 5，ZL02290424. 7、ZL200420120300. 5、ZL200720144035. 8等，此類送粉器雖可以輸送微米尺寸的粉體(小于100 ii m)，但不能實(shí)現(xiàn)數(shù)字化自動(dòng)控制，粉體輸送與光路不同軸，光粉耦合性能差，可控性不好，送粉具有方向性，分辨率低，激光成形過程中易造成光粉偏離，成形件質(zhì)量差，精度低，故不適合精密微成形。 對于同軸送粉，國內(nèi)外許多研究人員作了相關(guān)的研究，如美國專利US5418350、US5477026、歐洲專利W02005028151、日本專利JP2005219060、中國專利CN01267740. X、CN200520128123. X、 CN200620026479. 7等公開了多種同軸送粉裝置，其基本結(jié)構(gòu)均采用多層同心錐筒形式，即采用在筒體上圍繞中心光路通道均勻傾斜布置環(huán)形或2 8路送粉通道的結(jié)構(gòu)方案，在同軸送粉基礎(chǔ)上，中國專利CN200510112041. 0、 CN200610024264. 6對反射鏡或聚焦鏡進(jìn)行結(jié)構(gòu)形狀改變，通過光路變換形成錐形無光區(qū)，從光束中心送粉，實(shí)現(xiàn)光粉同軸。與偏置送粉相比，同軸送粉其送粉的準(zhǔn)確性、均勻度、穩(wěn)定性、可控性以及光粉耦合精度得到提高，材料成形精度與質(zhì)量也得到提高。但此類同軸送粉裝置，其送粉方式多采用載氣式，送粉的可控性、連續(xù)性較差，尤其對于微納米粉體(粒徑小于50 ii m)，表面張力大，粉體輸送容易架橋，阻隔通道，即使連續(xù)加壓，亦無明顯效果。因此，這種載氣式送粉不適合微納米粉體的輸送與精密成形要求，而且送粉噴嘴金屬材質(zhì)，機(jī)械加工微米級(jí)內(nèi)孔尺寸，成本高。 中國專利CN01131777. 9、 CN02114474. 5等公開了利用混流器送粉對梯度材料成形，材料的成分與組織可控，但此類專利采用側(cè)向送粉，成形精度與質(zhì)量不高，不適合微納米粉體的精密微成形要求。 因而，目前需要一種送粉均勻、穩(wěn)定、分辨率高、可控性好，具有廣適性，光粉耦合精度高，可激光微成形梯度材料的送粉方法與裝置，尤其是一種適合高精度激光精密微成形的送粉方法與光粉同軸裝置。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種送粉均勻、分辨率
高、可控性好、具有廣適性的激光精密微成形送粉方法及其光粉同軸裝置，該送粉方法及其
光粉同軸裝置可以實(shí)現(xiàn)數(shù)字化自動(dòng)控制，且光粉同軸，光粉耦合精度高，能夠滿足激光微成
形均一材質(zhì)或梯度材料金屬零件的高精度高質(zhì)量要求。 本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的 本發(fā)明的一種激光精密微成形送粉方法采用送粉裝置進(jìn)行壓電驅(qū)動(dòng)送粉，送粉裝置中壓電驅(qū)動(dòng)器的壓電陶瓷上電后，其逆壓電效應(yīng)產(chǎn)生的脈沖慣性力傳導(dǎo)至石英微噴嘴，驅(qū)動(dòng)金屬粉體克服阻力而向前脈沖連續(xù)噴出；壓電驅(qū)動(dòng)器的壓電陶瓷由計(jì)算機(jī)控制工作。
在微成形或微熔覆均一材質(zhì)的金屬零件時(shí)，采用中心單粉管送粉方法，即由送粉裝置垂直送粉，直接由激光器發(fā)射出的、或激光器發(fā)射后通過反射、透射轉(zhuǎn)換得到的平行激光束，通過聚焦反射鏡反射聚焦后投射到工件表面形成聚焦光斑，通過調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)靈活調(diào)節(jié)光斑大小，使光斑適應(yīng)粉束中心位置，光粉充分耦合，成形精度高。 在微成形或微熔覆梯度材料或多層復(fù)合材料的金屬零件時(shí)，采用側(cè)向多路送粉方法，即一組送粉裝置的軸線與光路中心成小于25。