激光立体成形装备介绍(共21页)

1、 目录(ml) TOC o 1-8 h z u HYPERLINK l _Toc364187694 激光(jgung)立体成形装备介绍 PAGEREF _Toc364187694 h 1 HYPERLINK l _Toc364187695 1增材制造、激光立体成形技术国内外研究机构(jgu)及研究现状 PAGEREF _Toc364187695 h 3 HYPERLINK l _Toc364187696 1.1国外研究机构 PAGEREF _Toc364187696 h 3 HYPERLINK l _Toc364187697 1.2 国内研究机构西工大 PAGEREF _Toc36418769

2、7 h 4 HYPERLINK l _Toc364187698 2 西工大激光立体成形实验设备 PAGEREF _Toc364187698 h 6 HYPERLINK l _Toc364187699 2.1激光立体成形技术的原理 PAGEREF _Toc364187699 h 6 HYPERLINK l _Toc364187700 2.2实验系统 PAGEREF _Toc364187700 h 7 HYPERLINK l _Toc364187701 2.2.1送粉装置及其改进 PAGEREF _Toc364187701 h 10 HYPERLINK l _Toc364187702 2.3光内送

3、粉激光熔覆成形实验系统 PAGEREF _Toc364187702 h 11 HYPERLINK l _Toc364187703 2.4全固态柔性激光再制造成形系统 PAGEREF _Toc364187703 h 14 HYPERLINK l _Toc364187704 2.4.1送粉系统 PAGEREF _Toc364187704 h 17 HYPERLINK l _Toc364187705 2.4.2工装卡具 PAGEREF _Toc364187705 h 19 HYPERLINK l _Toc364187706 3. 激光熔覆涡轮叶片 PAGEREF _Toc364187706 h 20

4、 HYPERLINK l _Toc364187707 4. AeroMet公司成形系统 PAGEREF _Toc364187707 h 21 HYPERLINK l _Toc364187708 5. 叠层实体制造设备 PAGEREF _Toc364187708 h 22三维打印成形(chn xn)机典型设备(shbi)介绍(jisho)1增材制造、激光立体成形技术国内外研究机构及研究现状1.1国外研究机构美国国家增材制造创新研究所（NAMII：NationalAdditive Manufacturing Innovation Institute）英国焊接研究所（TWI）南非科技与工业研究院（C

5、SIR）下属的国家激光中心与南非航空制造公司 Aerosud将合作开展 Aeroswift 项目研究。美国波音公司、洛克希德马丁公司、通用电气航空发动机公司、Sandia 国家实验室和 LosAlomos 国家实验室、欧洲 EADS 公司、英国罗罗公司、法国 SAFRAN 公司、意大利 AVIO 公司、加拿大国家研究院、澳大利亚国家科学研究中心等大型公司和国家研究机构都对激光立体成形技术及其在航空航天领域的应用开展了大量研究工作。2002 年 10 月该公司获得美国国防部后勤局（U.S.Defense Logistics Agency）出资 1940 万美元，资助 AeroMet 公司由单纯的

6、技术研究开发到成为军用及民用飞机的通过认证的、性能可靠的钛合金结构件激光立体成形制造供应商的转变。1.2 国内研究(ynji)机构西工大我国在激光立体成形技术领域处于世界先进水平。西北工业大学于 1995 年开始在国内率先提出以获得极高（相当于锻件）性能构件(gujin)为目标的激光立体成形的技术构思，并在迄今 17 年的时间里持续进行了激光立体成形技术的系统化研究工作，形成了包括材料、工艺、装备和应用(yngyng)技术在内的完整的技术体系。针对航空航天等高技术领域对结构件高性能、轻量化、整体化、精密成形技术的迫切需求，开展了钛合金、高温合金、超高强度钢和梯度材料激光立体成形工艺研究，突破结

