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1 毕业设计 论文 毕业设计 论文 题 目滚压法实时去除粉末增材制造应力装置设计 姓 名 孙烨哲 学 号 3100611111 专业班级 10 机械制造及其自动化 3 班 指导教师 刘永刚 分 院 机电与能源工程分院 完成日期 2014 年 5 月 14 日 宁波理工学院宁波理工学院 I 摘要 粉末增材制造是一种新的材料加工与表面改性技术 在基底表面上预置或同 步送粉 利用高能激光束使不同材料熔覆在基体表面上 形成与基体成分和性能 不同的合金熔覆层 经过多年的研究开发 目前该项技术己经具有了较高的技术 水平和相当的应用规模 在激光熔覆成形过程中会产生残余应力 严重时会产生裂纹 影响工件质量 本课题的任务是设计一台用滚压法实时去除粉末增材制造应力的装置 以减小成 形过程中的残余应力 内容包括对激光熔覆工作参数进行计算 激光喷嘴的设计 滚压头安装方法和结构设计 以及进给传动机构设计 关键词 激光熔覆成形 残余应力 喷嘴 滚压头 龙门式机床 液压系统 II Abstract Laser cladding is a new material processing and surface modification technology preset on the substrate surface or sync powder feeding the use of high energy laser beam so that the different cladding materials on the substrate surface to form the composition and properties of the matrix with different alloy cladding After years of research and development at present the technology has been with a hightechnical level and the application of considerable scale In laser cladding forming process will produce residual stress and in severe cracks affecting the quality of the workpiece The task of this project is to design a real time using the rolling method to remove the powder material manufacturing increased stress devices to reduce the residual stress in the forming process Including the operating parameters for the calculation of laser cladding laser nozzle design rolling head installation methods and structural design as well as feed drive mechanism design Keyword Laser Cladding Forming Residual Stress Nozzle Rolling head Gantry Machine Hydraulic system III 目录 摘要 I ABSTRACT II 第一章 绪论 1 1 1 激光熔覆成型技术概述 1 1 1 1 激光熔覆成型技术的原理 1 1 1 2 激光熔覆成型技术的特点及应用 1 1 2 激光熔覆成形技术国内外研究现状及发展趋势 2 1 2 1 国外研究现状 2 1 2 2 国内研究现状 3 1 3 本课题研究的意义和内容 3 1 3 1 本课题研究的意义 3 1 3 2 本课题研究的内容 4 第二章 激光熔覆成型工作参数 6 2 1 激光扫描方向路径上的应力分布 6 2 2 不同扫描速度下工件表面路径上的应力分布 6 2 3 扫描轨迹宽度确定 7 第三章 总体设计 8 第四章 喷嘴设计 10 4 1 设计依据 10 4 1 1 喷嘴应具备冷却装置 10 4 1 2 喷嘴应具备良好的汇聚性 11 4 2 结构设计 12 第五章 滚压机构设计 15 5 1 滚压参数设定 15 5 1 1 机构压力值确定 15 5 1 2 滚压球半径确定 15 5 1 3 滚压球与喷嘴距离确定 15 5 2 滚压头设计 16 IV 5 2 1 滚压头材料选择 16 5 2 2 滚压头结构设计 16 5 3 滚压球与喷嘴的位置关系 17 5 4 液压缸选型 18 