的角度沿光筒周圍均勻?qū)ΨQ送粉，計(jì)算機(jī)根據(jù)成形要求，實(shí)時(shí)控制各路送粉獨(dú)立工作或相互配合工作。 本發(fā)明的一種實(shí)現(xiàn)中心單粉管送粉方法的光粉同軸裝置，該光粉同軸裝置包括送粉裝置、噴嘴、聚焦光路系統(tǒng)和激光光斑調(diào)節(jié)裝置，所述的送粉裝置通過定位支撐盤由筒體支撐長側(cè)板和筒體支撐短側(cè)板支撐，筒體支撐長側(cè)板、支撐短側(cè)板內(nèi)側(cè)設(shè)有定位止口 ，方便送粉裝置更換裝卸；所述的聚焦光路系統(tǒng)包括光筒筒座、螺紋活動(dòng)筒和安裝在聚焦反射鏡鏡座上的聚焦反射鏡，通過改變螺紋活動(dòng)筒的螺紋尺寸規(guī)格實(shí)現(xiàn)與不同激光器工作頭的連接，光筒筒座通過筒體支撐短側(cè)板與噴嘴筒座的定位止口精確定位，裝卸方便，直接由激光器發(fā)射出的、或激光器發(fā)射后通過反射、透射等轉(zhuǎn)換得到的平行激光束，通過本發(fā)明的聚焦反射鏡反射聚焦后投射到工件表面形成聚焦光斑；所述的噴嘴包括內(nèi)錐筒、中間錐筒和噴嘴側(cè)擋板，內(nèi)錐筒與噴嘴筒座通過螺紋連接，中間錐筒與內(nèi)錐筒通過錐螺紋連接，裝卸方便，噴嘴內(nèi)外錐筒采用耐高溫材料制成，噴嘴端部面向熔池加工成錐形結(jié)構(gòu)，可以反射激光光束和粉末流，提高激光能量和金屬粉末的利用率；所述的激光光斑調(diào)節(jié)裝置包括調(diào)節(jié)絲杠、螺母和調(diào)節(jié)旋鈕，調(diào)節(jié)絲杠通過套筒與筒體支撐長側(cè)板固連，聚焦反射鏡鏡座通過中間連接塊與螺母連接，旋動(dòng)調(diào)節(jié)旋鈕通過絲杠螺母副傳動(dòng)，改變聚焦反射鏡的位置，從而靈活調(diào)節(jié)激光光斑的直徑與焦距，實(shí)現(xiàn)在筒體噴嘴外直接連續(xù)調(diào)節(jié)光斑直徑的功能；所述的聚焦反射鏡鏡座設(shè)有對聚焦反射鏡進(jìn)行循環(huán)冷卻的第一冷卻水道，噴嘴中間錐筒與側(cè)擋板之間設(shè)有對噴嘴實(shí)施循環(huán)冷卻的第二冷卻水道，噴嘴中間錐筒內(nèi)設(shè)有保護(hù)金屬熔池的保護(hù)氣流通道。本發(fā)明的石英微噴嘴由聚焦反射鏡內(nèi)部穿出，結(jié)構(gòu)緊湊，同軸送粉，光粉充分耦合。
所述的送粉裝置包括壓電驅(qū)動(dòng)器、壓電驅(qū)動(dòng)器夾頭、送粉管、石英微噴嘴、導(dǎo)套、鎖緊螺母、定位套和端蓋螺母，所述定位套與筒體用螺釘固連并通過鎖緊螺母鎖緊；所述的壓電驅(qū)動(dòng)器通過螺釘連接由壓電驅(qū)動(dòng)器夾頭固定支撐，且由擋圈軸向定位，所述的導(dǎo)套外圓柱面加工出螺紋，分別與鎖緊螺母、定位套、壓電驅(qū)動(dòng)器夾頭、端蓋螺母的內(nèi)螺紋配合連接，送粉管與導(dǎo)套內(nèi)孔間隙配合連接，端蓋螺母支撐壓電驅(qū)動(dòng)器及壓電驅(qū)動(dòng)器夾頭結(jié)構(gòu)；所述的石英微噴嘴上端部與導(dǎo)套內(nèi)孔配合連接，且石英微噴嘴通過端蓋螺母內(nèi)孔，由螺釘徑向鎖緊固定，再由聚焦反射鏡內(nèi)孔穿出，實(shí)現(xiàn)軸向?qū)蚝蛷较蚬潭ǎ凰龅亩ㄎ惶咨隙瞬裤姵鏊姆叫?，便于旋?dòng)導(dǎo)套，通過螺紋傳動(dòng)使石英微噴嘴上下移動(dòng)，可以靈活調(diào)節(jié)石英微噴嘴的離焦距離，定位套與夾頭之間，端蓋螺母與聚焦反射鏡之間，送粉管與石英微噴嘴之間均留有合適間隙，便于調(diào)節(jié)石英微噴嘴的離焦距離。 —種實(shí)現(xiàn)側(cè)向多路送粉方法的光粉同軸裝置，該光粉同軸裝置包括一組送粉裝置、聚焦光路系統(tǒng)、噴嘴和激光光斑調(diào)節(jié)裝置，所述聚焦光路系統(tǒng)包括螺紋活動(dòng)筒、光筒筒座和聚焦反射鏡，本發(fā)明中直接由激光器發(fā)射出的、或激光器發(fā)射后通過反射、透射等轉(zhuǎn)換得到的平行激光束，通過聚焦反射鏡聚焦后投射到工件表面形成聚焦光斑；本發(fā)明通過改變螺紋活動(dòng)筒的螺紋尺寸規(guī)格實(shí)現(xiàn)與不同激光器工作頭的連接，光筒筒座與內(nèi)錐筒螺紋連接，旋合內(nèi)錐筒可以調(diào)節(jié)聚焦反射鏡的聚焦光斑直徑大??；所述的一組送粉裝置均布于支承座上，送粉裝置通過定位孔與定位支撐盤固連，支承座設(shè)有使送粉裝置精確定位的定位止口 ，裝卸方便；所述的噴嘴包括內(nèi)錐筒和噴嘴側(cè)擋板，噴嘴內(nèi)外錐筒采用耐高溫材料制成，噴嘴端部面向熔池加工成錐形結(jié)構(gòu)，可以反射激光光束和粉末流，提高激光能量和金屬粉末的利用率；所述內(nèi)錐筒與支撐座之間設(shè)有對聚焦反射鏡與內(nèi)錐筒進(jìn)行循環(huán)冷卻的第一冷卻水道，噴嘴內(nèi)錐筒與側(cè)擋板之間設(shè)有對噴嘴實(shí)施循環(huán)冷卻的第二冷卻水道，噴嘴內(nèi)錐筒內(nèi)設(shè)有保護(hù)金屬熔池的保護(hù)氣流通道。 所述的送粉裝置包括壓電驅(qū)動(dòng)器、壓電驅(qū)動(dòng)器夾頭、送粉管、石英微噴嘴、導(dǎo)套、鎖緊螺母、定位套和端蓋螺母，所述定位套與筒體用螺釘固連并通過鎖緊螺母鎖緊；所述的壓電驅(qū)動(dòng)器通過螺釘連接由壓電驅(qū)動(dòng)器夾頭固定支撐，且由擋圈軸向定位，所述的導(dǎo)套外圓柱面加工出螺紋，分別與鎖緊螺母、定位套、壓電驅(qū)動(dòng)器夾頭、端蓋螺母的內(nèi)螺紋配合連接，送粉管與導(dǎo)套內(nèi)孔間隙配合連接，端蓋螺母支撐壓電驅(qū)動(dòng)器及夾頭結(jié)構(gòu)；所述的石英微噴嘴上端部與導(dǎo)套內(nèi)孔配合連接，且石英微噴嘴通過端蓋螺母內(nèi)孔，由螺釘徑向鎖緊固定；所述的定位套上端部銑出四方形，便于旋動(dòng)導(dǎo)套，通過螺紋傳動(dòng)使石英微噴嘴上下移動(dòng)，可以靈活調(diào)節(jié)石英微噴嘴的離焦距離，定位套與夾頭之間，送粉管與石英微噴嘴之間均留有合適間隙，便于調(diào)節(jié)石英微噴嘴的離焦距離。 本發(fā)明的石英微噴嘴，由石英直管毛坯先通過高溫拉制成形，其端部拉長，外徑與內(nèi)徑逐漸變小，再通過高溫煅制，其端部內(nèi)徑最小尺寸可以控制在20 200iim，而該尺寸直接決定激光微成形時(shí)金屬粉末從微噴嘴噴射出時(shí)的散斑大小。 本發(fā)明在應(yīng)用于激光微成形和微熔覆時(shí)，將待成形金屬零件基板或待熔覆零件置于水平安置的二維數(shù)控工作臺(tái)面上，壓電驅(qū)動(dòng)光粉同軸噴頭與Z軸數(shù)控工作臺(tái)連接，并隨數(shù)控工作臺(tái)上下移動(dòng)、進(jìn)給，三維運(yùn)動(dòng)控制器控制數(shù)控工作臺(tái)移動(dòng)，壓電驅(qū)動(dòng)控制電源直接控制壓電陶瓷工作，從而使同軸噴頭按一定頻率噴出金屬粉末?；诜謱盈B加成形原理，激光精密微成形金屬零件的工作過程是計(jì)算機(jī)控制根據(jù)零件的三維實(shí)體模型進(jìn)行分層處理，得到一系列層片數(shù)據(jù)，進(jìn)行掃描路徑規(guī)劃后，生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)軌跡。計(jì)算機(jī)控制激光器與壓電驅(qū)動(dòng)器工作，激光束照射并聚焦于金屬零件表面，同軸噴頭噴出金屬粉末，匯聚于激光光斑內(nèi)，運(yùn)動(dòng)控制器根據(jù)生成的控制指令控制二維數(shù)控工作臺(tái)按軌跡運(yùn)動(dòng)，進(jìn)行零件直接成形或熔覆堆積成形。成形好一層后，Z軸數(shù)控工作臺(tái)根據(jù)指令上移一定高度，計(jì)算