7、构件的轻质、高刚度、高强度、整体化成形，应力变形与冶金质量控制，成形件组织性能优化等关键技术。激光成形和修复了大量飞机中关键结构件，解决了飞机任务研制过程中迫切需要解决的关键技术难题，为飞机研制与生产提供了有力的技术保障。针对大型钛合金构件的激光立体成形，解决了大型构件变形控制、几何尺寸控制、冶金质量控制、系统装备等方面的一系列难题，并试制成功 C919 大飞机翼肋 TC4 上、下缘条构件，该类零件尺寸达 450mm350mm3000mm，成形后长时间放置后的最大变形量小于 1mm，静载力学性能的稳定性优于 1%，疲劳性能也优于同类锻件的性能。而专用于先进飞机结构件的激光成形修复装备可以修复尺

8、寸达5000mm600mm3000mm 的零件。激光组合制造和成形修复在航空工业中得到广泛应用。该技术的研究和应用还包括大型机械装备关键零件的高性能快速修复和口腔金属植入体的成形和医学临床研究。在激光立体成形工艺装备建设方面取得重大突破，实现我国商用激光立体成形工艺装备制造的零突破。截至 2012 年，西工大向航空航天领域内国家大型企业和研究院所，以及 GE中国研究中心提供了 5 台激光立体成形与修复装备，在领域内形成较大影响力。在激光立体成形装备方面，国内除西工大外，目前没有其他单位提供过商用化激光立体成形装备。目前，西北工业大学已经开发出了系列固定式和移动式激光立体成形工艺装备。针对不同应

9、用特点，分别采用CO2 气体激光器，YAG 固体激光器，光纤激光器和半导体激光器，成形气氛中氧含量可控制在10ppm 以内，具有熔池温度、尺寸和沉积层高度的实时监测和反馈控制系统，配备自主开发的材料送进装置、成形 CAPP/CAM 及集成控制软件，能够实现各种金属材料，包括高活性的钛合金、铝合金和锆合金复杂结构零件的无模具、快速、近净成形以及修复再制造。图 1 显示了西北工业大学所研发的 LSF-V 型激光立体成形与修复再制造商用装备。表 1 比较了目前国际上技术成熟度比较高的商业化激光立体成形装备(zhungbi)的主要特性。可以(ky)看到，西北工业大学所研制的 LSF 系列激光(jgun

10、g)立体成形装备多项指标处于国际领先水平。图 LSF 系列激光立体(lt)成形装备2 西工大激光立体成形(chn xn)实验设备2.1激光(jgung)立体成形技术的原理激光立体成形技术的基本原理是:首先在计算机中生成零件的三维CAD模型,然后将该模型按一定的厚度分层“切片”,即将零件的三维数据信息转换成一系列的二维轮廓信息,然后将分层后的数据进行一定的处理,加入加工参数, 产生数控代码;微机控制下以此控制激光束的扫描方向和速度,采用粘结、熔结、聚合或化学反应等手段逐层有选择地加工原材料,从而快速堆积制作出最终三维实体零件或需进行少量加工的毛坯。图显示了典型的激光立体成形技术加工零件的过程。激

11、光立体成形技术(jsh)的加工示意图2.2实验(shyn)系统本实验(shyn)系统主要由三部分组成,图2.2是本文的实验系统示意图,包括RS一850CO2激光器、LPM一408四轴三联动数控工作台和JPSF一1型高精度可调自动送粉器（或DPSF一1型送粉器）、送粉喷嘴(侧向)、SIEMENS数控软件等，其性能参数见表2.l。激光(jgung)快速成形Rnee,88OT块状试样(sh yn)示意图图 激光快速(kui s)成形系统图 激光快速(kui s)成形系统图 激光(jgung)立体成形同轴送粉示意图根据粉末送进方向与激光束辐照(f zho)方向之间的关系,同步送粉方式主要有两种,即侧向