5 4 1 直线液压缸选型 18 5 4 2 摆动液压缸选型 20 5 4 3 保压回路设计 21 5 5 滚压机构的连接设计 22 第六章 进给传动设计 24 6 1 滚珠丝杠的选型 24 6 2 轴承的选择 27 6 3 直线导轨选型 27 第七章 床身设计 29 总结 30 参考文献 31 附录 33 致谢 34 1 第一章 绪论 1 1 激光熔覆成型技术概述 1 1 1 激光熔覆成型技术的原理 激光熔覆成形技术集激光技术 计算机技术 数控技术 传感器技术及材料 加工技术于一体 是一门多学科交叉的边缘学科和新兴的先进制造技术 该技术 把快速原型制造技术和激光熔覆表面强化技术相结合 利用高能激光束在金属基 体上形成熔池 将通过送粉装置和粉末喷嘴输送到熔池的金属粉末或事先预置于 基体上的涂层熔化 快速凝固后与基体形成冶金结合 根据零件的计算机辅助设 计模型 逐线 逐层堆积材料 直接生成三维近终形金属零件 1 激光熔覆成形系统主要由计算机 粉末输送系统 激光器和数控工作台四部 分组成 其原理如图 1 1 所示 图 1 1 激光熔覆成形系统 1 1 2 激光熔覆成型技术的特点及应用 激光熔覆具有以下显著的特点 不需要高要求的工作环境 由于激光束的高 能密度所产生的近似绝热的快速加热过程 所以激光熔覆对基材的热影响较小 2 从而引起的热变形也相对较小 可以对关键的复杂区域处理 激光熔覆生成的熔 覆层具有平整的外观形貌 致密的微观结构 与基材良好的冶金结合性能以及均 匀的化学组成 通过对激光输入能量的控制 可以将基体材料对熔覆材料的稀释 控制在很低的程度 从而保持原选定熔覆材料的优异性能 激光熔覆技术可在廉 价 易加工的基体材料表面有选择地制备高性能熔覆层 并且熔覆层的厚度不受 限制 还可根据需要进行单层熔覆或多层熔覆 使表层具备梯度功能 2 在材料 利用率 研制周期和总的制造成本方面均优于铸造和锻造技术 是一种优质 节 材 低成本 无污染的先进制造技术 1 2 激光熔覆成形技术国内外研究现状及发展趋势 1 2 1 国外研究现状 激光熔覆技术于上世纪 60 年代提出 在 1976 年诞生了第一项论述高能激光 熔覆的专利 国外在激光熔覆成形技术的研究方面 美国的 Los Alamos 国家实 验室 Sandia 国家实验室 密执安 Michigan 大学和 AeroMet 公司等的工作较具 代表性 3 国外对激光熔覆技术的研究主要体现在以下三个方面 熔覆喷嘴结构的研 究 粉末流流场的研究 熔覆送粉系统智能化的研究 Pan H 等 4 通过建立一个粉末可以是任意形状随机型模型 模拟熔覆送粉 过程 分析了喷嘴结构对粉末运动规律的影响 评价了熔覆效果 并通过实验比 较验证了模型的有效性 Guijun Bi 等 5 设计了一种能够对激光熔覆过程进行实时监测的激光熔覆送 粉喷嘴头 它能够实时显示同轴送粉喷嘴头的温度 能够监测熔池温度 文中作 者利用设计制造的喷嘴头进行了 316L 不锈钢粉末熔覆实验 得到了较好的熔覆 效果 验证了设计的喷嘴的可靠性 Pinkerton Andrew J 等 6 讨论了激光功率与送粉速率对粉末流浓度的影响 通过数学建模模拟熔覆送粉过程 并通过同轴送粉喷嘴进行实验验证 两者吻合 较好 3 1 2 2 国内研究现状 国内近年来也在激光熔覆技术的研究上做出了不少努力并取得了一定的成 果 研究的领域主要是喷嘴结构的研究及粉末流场的研究 很多企业 高校和研 究部门都已开始在成形技术的应用方面和工艺方面开展了研究工作 所以目前已 成为国内外激光表面改性研究的热点 黄延禄等 7 引入经典光学理论建立了光粉相互作用的数学模型 并通过数 值模拟的方法研究了送粉速率对工件表面激光强度分布和不同位置颗粒温度的 影响规律 研究结果表明 随送粉速率的增加 激光强度以及颗粒温度的最高值 都显著降低 同时 激光强度分布和不同位置颗粒温度趋于均匀 张正伟等 8 研制了一种在以激光束通道为中心轴的圆周方向均匀对称分布 四个具有同轴汇聚气的双层送粉管的送粉喷嘴 并利用设计的喷嘴在不锈钢表面 熔覆 Ni25 合金粉末 得到了较好的熔覆效果 董辰辉等 9 利用有限元分析软件对激光熔覆同轴送粉的三维 3D 气流流场 进行数值模拟 研究分析气流流场浓度分布规律 研究结果对同轴送粉喷嘴到熔 覆层的距离参数的选择 喷嘴设计和性能优化具有重要参考价值 1 3 本课题研究的意义和内容 1 3 1 本课题研究的意义 激光熔覆成形以高能激光束作为移动热源 激光快速加热冷却为材料加工提 供了常规手段无法实现的极端非平衡条件 成形件具有非常致密而细小的组织 以及优异的综合性能 但是 局部热产生的热效应会产生一定残余应力并可能发 生形变 这是因为激光束与材料互作用 零件上形成的熔池经过快速加热 熔化 然后再快速冷却 凝固后 必然会产生不均匀热应力和相变应力 引起不均匀塑 性变形而产生残余应力 因为激光熔覆成形过程能量非常集中 熔池和熔池附近区域以远高于其他区 