5機(jī)控制激光器、二維數(shù)控工作臺(tái)、壓電驅(qū)動(dòng)光粉同軸噴頭協(xié)調(diào)工作，再在已成形部分上面熔覆新的層片。如此循環(huán)，直至零件全部成形完成。 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明有如下優(yōu)點(diǎn)(1)采用壓電驅(qū)動(dòng)方法送粉，進(jìn)行數(shù)字化控制，控制波形可選，振幅、頻率連續(xù)可調(diào)，使送粉具有廣適性，且送粉系統(tǒng)、光束系統(tǒng)、工作臺(tái)移動(dòng)控制系統(tǒng)集成控制，使光路系統(tǒng)、送粉裝置與工作臺(tái)協(xié)調(diào)動(dòng)作，以進(jìn)行高精度的三維成形；(2)可采用中心單粉管送粉或側(cè)向多路送粉方法，成形材料的成分與組織可控，可微成形或微熔覆均一材質(zhì)的金屬零件，亦可微成形或微熔覆梯度材料或多層復(fù)合材料的金屬零件，進(jìn)行同軸送粉，匯聚度高，光粉耦合性能好，以適應(yīng)高精度成形要求；(3)壓電驅(qū)動(dòng)送粉裝置的離焦距離、送粉散斑，方便可調(diào)，送粉系統(tǒng)分辨率高，單脈沖噴量可精確到微克量級(jí)，且送粉均勻、穩(wěn)定、連續(xù)，送粉密度符合微成形要求；(4)送粉微噴嘴采用石英材料，高溫拉制再熱煅成形，成本低，微噴嘴內(nèi)徑尺寸可調(diào)，適應(yīng)不同種類、不同物性干粉體的輸送要求；(5)同軸噴嘴多層組合式、端部錐形結(jié)構(gòu)可二次反射光束與粉束；冷卻水道采用組合式結(jié)構(gòu)，拆裝方便；組合式光筒采用螺紋連接，聚焦反射鏡設(shè)有調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，光斑與焦距調(diào)節(jié)方便，以適應(yīng)精密微成形要求。


圖1是本發(fā)明的中心單粉管送粉方法的光粉同軸裝置結(jié)構(gòu)示意 圖2是本發(fā)明中送粉裝置的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖3是本發(fā)明的側(cè)向多路送粉方法的光粉同軸裝置結(jié)構(gòu)示意 圖4是本發(fā)明圖3的旋轉(zhuǎn)剖視結(jié)構(gòu)示意 圖5是本發(fā)明中石英微噴嘴的結(jié)構(gòu)示意 圖6是石英微噴嘴端部結(jié)構(gòu)的局部視圖； 圖7是本發(fā)明在激光微成形和微熔覆中的應(yīng)用實(shí)例示意圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作更進(jìn)一步的說明。 如圖2所示，本發(fā)明的一種激光精密微成形送粉方法，采用送粉裝置2進(jìn)行壓電驅(qū)動(dòng)送粉，送粉裝置2中壓電驅(qū)動(dòng)器26的壓電陶瓷上電后，其逆壓電效應(yīng)產(chǎn)生的脈沖慣性力傳導(dǎo)至石英微噴嘴27，驅(qū)動(dòng)金屬粉體克服阻力而向前脈沖連續(xù)噴出；壓電驅(qū)動(dòng)器26的壓電陶瓷由計(jì)算機(jī)控制工作。 本發(fā)明的一種激光精密微成形送粉方法，根據(jù)金屬粉末的不同成分、均勻度、球形度及粉體成形方法的不同，其石英微噴嘴27噴射粉體的散斑直徑可以控制在100 500 ii m之間，單脈沖噴量可精確到P g量級(jí)；本發(fā)明中的控制波形根據(jù)需要可變，頻率、振幅連續(xù)方便可調(diào)，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化控制，以適應(yīng)激光精密微成形需要。 如圖1所示，在微成形或微熔覆均一材質(zhì)的金屬零件時(shí)，采用中心單粉管送粉方法，即由送粉裝置2垂直送粉，直接由激光器發(fā)射出的、或激光器發(fā)射后通過反射、透射轉(zhuǎn)換得到的平行激光束，通過聚焦反射鏡15反射聚焦后投射到工件表面形成聚焦光斑，通過光斑調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)靈活調(diào)節(jié)光斑大小，使光斑適應(yīng)粉束中心位置，光粉充分耦合，成形精度高。