12、送粉方法(图2一1)及同轴送粉方法(图2一2)。对于激光束与粉末同轴运动的送粉系统,粉末沿一圆锥面以环形落下,激光束位于该圆锥面的中心、轴线上。这样,即使激光束扫描速度的方向发生变化,粉末始终以环形方式被送入熔池,送粉状态不会发生改变,因而涂层各点的粉末堆积厚度和形状能够保持一致,零件的成形精度得到有力的保证。另外,由于同轴送粉方式中粉末流的外围有一层与粉末运动方向平行的惰性气体流,在激光熔池的附近形成一个惰性气体保护气氛,因此涂层的氧化现象相比于传统侧向送粉方式也得到了较大改善。2.2.1送粉装置(zhungzh)及其改进和同轴送粉装置(zhungzh)相比,侧向送粉装置具有结构简单、不受激

13、光光头结构限制、可调性好等优点。因此(ync)本文的主要工作是采用侧向送粉方式进行的。传统的气动送粉系统中由于载粉气体对粉末流强烈的搅拌作用而发散(如图2一3(a)所示),从而致使粉末利用率大大下降,为了避免这个缺点我们将粉末用载粉气体运送至喷嘴后通过一个通道泄掉,粉末依靠自身的重量流出喷嘴;但粉末在流出喷嘴后在重力作用下其运动轨迹将是一条抛物线(如图2一3(b)所示),而且粉末流迅速发散,这对于成形过程的控制而言是非常不利的,同时由于失去了载粉气体对熔池的保护,成形过程中的氧化现象严重,降低了成形试样的性能和成形精度,并且成形过程中产生的金属蒸气和飞溅的金属小液滴容易对激光器的聚焦镜和反射镜

14、造成损伤。针对这些问题,我们在粉末流的外围设计了一组保护气体通道,采用特殊结构的气道对保护气进行整流,外枪体的内腔设计为漏斗形气道,保护气经漏斗形气道整流后平稳流出喷嘴。送粉枪的送粉管穿过整个外枪体内腔并伸出外枪体的端面。为了给喷出送粉喷嘴的保护气施加一个引流作用,外枪体距送粉管出口一端的外圆面车成锥而,这样就可以获得在30mn:足巨离内呈直线运动的粉末流,而且在增加粉末流挺度的同时减小粉末流的发散角,发散角由5.71度减小到2.06度,不仅减小了熔池的氧化问题,并成功的约束住粉末流,有效提高了粉末的利用率,粉木流从喷嘴喷出后呈直线运动,利用率从40%提高到70%,成形零件表面儿乎没有粘粉;并

15、且通过改变特殊结构气道的直径能够在3mm到6mm之间调节获得直径可变的粉末流,从而与激光光斑直径实现很好地匹配。有一点需要特别指出,由于本系统中粉末是依靠其自重流出喷嘴的,因此喷嘴的倾斜角度e(粉末流与水平方向的夹角)对送粉条件有很大影响。粉末输送系统的改进前期实验发现,采用现有送粉枪进行非球形粉的激光快速成形时频频发生堵粉现象,造成加工过程中断,严重影响加工的进度和精度。研究发现,导致该现象的主要原因是非球形粉末流动性较差,现有送粉枪的结构不适用而造成的。对现有送粉枪结构进行了一些改进。首先消除凸台结构,使得粉末能够顺利流出,不会在漏斗和粉末通道接口处发生堆积现象;采用对激光吸收率较低的铜管

16、(吸收率为0.15)代替不锈钢管,降低了管子的温度,因此飞溅的粉末不易于沾到管子前端。同时加大管子直径,这样即使有少量粉末沾附在喷嘴的前端,粉末也会由于自身重量而坍塌,不会发生堵粉。另外,如前所述,原有送粉枪是通过泄气通道泄掉部分载粉气体来达到稳定粉末流的目的的,但原有的送粉枪主要是针对球形粉末特性而设计的,泄气通道大小不可调,泄掉的气体量很大,粉末主要靠自身重力流出,但由于不同性质的粉末所需泄掉的气体流量不同,因而本研究中在保证结构简单的前提下,在原有送粉枪的泄气通道上加了一个可转动的盖子,以调节泄气通道大小。另外,值得一提的是对原有送粉枪的调节机构进行了改进,使得现有喷嘴在调节上更为方便。