域的速度被急剧加热 并局部熔化 这部分材料因受热而膨胀 而热膨胀受到周 围较冷区域的约束 产生 弹性 热应力 同时 由于受热区域温度升高后屈服极 限下降 部分区域的热应力值会超过其屈服极限 因此 熔池部分会形成塑性的 4 热压缩 冷却后就比周围区域相对缩短 变窄或减小 同时由于熔覆层凝固冷却 时受到基材冷却收缩的约束 从而在熔覆层中形成残余应力 10 残余应力对成形件的对结构刚度 受压杆件稳定性 静载强度 疲劳强度 焊件加工精度和尺寸稳定性和抗应力腐蚀性能等都有产生不利影响 而且严重时 会直接产生裂纹 裂纹产生和扩展以后 会对零件的质量和性能产生影响 破坏 零件的结构 严重的有可能报废零件 因此 要充分发挥激光快速成形技术的优越性 提高成形零件综合质量 研 究激光熔覆成形过程残余应力的形成原理 它的分布以及范围 消除方法具有重 要的现实意义 1 3 2 本课题研究的内容 本课题研究方案是使用适当的压力在成形时去除残余应力 激光熔覆加工同 时在熔池的后方成型过程中加入滚压装置实时除去由于熔池冷却产生的残余应 力 采用滚压法消除应力和变形的方法 用适当的压力滚压焊缝 造成延伸塑性 变形如图 1 2 所示 它与焊接压缩塑性变形完全相等而方向相反 在零件上面就 可以达到既消除应力又消除变形的目的 在焊缝区产生相应延伸塑性变形 用以 补偿焊后残余的压缩塑性变形 图 1 2 滚压法实时消除应力原理示意图 滚压前焊缝的弹性应变为 Es 残余拉伸应力为 RS 焊缝滚压时产生拉伸塑 5 性变形和拉伸塑性应变 Ep 在装置滚压以后剩余的弹性应变为 Es Ep 残余应力 为 E Es Ep 此时 E Es Ep Es 时 焊缝将出现压应力 所以滚压法消除残余应力的原理 焊缝滚压时产生拉伸塑性应变 使最终的残余弹性应变减少 从而降低了残余应 力 6 第二章 激光熔覆成型工作参数 2 1 激光扫描方向路径上的应力分布 如图2 1所示 各个应力的分布曲线特征相似 都是在焊缝中心 熔覆层 出现应力的最大值 并且离焊缝中心越远应力越小 随着距离增大应力减小越快 所以在激光熔覆成型过程中 残余应力的特点有 影响范围小 具有局部性 峰 值区域小等 这符合激光熔覆成型过程快热快冷的特性 在不同方向的应力分布方面 横向应力的峰值低于纵向应力的峰值 由于 熔覆层的宽度有限 激光熔覆过程中沿横向所受的变形阻力相对较小 在平行于 激光扫描方向的纵向方向 随着激光熔覆过程的进行 熔覆层越来越长 因此 在熔覆过程中纵向的变形阻力会比较大 与之对应的纵向的残余应力也会比较 大 实验表明 纵向残余应力是造成熔覆层开裂的主要原因 在实际激光熔覆过 程中出现的裂纹也大多垂直于激光扫描方向 11 图2 1 工作表面路径上的应力分布 2 2 不同扫描速度下工件表面路径上的应力分布 由图2 2可知 扫描速度增大时 熔覆层表面的等效应力峰值也随之增大 当扫描速度为8 mm s 对应的应力峰值约为600 MPa 当扫描速度为10 mm s 对应的应力峰值约为630 MPa 当扫描速度为12 mm s 对应的应力峰值约为680 MPa 并且由可知当扫描速度增大时 相对的热输入量减小 对熔覆层周围的热 7 影响区相对减小 曲线变得更陡 等效应力减小相对更快 因为当扫描速度增大时 零件的加热和冷却速率也会随之增大 零件经历更 加剧烈的快速熔化和冷却过程 导致零件在冷却过程中有更多的塑性变形被保留 下来 由此引发残余应力的增大 这里取扫描速度为10mm s 滚压速度和一般 激光熔覆扫描速度相同 也为10mm s 图2 2 不同扫描速度下工件表面路径上的应力分布 2 3 扫描轨迹宽度确定 由图 2 1 和图 2 2 可知 离焊缝中心 2mm 以内时等效应力较大 距离焊缝越 远等效应力越小 所以滚压轨迹宽度取 4mm 即可 8 第三章 总体设计 快速成型装置为龙门式结构 整机分为床身 龙门架 喷嘴 滚压机构 三 轴进给驱动机构 激光器 送粉器 如图3 1所示 图3 1 滚压装置示意图 现把设计过程中的重点阐述如下 床身是本次设计工作的基础 床身的尺寸设计影响着对整机的设计 而且设 计的合理性直接影响到整机的刚度等 床身的左 右两边安放滚动直线导轨副 我把导轨面设计在床身的两侧 主要是考虑力的传递方向与卸荷问题 因床身会 受到龙门框架的重力和工件的重力 这样的设计可使龙门框架的重力直接传入到 机床的基础上 而床身只受到工件的重力 工作规格设计为长 宽 高 1600 980 350mm 设计进给驱动机构中X轴 Y轴与X轴采用滚珠丝杠副和两根滑动直线导轨传 动 并分别由伺服电动机驱动滚珠丝杠 喷嘴部分设计为同轴送粉喷嘴 它能够将粉末均匀分散后再汇聚成一点送入 聚焦的激光光束中 即粉末流与激光束同轴输出 故能很好地适应扫描方向的变 9 化 其输出的粉流具有激光熔覆技术所需要的各向同性的特点 在生产中可以像 使用一支钢笔那样灵活地使用 滚压机构是本次设计的重点 用滚压球滚压快速成型的焊缝以消除快速成型 