如圖3所示，在微成形或微熔覆梯度材料或多層復(fù)合材料的金屬零件時(shí)，采用側(cè)向多路送粉方法，即一組送粉裝置2的軸線與光路中心成小于25°的角度沿光筒周圍均勻 對稱送粉，計(jì)算機(jī)根據(jù)成形要求，實(shí)時(shí)控制各路送粉裝置2獨(dú)立工作，也可控制相向?qū)ΨQ的 兩路送粉裝置2同時(shí)輸送同一種金屬粉末。如圖4所示，六路送粉裝置2的軸線分別與光路 中心成20°的角度沿光筒周圍均勻?qū)ΨQ送粉，A、 B兩路、C、 D兩路與E、 F兩路，根據(jù)成形要 求，依次輸送三種金屬粉末，實(shí)現(xiàn)三層復(fù)合材料或梯度材料成形，由光筒上方入射的平行激 光束，沿著噴嘴中心，通過聚焦鏡41聚焦后投射到工件表面形成聚焦光斑，光粉充分耦合，
成形精度高。 如圖1所示，本發(fā)明的一種實(shí)現(xiàn)中心單粉管送粉方法的光粉同軸裝置，該光粉同 軸裝置包括送粉裝置2、噴嘴10、聚焦光路系統(tǒng)和激光光斑調(diào)節(jié)裝置，送粉裝置2通過定位 支撐盤1由筒體支撐長側(cè)板3和筒體支撐短側(cè)板17支撐，筒體支撐長側(cè)板3和支撐短側(cè)板 17內(nèi)側(cè)設(shè)有定位止口，方便送粉裝置2更換裝卸；聚焦光路系統(tǒng)包括光筒筒座13、螺紋活 動(dòng)筒14和安裝在聚焦反射鏡鏡座4上的聚焦反射鏡15，通過改變螺紋活動(dòng)筒14的螺紋尺 寸規(guī)格實(shí)現(xiàn)與不同激光器工作頭的連接，光筒筒座13通過筒體支撐短側(cè)板17與噴嘴筒座 12的定位止口精確定位，裝卸方便，直接由激光器發(fā)射出的、或激光器發(fā)射后通過反射、透 射等轉(zhuǎn)換得到的平行激光束，通過本發(fā)明的聚焦反射鏡15反射聚焦后投射到工件表面形 成聚焦光斑；噴嘴10包括內(nèi)錐筒103、中間錐筒102和噴嘴側(cè)擋板101，內(nèi)錐筒103與噴嘴 筒座12通過螺紋連接，中間錐筒102與內(nèi)錐筒103通過錐螺紋連接，裝卸方便，噴嘴內(nèi)外錐 筒采用耐高溫材料制成，噴嘴端部面向熔池加工成錐形結(jié)構(gòu)，可以反射激光光束和粉末流， 提高激光能量和金屬粉末的利用率；激光光斑調(diào)節(jié)裝置包括調(diào)節(jié)絲杠6、螺母7和調(diào)節(jié)旋鈕 8，調(diào)節(jié)絲杠6通過套筒與筒體支撐長側(cè)板3固連，聚焦反射鏡鏡座4通過中間連接塊5與 螺母7連接，旋動(dòng)調(diào)節(jié)旋鈕8通過絲杠螺母副傳動(dòng)，改變聚焦反射鏡15的位置，從而靈活調(diào) 節(jié)激光光斑的直徑與焦距，實(shí)現(xiàn)在筒體噴嘴外直接連續(xù)調(diào)節(jié)光斑直徑的功能；聚焦反射鏡 鏡座4設(shè)有對聚焦反射鏡15進(jìn)行循環(huán)冷卻的第一冷卻水道16，噴嘴中間錐筒102與側(cè)擋板 101之間設(shè)有對噴嘴實(shí)施循環(huán)冷卻的第二冷卻水道ll，噴嘴中間錐筒102內(nèi)設(shè)有保護(hù)金屬 熔池的保護(hù)氣流通道9。本發(fā)明的石英微噴嘴27由聚焦反射鏡15內(nèi)部穿出，結(jié)構(gòu)緊湊，光 粉充分耦合。 