17、改进后的送粉枪如图2一3所示。图 凸台示意图图 改进(gijn)后的送粉枪 图 HDHTc4激光快速(kui s)成形试样2.3光内送粉激光(jgung)熔覆成形实验系统本激光熔覆成形系统主要由三部分组成：GS-TFL-10kw 型高功率横流 CO2激光器，基于 PMAC 控制系统的六轴五联动数控激光加工机床，DPSF-2 双管载气送粉器。其结构原理图如下： 激光(jgung)熔覆快速成形系统结构原理图实验(shyn)仪器主要有：武汉金石凯激光技术有限公司(yu xin n s)制造的 GS-TFL-10kw 型高功率横流CO2激光器。激光熔覆快速成形(chn xn)系统(2) 基于(jy)

18、PMAC 控制系统的六轴五联动(lin dn)数控激光加工机床，图 2-4（a），X 方向的最大行程为 1500mm，Y 轴最大行程 800 。其工作台为烟台机床附件厂生产的 TSL400 型立卧回转工作台，台面直径 400 。此数控工作台的重复定位精度为6/10000 。机床所采用的伺服控制卡为 PMAC 卡，它是美国著名的 Delta Tau 公司推出的采用基于先进的数字信号处理技术的第四代传动控制装置，具有响应速度快、精度高、开发周期短、编程和操作简单的特点。在发达国家已广泛应用于机器人，数控机床等需要多轴控制的高精度伺服装置上。本实验所涉及的所有程序均采用 PMAC 语言编写。(3)

19、DPSF 2双管载气送粉器，图 2-4（b），是靠送粉盘定量，载气输送粉末的双筒送粉器，主要由壳体、左右两个储粉筒、送粉传动装置、送粉控制装置和气路系统组成。它可以实现任意方向的粉末输送，粉流的发散小，方向性特别好，可满足快速成形实验的要求。送粉量和粉末流动速度可以通过调节送粉电机转速和载气流量的大小来实现。由于其具有一大一小两个储粉筒，因此可以实现两种不同的粉末同时输送。(4) 激光熔覆快速成形光内同轴送粉喷头，如图 2-4（c）。送粉喷嘴的性能直接影响到成形零件的精度。本实验所采用的送粉喷嘴是粉末居中竖直降落，中空激光束环绕包围粉末，可以大大提高送粉精度和粉末利用率，使得成形零件的精度得到

20、很大的提高，而且光和粉的耦合稳定性较好。其平面示意图如下：图 2-3 同轴送粉喷头(pntu)结构简图1送粉管位置调节(tioji)装置2可调节(tioji)对中粉管系统送粉管3喷头主体部分4斜吹气套5水套6同轴气套7同轴送粉嘴此装置中，送粉管从外部引入到激光光头中心位置，粉末下落方向垂直向下。同轴气套 6 包围同轴送粉嘴 7，保护气对粉末流起到了很好的束紧作用。图2-4（a）数控激光加工机床 （b）双管载气送粉器 （c）送粉喷头(5) 氮气制备机图 2-5 氮气制备机图此外还有：金相显微组织分析仪器及设备；DK7725 慢走丝电火花切割机；MP 2磨抛机； XQ 2B型金相镶嵌机；MH5 型