热应力 它是一种压力光整加工 是利用金属在常温状态的冷塑性特点 利用滚 压装置对工件的表面施加一定的压力 使工件的表层金属产生塑性流动 使原来 凸出来的地方压平并填入到原始残留的低凹波谷中 从而使工件的表面粗糙度降 低 并消除热内应力 由于被滚压的表层产生塑性变形 使表层组织冷硬化和晶 粒变细 形成致密的纤维状 这样硬度和强度会有一定的提高 也一定程度上改 善了工件表面的耐磨性 耐蚀性和配合性 12 本课题设计的滚压机构是由一个摆 动液压缸 一个直线运动液压缸 一个保压回路和一个万向球构成 10 第四章 喷嘴设计 本课题同轴送粉喷嘴的结构设计基于Haas Nd YAG固体激光器接口进行 激 光器最大功率3KW 激光器焦距为150mm 加工时激光聚焦后的光斑直径约为 3mm 光路系统的简图如图4 1所示 图4 1 激光熔覆光路简图 4 1 设计依据 激光熔覆同轴送粉喷嘴最基本的功能是实现激光光束焦点与粉末汇聚点的 重合 以此为前提 为了获得更好的熔覆效果和更方便操作 孔式送粉喷嘴在结 构上有以下几个设计要点 4 1 1 喷嘴应具备冷却装置 在熔覆加工过程中 喷嘴底部与熔池的距离非常近 喷嘴受到熔池热辐射和 激光反射带来的高热量 喷嘴的工作时间一长 热量累计越来越多 这样一来很 有可能损坏喷嘴 所以 为了防止在连续工作中喷嘴被烧损 这里喷嘴设计需要 加入冷却腔体结构 采用循环水冷的方式进行冷却 循环水冷的最小水流量的计 算如下 11 在激光熔覆加工中 激光的吸收率R约为90 对于激光功率P 3KW的 Nd YAG固体激光器 假设其在输出过程中没有损失且所有未被利用的激光全部 被喷嘴吸收 则其温升的计算过程为 P吸 P 1 R 3000 1 0 9 300W 当喷嘴连续工作时 P吸 t Cp m T 其中 m是质量 Cp是比热 T是温升 t是加工时间 这里m 1 5kg 喷嘴 材料316L不锈钢的密度 7850kg m3 20 时比热Cp 502J kg 根据上述公 式可得 2 5s Cp mT tT P 吸 即约2 5s喷嘴升温1 316L不锈钢的熔点T熔 1450 则若不施加冷却措 施的话 从20 开始升温 1小时左右喷嘴就会被烧损 故喷嘴必须添加冷却装 置 当P吸 t q t 水 10 3 Cp水 T 时 保证喷嘴无明显温升 其中 q ml s 为冷却水流量 Cp水 1000J kg T 为冷却水的温升 为保护水管及密封件 控制水的温升 T 小于30 则 q 1000 10 P ml s CT 水水 吸 即在设计喷嘴用于熔覆加工时 冷却水的最小流量为10ml s时 送粉喷嘴 无明显温升 可保证其长时间连续工作 4 1 2 喷嘴应具备良好的汇聚性 在激光熔覆加工过程中 粉末的汇聚性能会很大程度影响熔覆层的形状以及 它的加工合格性能 而且粉末流汇聚性不好会造成粉末利用率降低 浪费贵重的 金属粉末 增加加工成本 不利于激光熔覆加工的推广及应用 该设计的同轴孔 式送粉喷嘴采用载气式送粉 粉末颗粒依靠载气完成粉末的流化 输送和喷射汇 聚过程 所以粉末从喷嘴喷射出来后的汇聚性能主要受喷嘴结构尺寸和载气流量 大小的影响 对于孔式喷嘴 送粉通道应有好几个 送粉通道的结构和分布形式应能使送 12 粉孔喷射出来的粉末汇聚于一点 使粉末流与激光束同轴输出 并且粉末流的粉 斑大小需要小于激光光斑尺寸 以此达到提高粉末利用率的效果 4 2 结构设计 同轴送粉喷嘴的结构应设有激光束通道 冷却腔和若干个送粉通道 其中冷 却腔是由激光束通道 各送粉通道以及喷嘴芯内壁之间形成的空腔 喷嘴的上端 通有若干个分别连接送粉器和送粉通道的进粉口 与喷嘴冷却腔体连通的出水口 喷嘴的下端通有与送粉通道连通的几个出粉口 与冷却腔体连通的进水口 进水 口外接冷却水 工作时 冷却系统将冷却水由位于喷嘴下端的进水口送入喷嘴 通过冷却腔体冷却以后冷却水从位于喷嘴上端的出水口抽出 并通过外部的冷却 系统回收 激光通道为喷嘴中心位置开设的通孔 通孔选用圆锥形孔 送粉通道为内壁 光滑的通道 通道的孔径从进粉口到出粉口逐渐变小 各送粉通道围绕喷嘴的中 心轴线均匀分布 且各送粉通道沿着出粉方向的延长线汇聚于一点 图4 2 同轴送粉喷嘴粉流简化模型 图4 2中 为送粉通道与喷嘴轴向锥角 r为激光出光口半径 w为出粉口的宽 度 fp1 fp2为粉流上 下焦点处焦距 fL是粉流聚焦焦深 Rf 1 Rf 2分别为粉流 上 下焦点处半径 为出粉口处粉末流发散角 为送粉通道束角 5 13 根据各参数间的几何关系 可以推导出粉末流焦点处半径和焦距与同轴送粉 喷嘴各几何特征参数间的函数关系表达式 1 2 21 11 12 tan 2 2 tan 2 tan 2 tantan tan r 2 tan 2 rw 2 tan tan r tan rw r 2 tan p p Lpp fp fp r f rwrw f rwr fff r Rwf Rwfw 同轴送粉时 粉末流形貌主要由喷嘴的结构包括送粉通道与喷嘴轴向锥角和 