如圖1和2所示，送粉裝置2包括壓電驅(qū)動(dòng)器26、壓電驅(qū)動(dòng)器夾頭25、送粉管22、石 英微噴嘴27、導(dǎo)套21、鎖緊螺母23、定位套24和端蓋螺母28，定位套24與筒體用螺釘固連 并通過鎖緊螺母23鎖緊；壓電驅(qū)動(dòng)器26通過螺釘連接由夾頭25固定支撐，且由擋圈29軸 向定位，導(dǎo)套21外圓柱面加工出螺紋，分別與鎖緊螺母23、定位套24、壓電驅(qū)動(dòng)器夾頭25、 端蓋螺母28的內(nèi)螺紋配合連接，送粉管22與導(dǎo)套21內(nèi)孔間隙配合連接，端蓋螺母28支撐 壓電驅(qū)動(dòng)器26及夾頭25結(jié)構(gòu)；石英微噴嘴27上端部與導(dǎo)套21內(nèi)孔配合連接，且石英微噴 嘴27通過端蓋螺母28內(nèi)孔，由螺釘徑向鎖緊固定，再由聚焦反射鏡15內(nèi)孔穿出，實(shí)現(xiàn)軸向 導(dǎo)向和徑向固定；定位套24上端部銑出四方形，便于旋動(dòng)導(dǎo)套21，通過螺紋傳動(dòng)使石英微 噴嘴27上下移動(dòng)，可以靈活調(diào)節(jié)石英微噴嘴27的離焦距離，定位套24與夾頭25之間，端 蓋螺母28與聚焦反射鏡3之間，送粉管22與石英微噴嘴27之間均留有合適間隙，便于調(diào) 節(jié)石英微噴嘴27的離焦距離。 如圖3和4所示， 一種實(shí)現(xiàn)側(cè)向多路送粉方法的光粉同軸裝置，該光粉同軸裝置包 括一組送粉裝置2、聚焦光路系統(tǒng)、噴嘴和激光光斑調(diào)節(jié)裝置，聚焦光路系統(tǒng)包括螺紋活動(dòng)筒31、光筒筒座32和聚焦反射鏡41，本發(fā)明中直接由激光器發(fā)射出的、或激光器發(fā)射后通 過反射、透射等轉(zhuǎn)換得到的平行激光束，通過聚焦反射鏡41聚焦后投射到工件表面形成聚 焦光斑；本發(fā)明通過改變螺紋活動(dòng)筒31的螺紋尺寸規(guī)格實(shí)現(xiàn)與不同激光器工作頭的連接， 光筒筒座32與內(nèi)錐筒33螺紋連接，旋合內(nèi)錐筒33可以調(diào)節(jié)聚焦反射鏡41的聚焦光斑直 徑大小；一組送粉裝置2均布于支承座35上，送粉裝置2通過定位孔與定位支撐盤34固 連，支承座35設(shè)有使送粉裝置2精確定位的定位止口，裝卸方便；噴嘴包括內(nèi)錐筒36和噴 嘴側(cè)擋板38，噴嘴內(nèi)外錐筒采用耐高溫材料制成，噴嘴端部面向熔池加工成錐形結(jié)構(gòu)，可以 反射激光光束和粉末流，提高激光能量和金屬粉末的利用率；所述內(nèi)錐筒33與支撐座35之 間設(shè)有對聚焦反射鏡41與內(nèi)錐筒33進(jìn)行循環(huán)冷卻的第一冷卻水道40，噴嘴內(nèi)錐筒33與側(cè) 擋板38之間設(shè)有對噴嘴實(shí)施循環(huán)冷卻的第二冷卻水道37，噴嘴內(nèi)錐筒33內(nèi)設(shè)有保護(hù)金屬 熔池的保護(hù)氣流通道39。 如圖2和3所示，送粉裝置2包括壓電驅(qū)動(dòng)器26、壓電驅(qū)動(dòng)器夾頭25、送粉管22、 石英微噴嘴27、導(dǎo)套21、鎖緊螺母23、定位套24和端蓋螺母28，定位套24與筒體用螺釘固 連并通過鎖緊螺母23鎖緊；壓電驅(qū)動(dòng)器26通過螺釘連接由夾頭25固定支撐，且由擋圈29 軸向定位，導(dǎo)套21外圓柱面加工出螺紋，分別與鎖緊螺母23、定位套24、壓電驅(qū)動(dòng)器夾頭 25、端蓋螺母28的內(nèi)螺紋配合連接，送粉管22與導(dǎo)套21內(nèi)孔間隙配合連接，端蓋螺母28 支撐壓電驅(qū)動(dòng)器26及夾頭25結(jié)構(gòu)；石英微噴嘴27上端部與導(dǎo)套21內(nèi)孔配合連接，且石英 微噴嘴27通過端蓋螺母28內(nèi)孔，由螺釘徑向鎖緊固定；定位套24上端部銑出四方形，便于 旋動(dòng)導(dǎo)套21 ，通過螺紋傳動(dòng)使石英微噴嘴27上下移動(dòng)，可以靈活調(diào)節(jié)石英微噴嘴27的離焦 距離，定位套24與夾頭25之間，送粉管22與石英微噴嘴27之間均留有合適間隙，便于調(diào) 節(jié)石英微噴嘴27的離焦距離。 如圖5和6所示，本發(fā)明的石英微噴嘴27，由石英直管毛坯先通過高溫拉制成 形，其端部拉長，外徑與內(nèi)徑逐漸變小，再通過高溫煅制，其端部內(nèi)徑最小尺寸可以控制在 20 200iim，而該尺寸直接決定激光微成形時(shí)金屬粉末從微噴嘴噴射出時(shí)的散斑大小。