21、显微硬度计； XTB 1型变倍体视显微镜；高速 CCD；数字化扫描电子显微镜 KYKY EM3200等。2.4全固态柔性(ru xn)激光再制造(zhzo)成形(chn xn)系统全固态激光再制造成形系统从左至右依次为 DLA60100 型 YAG 激光器，配套水冷机，AX-V6 型机器人控制机，AX-V6 型机器人，工作台，PFL-2A 型气动式送粉器。激光器，系统采用的激光器为沈阳大陆激光集团公司生产的全固化固体激光器。水冷机由控温水箱、变频压缩机、盘管式蒸发器、电加热管、工作水泵、循环管路、变频温度控制系统、压力监测及报警系统等组成。图 激光加工(ji gng)头模型图中将激光束模拟处理

22、为一个尖锥，将工具中心直接固定在锥尖上，便于(biny)确定其在加工路径上的位置。图 激光加工头装配(zhungpi)模型由于激光器采用了光纤远距离传输激光束，一方面使得其加工头体积更小更灵活，可以采用机器人这类运动自由度较大的执行运动机构，另一方面也会带来激光束功率损耗的问题。机器人系统机器人系统是指连接于一台控制装置的机器人与悬式示教作业操纵按钮台，以及外围设备的组合系统。机器人系统的结构和连接如下图 3-5 示，其由机器人本体、控制柜、操作盒、悬式示教作业控制盒等组成。机器人系统虚拟(xn)机器人加工系统2.4.1送粉系统(xtng)送粉器为北京工业大学研制(ynzh)的 PFL-2A

23、型双筒送粉器。其采用气相介质负压吸附气体流化的原理将固体粉末颗粒送出，经送粉软管输送至粉末喷嘴。送粉时，通过调节同步电机的电压来控制送粉盘的转速，从而控制送粉量。而载气的流量或压力通过流量计来调整。载气的流量具有下限，流量小于该值会使粉末在吸粉口堆积杜塞，从而造成送粉过程中断。激光同轴送粉喷嘴典型(dinxng)结构改进(gijn)的同轴送粉喷嘴激光熔覆和成形领域现有(xin yu)送粉装置中多采用比较先进的同轴送粉喷嘴。如美国专利(US54183s0 ； US5477026 ； USS961862) 、 欧 洲 专 利 (W02005028151) 、 日 本 专 利(JP200s21906

24、0)等公开了多种同轴送粉头，其基本结构均采用多层同心锥筒形式。在国内也有众多研究者设计和总结了同轴送粉喷嘴及同轴送粉技术。国内外现有同轴送粉技术在送粉方式上均采用在筒体上围绕中心光路通道呈倾斜环形或 2-8 路倾斜送粉通道均匀布置的结构方案，送粉时需均分粉量给各通道，多路粉末相对光束倾斜喷射，并在加工表面汇聚成一点。国内高校中清华大学、华中科技大学、天津工业大学、苏州大学等也都根据不同的使用环境设计了多种同轴送粉喷嘴。图 环形通道同轴送粉喷嘴配置四管同轴送粉器结构(jigu)图 四管同轴喷嘴(pnzu)主体2.4.2工装(n zhun)卡具某些装备零件的激光再制造成形需要借助专用的工装卡具进行

25、固定，或按一定方式进行移动。图是常用的两轴转动变位机，适用于轴类零件的激光再制造成形修复，用于激光平面熔覆成形时没有平台，且余粉易进入卡盘内，故需要采用其它的工装。在激光再制造成形试验研究中，有平板状试样的工件基体，也有轴类零件的修复成形。在侧向送粉式激光再制造成形中，对轴类和转盘类的零件激光成形一般是激光加工头保持静止而工件相对激光光斑旋状运动。在旋转时还需要精确知道其旋转线速度，以便设定加工工艺参数。图 两轴转动(zhun dng)变位机根据以上对工装卡具的要求，本文设计制作了一台简易的试验工装转台，图 3-8 是其外观照片。图中显示一个转盘被夹持在旋转卡盘上进行激光熔覆修复。设计制作的试验工装转台具有相互(xingh)垂直的两个工作台面，手动翻转台架即可使卡