激光出光孔半径r 所决定 为保证良好的粉末流束 值不宜大于30 激光出 光口的半径r不能小于激光束的半径 但r也不宜过大 由上式可知r增大 粉末聚 焦焦距fp也增大 因为粉流的发散 导致聚焦半径Rf也增大 出粉口宽度w对粉 未聚焦半径Rf有显著影响 w增大 Rf将显著增大 由经验可知 当环形出粉口 宽度w大于3mm时粉末流束不能实现很好的汇聚 而当其宽度过小 则容易产生 粉末堵塞 故其值取1 3mm为宜 送粉量的变化仅仅影响粉末流的浓度 对粉末 流的形貌没有影响 对粉末流参数Rf fp影响不大 送粉气流量影响喷嘴出处粉 末流速度 喷嘴的几何参数暂时设计如下 进出水孔直径3mm 激光束通道出口半径应 大于激光束半径 但也不宜过大 暂取为2mm 激光束通道内壁与中心轴夹角为 10 送粉通道与中心轴夹角为25 送粉通道出口直径约为1 2mm 喷嘴芯的 外壁厚为3mm 光束通道的壁厚为3mm 送粉通道的壁厚为3mm 喷嘴的送粉通道为内壁光滑的通道 送粉通道的孔径并非上下均匀 而是从 进粉口到出粉口逐渐收缩变小 这样的设计能对粉末起到拘束整流作用 气体载 运的粉末在送粉通道中不断加速 喷射出来后仍能保持较高的挺度 保证喷嘴在 大角度 90 180 倾斜工作时 不会出现明显粉末偏聚现象 提高送粉质量 喷嘴仅保留了送粉通道和激光束通道 其余的腔体 即送粉通道和光束通道之间 的腔体 部分作为通循环冷却水的空心腔体 大大地减轻了整个喷嘴的质量同时 也大大增加了冷却腔的体积 具有非常好的冷却效果 尤其冷却腔体的进水口位 14 于喷嘴下端 能够较好冷却受热辐射影响最大的喷嘴下缘 图4 3 a b 分别为喷嘴沿进出水口和沿送粉通道的剖面结构图 图 中1为送粉通道的进粉口 2为光束通道 3为送粉通道 4为送粉通道的出粉口 5为循环冷却水的进水口 6为循环冷却水的出水口 7为冷却腔体 图4 3 喷嘴剖面图 15 第五章 滚压机构设计 滚压装置应能实现 4 个功能 a 滚压头应能绕喷嘴旋转 180 旋转后位置固定 设计采用摆动液压缸来实 现 b 滚压头应能沿着喷嘴上下运动 以保证在旋转时不施加滚压力 设计采用直 线运动液压缸来实现 c 滚压头在工作时 由于滚压平面的波动 焊缝起伏 因此滚压头所受力能够 在此波动下保持近似恒定 需要恒应力机构 采用一个保压回路来使压力恒定 d 滚压头施加应力应精确可调节 5 1 滚压参数设定 5 1 1 机构压力值确定 从激光快速成型工作参数中知道焊缝的残余应力的平均压强为 600Mpa 应 力 压强 焊缝的面积 假设是一个圆 直径为焊缝的宽度 F P A 600MPa 3 14 1 10 6 1884N 所以滚压焊缝所需的压力值约为 1884N 5 1 2 滚压球半径确定 要使滚压球能完全滚压快速成型的焊缝 滚压球的半径应正比于焊缝距离 半径为焊缝 2 5 倍 本课题取滚压球半径为 10mm 5 1 3 滚压球与喷嘴距离确定 滚压球与喷嘴距离根据熔池尾迹 因为熔池里面的金属是液体 随着喷嘴往 前走 在熔体边缘无法滚压 所以滚压头不能离喷嘴过近 要等到液体冷却成固 体 理想情况是 金属已经变成固体 但是还是在软化点附近 约在熔池后面 800 度左右的位置 根据喷嘴进给速度 10mm s 取喷嘴轴心距离约 60mm 处放置 滚压球 16 5 2 滚压头设计 5 2 1 滚压头材料选择 因为滚压头与熔池非常接近 而且滚压焊缝时焊缝的温度可达 800 度 为了 保证其质量和性质不能产生变化 普通金属等材料不能胜任 本课题滚压球选用 氮化硅陶瓷材料 它是一种超硬物质 本身具有润滑性 并且耐磨损 为原子晶 体 高温时抗氧化 而且它还能抵抗冷热冲击 在空气中加热到 1000 以上 急剧冷却再急剧加热 也不会碎裂 它的莫氏硬度为 9 9 5 维氏硬度约为 2200 显微硬度为 32630MPa 熔点 1900 加压下 并且氮化硅陶瓷材料具有热稳定性高 抗氧化能力强以及产品尺寸精确度高 等优良性能 由于氮化硅是键强高的共价化合物 并且能在空气中形成氧化保护 膜 所以还具有良好的化学稳定性 1200 以下不会被氧化 并且 1200 1600 会生成保护膜可防止进一步氧化 不被铝 锡 黄铜 铅 镍 银等各种熔融金 属或合金浸润或腐蚀 所以用氮化硅陶瓷材料设计滚压球符合本设计的需要 5 2 2 滚压头结构设计 滚压头紧跟在喷嘴后面对焊缝进行滚压 当喷嘴改变方向时 滚压头也需要 随之改变方向 这里选择球体进行滚压 设计成万向球结构 这样球体能 360 度 滚压 不需要再添加机构让滚压头沿着焊缝自转 图 5 1 滚压头结构 17 滚压头为万向球结构设计如图所示 1 连接部件 2 球体壳 3 滚珠 4 密封垫圈 5 滚压球体 5 3 滚压球与喷嘴的位置关系 对于不同的快速成型工艺 其扫描填充方式也不尽相同 本课题设计选用如 图 5 2 所示 Z 字形扫描方式 这样可以大大减少空行程 节省扫描时间 图 5 2 Z 字形扫描方式 