圖7為本發(fā)明在激光微成形和微熔覆中的應(yīng)用實(shí)例，將待成形金屬零件基板或待 熔覆零件置于水平安置的二維數(shù)控工作臺(tái)面上，壓電驅(qū)動(dòng)光粉同軸噴頭與Z軸數(shù)控工作臺(tái) 連接，并隨數(shù)控工作臺(tái)上下移動(dòng)、進(jìn)給，三維運(yùn)動(dòng)控制器控制數(shù)控工作臺(tái)移動(dòng)，壓電驅(qū)動(dòng)控 制電源直接控制壓電陶瓷工作，從而使同軸噴頭按一定頻率噴出金屬粉末?；诜謱盈B加 成形原理，激光快速精密微成形金屬零件的工作過程是計(jì)算機(jī)根據(jù)零件的三維實(shí)體模型 進(jìn)行分層處理，得到一系列層片數(shù)據(jù)，進(jìn)行掃描路徑規(guī)劃后，生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)軌跡。計(jì) 算機(jī)控制激光器與壓電驅(qū)動(dòng)器工作，激光束照射并聚焦于金屬零件表面，同軸噴頭噴出金 屬粉末，匯聚于激光光斑內(nèi)，運(yùn)動(dòng)控制器根據(jù)生成的控制指令控制二維數(shù)控工作臺(tái)按軌跡 運(yùn)動(dòng)，進(jìn)行零件直接成形或熔覆堆積成形。成形好一層后，Z軸數(shù)控工作臺(tái)根據(jù)指令上移一 定高度，計(jì)算機(jī)控制激光器、二維數(shù)控工作臺(tái)、壓電驅(qū)動(dòng)光粉同軸噴頭協(xié)調(diào)工作，再在已成 形部分上面熔覆新的層片。如此循環(huán)，直至零件全部成形完成。 以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人 員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng) 視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
一種激光精密微成形送粉方法，其特征在于該方法采用送粉裝置(2)進(jìn)行壓電驅(qū)動(dòng)送粉，送粉裝置(2)中的壓電驅(qū)動(dòng)器(26)的壓電陶瓷上電后，其逆壓電效應(yīng)產(chǎn)生的脈沖慣性力傳導(dǎo)至石英微噴嘴(27)，驅(qū)動(dòng)金屬粉體克服阻力而向前脈沖連續(xù)噴出；壓電驅(qū)動(dòng)器(26)的壓電陶瓷由計(jì)算機(jī)控制工作。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種激光精密微成形送粉方法，其特征在于在微成形或微熔覆均一材質(zhì)的金屬零件時(shí)，采用中心單粉管送粉方法，即由送粉裝置(2)垂直送粉，直接由激光器發(fā)射出的、或激光器發(fā)射后通過反射、透射轉(zhuǎn)換得到的平行激光束，通過聚焦反射鏡反射聚焦后投射到工件表面形成聚焦光斑，通過激光光斑調(diào)節(jié)裝置調(diào)節(jié)光斑大小，使光斑適應(yīng)粉束中心位置，光粉充分耦合。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種激光精密微成形送粉方法，其特征在于在微成形或微熔覆梯度材料或多層復(fù)合材料的金屬零件時(shí)，采用側(cè)向多路送粉方法，即一組送粉裝置(2)的軸線與光路中心成小于25°的角度沿光筒周圍均勻?qū)ΨQ送粉，計(jì)算機(jī)根據(jù)成形要求，實(shí)時(shí)控制各路送粉獨(dú)立工作或相互配合工作。
4. 一種實(shí)現(xiàn)權(quán)利要求2所述的中心單粉管送粉方法的光粉同軸裝置，該光粉同軸裝置包括送粉裝置(2)、噴嘴(10)、聚焦光路系統(tǒng)和激光光斑調(diào)節(jié)裝置，其特征在于所述的送粉裝置(2)由定位支撐盤(1)支撐，送粉裝置(2)包括壓電驅(qū)動(dòng)器(26)、壓電驅(qū)動(dòng)器夾頭(25)、送粉管(22)、石英微噴嘴(27)、導(dǎo)套(21)、鎖緊螺母(23)、定位套(24)和端蓋螺母(28)，所述的壓電驅(qū)動(dòng)器(26)固定在壓電驅(qū)動(dòng)器夾頭(25)上，且由擋圈(29)軸向定位；在導(dǎo)套(21)的外圓柱面設(shè)有螺紋，并通過螺紋分別與鎖緊螺母(23)、定位套(24)、壓電驅(qū)動(dòng)器夾頭(25)、端蓋螺母(28)配合連接，端蓋螺母(28)支撐壓電驅(qū)動(dòng)器(26)及壓電驅(qū)動(dòng)器夾頭(25);所述的石英微噴嘴(27)由端蓋螺母(28)固定，且石英微噴嘴(27)的上端部與導(dǎo)套(21)內(nèi)孔配合連接。
5. —種實(shí)現(xiàn)權(quán)利要求3所述的側(cè)向多路送粉方法的光粉同軸裝置，其特征在于該光粉同軸裝置包括一組送粉裝置(2)、聚焦光路系統(tǒng)、噴嘴和激光光斑調(diào)節(jié)裝置，所述的一組送粉裝置(2)均布于支承座(35)上并與定位支撐盤(34)固連，送粉裝置(2)包括壓電驅(qū)動(dòng)器(26)、壓電驅(qū)動(dòng)器夾頭(25)、送粉管(22)、石英微噴嘴(27)、導(dǎo)套(21)、鎖緊螺母(23)、定位套(24)和端蓋螺母(28);所述的壓電驅(qū)動(dòng)器(26)固定在壓電驅(qū)動(dòng)器夾頭(25)上，且由擋圈(29)軸向定位；在導(dǎo)套(21)的外圓柱面設(shè)有螺紋，并通過螺紋分別與鎖緊螺母(23)、定位套(24)、壓電驅(qū)動(dòng)器夾頭(25)、端蓋螺母(28)配合連接，端蓋螺母(28)支撐壓電驅(qū)動(dòng)器(26)及壓電驅(qū)動(dòng)器夾頭(25);所述的石英微噴嘴(27)由端蓋螺母(28)固定，且石英微噴嘴(27)的上端部與導(dǎo)套(21)內(nèi)孔配合連接。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種激光精密微成形送粉方法及其光粉同軸裝置，本發(fā)明的一種激光精密微成形送粉方法采用送粉裝置進(jìn)行壓電驅(qū)動(dòng)送粉，送粉裝置中壓電驅(qū)動(dòng)器的壓電陶瓷上電后，其逆壓電效應(yīng)產(chǎn)生的脈沖慣性力傳導(dǎo)至石英微噴嘴，驅(qū)動(dòng)金屬粉體克服阻力而向前脈沖連續(xù)噴出；壓電驅(qū)動(dòng)器的壓電陶瓷由計(jì)算機(jī)控制工作。當(dāng)微成形或微熔覆均一材質(zhì)的金屬零件時(shí)，采用中心單粉管送粉方法；當(dāng)微成形或微熔覆梯度材料或多層復(fù)合材料的金屬零件時(shí)，采用側(cè)向多路送粉方法。實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的激光精密微成形送粉方法的光粉同軸裝置，其離焦距離和送粉散斑方便可調(diào)，送粉分辨率高，單脈沖噴量可精確到微克量級(jí)，且送粉均勻、穩(wěn)定、連續(xù)，送粉密度符合微成形要求。
文檔編號(hào)B22F3/105GK101695752SQ20091023337
公開日2010年4月21日 申請日期2009年10月27日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月27日
發(fā)明者劉秀波, 王明娣, 陳書法, 陳勁松, 雷劍波 申請人:淮海工學(xué)院;