针对本课题设计的滚压装置 喷嘴在扫描轨迹图 实现扫描轨迹时 滚压头 在不同位置的工位变化如下 其中 a 是喷嘴 b 是滚压头 1 2 3 4 5 6 图 5 3 扫描时滚压球与喷嘴 喷嘴和滚压头连接在同一主轴上面 开始按 Z 字型扫描 当喷嘴达到最右端 如图 1 所示 如果这时向下扫描 那 ab 之间那一段焊缝将无法滚压 所以这 时需要喷嘴停止工作 然后继续向右前进 ab 的距离 使该条焊缝完全滚压 如 18 图 2 所示 然后将滚压头上的压力卸载 使其绕喷嘴旋转 180 如图 3 所 示 接下来喷嘴运行到原先停止工作的位置如图 4 所示 接着喷嘴开始工作 向下扫描到图 5 位置 由于向下扫描那段距离非常小 滚压效果不明显 况 且如果也加入滚压那需要滚压头旋转一定角度同时喷嘴再次停止工作 这样会很 大程度影响快速成型的效率 所以这一段距离不需要滚压 接下来开始给滚压球 提供向下的压力 同时喷嘴开始向左扫描如图 6 所示 Z 字型往复循环 这 样焊缝基本都能被实时滚压 5 4 液压缸选型 5 4 1 直线液压缸选型 为使滚压球能沿着喷嘴上下运动 以保证在旋转时不施加滚压力 并且能产 生向下的推力滚压焊缝 设计采用能直线运动液压缸来实现 之前计算得到滚压 力值约为 8kN 不需要很大的压力 所以本课题选用轻型拉杆式液压缸 它采用 无缝钢管 根据工作压力不同 可选用不同壁厚的钢管 其内径加工精度高 结 构紧凑 重量轻 安装连接方式多样 且易于变换 具有低速性能好和缓冲性能 稳定的优点 额定工作压力 7 14MPa 广泛应用于机床 轻纺 塑料和农业等机 械设备的液压系统中 根据本设备的行业规范及特点 确定液压系统的额定工作压力 P 7MPa 缸筒内径 当液压缸理论作用力 F 及供油压力 p 已知时 有活塞杆侧筒内径为 D 4F p d2 式中 F 液压缸的推力 N D 液压缸内经 mm P 选定的工作压力 MPa d 活塞杆直径 本设备对液压缸无速比要求 按照 d 0 3 0 5 D 取 d 0 4D F 7536N P 7MPa 19 2 0 16 2 4 p D 0 041 2 图 5 4 拉杆式液压缸性能参数 由图 5 4 取拉杆式液压缸取缸径 50mm 活塞杆直径为 22mm 再考虑油缸效 率 实际值约为理论值的 80 满足滚压球所需压力值 选定行程 安装方式 缸体端部与缸盖的连接形式与工作压力 缸体材料以及工作条件有关 主要 连接形式有法兰连接 螺纹连接 半环连接 a 法兰连接优点 1 结构简单 成本低 2 容易加工 便于装拆 3 强度较大 能承受高压 缺点 1 径向尺寸较大 2 重量相对较大 3 制造成本高 不能快速装配和拆卸 b 螺纹连接优点 1 尺寸较小 2 重量相对较轻 3 制造 使用都简单 缺点 1 结构比较复杂 工艺要求较高 2 容易松动 需要放松装置 20 3 安装和拆卸时需用特定的工具 4 拧端盖时容易损坏密封圈 5 能承受的压力较低 c 半环连接优点 1 工艺性好 2 连接可靠 3 结构紧凑 缺点 1 外观和尺寸较大 2 削弱了缸筒强度 比较各连接形式 本设计中选取法兰连接的形式 其作用力与支承中心处于 同一轴线的工况 其安装方式选择位置有头部 中部或尾部三种 如何选择取决 作用于负载的主要作用力对活塞杆造成压缩 推 应力 还是拉伸 拉 应力 一般压缩 推 应力采用头部 中部法兰安装 拉伸 拉 应力采用尾部 中部 法兰安装 确定采用端部 中部或尾部法兰安装需同时结合系统总体结构设计要 求和长行程压缩 推 力工况的液压缸弯曲稳定性确定 所以选用头部法兰式安 装方法 另外活塞杆采用内螺纹结构 用平键定位 综上所述 选用轻型拉杆式液压缸 WYX0170 L1FA50L70N180 024AA 5 4 2 摆动液压缸选型 由于直线运动液压缸会产生大的压力 再考虑到液压缸和滚压球的重量 所 以需要比较的大的扭矩来使滚压球旋转 液压螺旋摆动缸引是一个装配紧密的配件 它在很小的空间里运用液压集合 了非常高的扭矩 它内部采用组合螺旋齿结构 整个摆动缸在较小的空间内可作 出较大的扭矩 尽管动力很高但是他们仍然可以精确容易地控制 齿轮齿条摆动液压缸原理 扭矩生成和传输是靠一个位于带有齿条的驱动轴 横向位置的齿轮活塞实现的 根据设计 滚柱轴承液压平衡起或支撑起齿轮齿和 活塞的反作用产生的剪力 摆动缸的原理是将直线液压缸的直线往复运动通过齿 条带动齿轮 从而转化为齿轮轴的正向和反向的旋转运动 将直线往复运动缸的 推力转化为齿轮轴的输出扭矩 因为齿轮轴的摆动角度与齿条长度成正比 所以 齿轮轴的摆动旋转角度按照所需进行选择 21 假设轻型拉杆式液压缸重量为 10kg 连接杆和滚压球的质量也有 10kg 则 摆动液压缸负担的力约为 7 8kN 则转矩 负载的力 x 力臂的大小 其中力臂长 度为 0 152m 则转矩为 1185 6N M 由图 5 5 得出选用缸径是 50mm 的单齿条摆 动液压缸 图 5 5 齿条齿轮液压缸技术规格 同上选择法兰连接的形式 确定摆动液压缸型号为 UBFKD50 180 HP05 双平键驱动 5 4 3 保压回路设计 保压回路主要是用在液压回路中 功用是使系统在液压缸不动或因为工件变 形而产生微小位移的情况下能够保持稳定不变的压力 保压性能的两个重要指标 为保压时间和压力稳定性 本装置中滚压头在成型工程中需要运行平稳 滚压杆应能在行程内位置变化 但滚压力近似为恒定值 所以需要加入保压回路 22 图 5 6 自动补油液压回路 采用液控单向阀 3 电接触式压力表 4 的自动补油保压回路 它利用了液控 单向阀结构简单并具有一定保压性能的长处 避开了直接用泵供油保压而大量消 耗功率的缺点 当换向阀 2 右位接人回路时 活塞下降加压 当压力上升到压力 表 4 上限触点调定压力时 电接触式压力表发出电信号 使换向阀 2 中位接人回 路 泵 1 卸荷 液压缸由液控单向阀 3 保压 当压力下降至电接触式压力表 4 下 限触点调定压力时 电接触式压力表发出电信号 使换向阀 2 右位接人回路 泵 I 又向液压缸供油 使压力回升 这种回路的保压时间长 压力稳定性高 液压 泵基本处于卸荷状态 系统功率损失小 5 5 滚压机构的连接设计 如图 5 7 所示 连接板和机床 Z 轴滚珠丝杠和导轨连接 摆动液压缸安装在 连接板上 由连接件 1 连接两个液压缸 摆动液压缸内孔与其通过双平键连接 工作时选择带动另一液压缸 滚压头通过连接件 2 与拉杆式液压缸活塞杆连接 两个液压缸分别连接液压泵 23 图 5 7 滚压机构 24 第六章 进给传动设计 进给传动系统是机床的一个重要组成部分 进给传动系统的性能指标可归纳 为 定位精度要高 响应要快 系统的稳定性要好 在设计上应达到 有高的静 动态刚度 运动副之间的摩擦系数小 传动无间隙 功率大 便于操作和维修 机床的位置调节对进给传动系统提出了很高的要求 其中在静态设计方面 1 能克服摩擦力和负载 2 进给位移量小 3 静态扭转刚度要高 4 可调速范围较大 能够快进和快退 5 进给速度要稳定 不能有快有慢 在低速时 没有爬行的现象 在动态设计方面的要求 1 需要足够的加速和制动转距 以便能快速地启动和制动 2 动态传递性能良好 以保证在加工中获得高的轨迹精度和合适的表面质 量 3 负载说引起的轨迹误差尽可能的小 6 1 滚珠丝杠的选型 在装置床身部分的设计中 滚珠丝杠副的作用是将电机的旋转运动转变为直 线运动 用较小的转矩可以获得很大的推力 滚珠丝杠副的传动应用广泛 在将 旋转运动转变为直线运动的各种机构中 滚珠丝杠副是传动最简单 经济而又可 靠的 因此滚珠丝杠副的选择对整个机床的设计及制造非常重要 滚珠丝杠副的精度是影响机床定位精度的最主要的因素 所以为了机床的设 计合理性 需要合理选用滚珠丝杠副 使其充分发挥作用 以下是对滚珠丝杠副 的选型计算 滚珠丝杠副的导程 Ph 根据电机额定转速和 X 向滑板最大速度 计算丝杠导程 X 向运动的驱动电机选 择松下 MDMA152P1V 电机最高转速为 4500rpm 电机与滚珠丝杆直连 传动比为 1 X 向最大运动速度 25mm s 即 1500mm min 则丝杠导程为 25 mmniVPh34 045001 1500 maxmax 实际取 mmPh10 可满足速度要求 滚珠丝杠副的载荷及转速计算 滚动导轨承重时 滑动摩擦系数为 0 004 静摩擦系数与摩擦系数差别很小 计 算取静摩擦系数为 0 006 则导轨静摩擦力 NfgMF2 108548 91500006 0 00 式中 M 工件和工作台质量 经过计算M约为 1500kg f 导轨滑块密封阻力 按照 4 个滑块计算 每个滑块密封阻力约为 5N 机床在工作时接近匀速 其阻力主要来源于导轨和滑块的摩擦力 maxmin 60 60 25 10150 h nnv Prpm NFFF2 108 0minmax 滚珠丝杠副的当量载荷 maxmin 0 2 108 2 3 m FF FFN 滚珠丝杠副的当量转速 maxmin 150rpm 2 m nn n 滚珠丝杠副预期额定动载荷 1 按滚珠丝杠副的预期运行距离计算 N ff fF P L C ca wm h s am 9993 14684 11 12 108 1010 1025 3 3 3 3 式中 s L 预期运行距离 一般选择 mLs 3 1025 2 按滚珠丝杠副的预加最大轴向负载计算 NFfC eam 94 7292 1087 6 max 式中 e f 预加负荷系数 轻预载时 e f 6 7 26 max F 丝杠副最大载荷 3 按滚珠丝杠副预期的工作时间计算 N ff fF LnC ca wm hmam 06 555 11100 12 108 1500015060 100 60 3 3 式中 m n 转速 60 60 25 10150rpm mh nv P h L 预期工作时间 测试机床选择 15000 小时 负荷系数 平稳且无冲击 w f 1 a f 精度系数 2 级精度 a f 1 c f 可靠性系数 c f 1 估算滚珠丝杠的最大允许轴向变形量 m 1 3 1 4 m 重复定位精度 重复定位精度要求 X 向的运动为 0 005mm 则有 1 4 0 10 00125mm m 估计算滚珠丝杠副的螺纹底 X X 轴向运动距离为 1900mm 那么两个固定支承的最大距离为 1 1 1 2 10 14 1 2 1900 14 102420 h LlPmm 按丝杠安装方式是轴向两端固定 则丝杠螺纹底 X m o m LF d 1000 039 0 2 式中 F0 导轨静摩擦力 F0 108 2N L 滚珠螺母到滚珠丝杠固定端支承的最大距离 L 2420mm 则有 2 108 2 2420 0 03917 85 1000 0 00125 m dmm w f 27 导程精度的选择 根据 X 向运动的定位精度要求达到 0 005mm 1000mm 则任意 300mm 长度的导程 精度为 0 0015mm 确定滚珠丝杠副规格代号 按照丝杠 Ph d2m Cam 选择山东济宁博特精密丝杠制造有限公司的内循环滚珠 丝杆副系列 型号为 GD4010 4 精度等级 2 级 丝杆基本导程 Ph 10mm 取 2 32mm 17 85 m dmm 额定动载荷Ca 34358N Cam 额定静载荷Cam 85824N 6 2 轴承的选择 本装置在载荷的作用方向方面 主要承受径向载荷 所以选用深沟球轴承 因为深沟球轴承主要承受的是径向载荷 并且它也可同时承受径向和轴向载荷 当仅承受径向载荷时 接触角为零 深沟球轴承的摩擦系数很小 极限转速也很 高 根据轴的直径大小 选用深沟球轴承 型号为 6004 GB T 276 1994 6 3 直线导轨选型 机构由丝杠传动 需要给它配备相应的直线导轨 它的作用是用来支撑和引 导运动部件 按给定的方向做往复直线运动 导轨应满足如下要求 精度高 承载能力大 刚度好 摩擦阻力小 运动平 稳 精度保持性好 寿命长等 本装置选用直线滚动导轨 滚动直线滑轨是一种滚动导引 在导轨面之间放 置滚珠 滚柱 滚针等滚动体 使导轨面之间的滑动摩擦转变成滚动摩擦 使得 负载平台能沿着滑轨轻易的以高精度作线性运动 其摩擦系数可降至传统滑动导 引的 1 50 使之能轻易地达到 m 级的定位精度 优点 1 导轨的灵敏度较高 动摩擦与静摩擦系数相差不多 并且运动平 稳 低速移动时不会出现缓慢爬行的现象 2 导轨定位精度较高 并且重复定位精度可达 0 2 m 3 导轨的摩擦阻力小 精度高 移动速度快 磨损较小 缺点 滚动导轨的抗震性能较差 所以对防护要求较高 28 其中 X 轴方向选用 4 根 28 的滚动直线滑轨 Y 方向和 Z 方向分别选用两 根 28 的滚动直线滑轨传动 29 第七章 床身设计 床身框架的设计主要应保证刚度 强度及稳定性 将床身设计为箱体结构 合理设计床身的截面形状及尺寸 采用合理布置的肋板结构可以在较小质量下获 得较高的静刚度和适当的固有频率 床身肋板一般根据床身结构和载荷分布情况 满足床身刚度和抗振性要求 如图 7 1 所示 将工作台安置在框架上面 图 7 1 床身框架 床身框架和前后板 滑板和支撑座 滑块之间都通过螺栓连接 螺栓连接是 属于紧固件连接 它有优点 结构简单 装拆方便 利于检修 施工快捷 可以 增预紧力并且防止松动 不会引起连接处材料成分相变 所以本课题使用大量螺 栓连接床身 使其稳定性得到增强 但它也有缺点 使整体机构的重量增大 连 接处容易发生腐蚀 而且螺栓也容易松动 总装效果如图 7 2 所示 图 7 2 总装效果图 30 总结 本课题研究设计的是在快速成型过程中如何实时去除残余应力的装置 首先 是考虑到激光熔覆成形过程中产生的残余应力会对零件的质量和性能产生影响 然后利用滚压法特性 焊缝滚压时产生拉伸塑性应变 使最终的残余弹性应变减 少 从而降低了残余应力 由于条件不足 本次设计所需的数据都是参考学术文 献 所以在数据方面 例如成型过程中熔覆层表面的等效应力值可能会存在一定 误差 另外由于本装置是建立在快速成型基础上面 该技术目前尚未完全成熟 并且本课题所设计的内容都还局限在理论上面 真正实现的话肯定会遇到很多难 题 需要考虑的东西远远不够 设计的内容也需更多 比如机床部分数控传动 激光器的研究等等 但新的技术都是建立在大胆的猜想上面 所以我觉得本课题 的研究具有一定的意义 所以 今后的目标是将理论与实际结合起来 将正确的 理论应用于实践中 真正发挥理论的价值 31 参考文献 1 宋建丽 李永堂 邓琦林等 激光熔覆成形技术的研究进展 J 机械工程学 报 2010 14 29 39 2 周建忠 刘会霞 激光快速制造技术及应用 M 北京 化学工业出版 社 2009 152 154 3 李晓薇 张春华 张松等 激光熔覆技术的研究进展 J 激光杂志 2007 28 2 1 2 4 Pan H Liou F Numerical