[實用新型]一種不等寬構(gòu)件的激光直接成形裝置

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201320256917.9
• 申請日: 2013-05-13
• 公開（公告）號: CN203227820U
• 公開（公告）日: 2013-10-09
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 朱剛賢;石世宏;傅戈雁;王麗芳
• 申請（專利權(quán)）人: 蘇州大學(xué)
• 主分類號: B22F3/105
• 分類號: B22F3/105;B22F7/02
• 代理公司: 蘇州創(chuàng)元專利商標(biāo)事務(wù)所有限公司 32103
• 代理人: 陶海鋒

技術(shù)領(lǐng)域

本實用新型涉及一種激光加工裝置，具體涉及一種激光直接成形制備三維構(gòu)件的裝置，尤其是通過激光變斑方法直接成形不等寬構(gòu)件的裝置。

背景技術(shù)

激光金屬直接成形技術(shù)是在激光熔覆基礎(chǔ)上，融合快速原型技術(shù)而發(fā)展起來的一種先進(jìn)制造技術(shù)。以“離散－堆積”成形原理為基礎(chǔ)，首先建立加工零件的三維CAD模型，然后將三維模型劃分成一系列的二維平面，并根據(jù)二維平面輪廓規(guī)劃合理的激光掃描路徑，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為數(shù)控工作臺的運(yùn)行指令，最終實現(xiàn)金屬零件的直接成形。與一般的快速成型技術(shù)相比，激光金屬直接成形技術(shù)能夠快速制造出傳統(tǒng)工藝方法難以制造的復(fù)雜金屬零件；實現(xiàn)功能梯度材料的制造；能夠制造全致密及力學(xué)性能優(yōu)異的零件。由于具有以上優(yōu)點(diǎn)，激光金屬直接成形技術(shù)逐漸成為快速成形技術(shù)研究的熱點(diǎn)和發(fā)展趨勢，并在航空航天、汽車船舶和武器裝備等制造領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用。

現(xiàn)有技術(shù)中，對于不等寬構(gòu)件，采用激光金屬直接成形的方法均是通過多道搭接及規(guī)劃掃描路徑下堆積成形的，如附圖1所示，在該圖中，構(gòu)件的最寬部位需4道搭接才能實現(xiàn)。黃衛(wèi)東（激光立體成形—高性能致密金屬零件的快速自由成形[M]，西北工業(yè)大學(xué)出版社，2007年11月）等人指出零件在搭接成形過程中其搭接率的大小直接影響成形表面宏觀平整程度。如果搭接率選擇得不合理將直接導(dǎo)致成形表面宏觀傾斜角度，一旦這種情況發(fā)生，成形表面的尺寸精度將很難保證，嚴(yán)重時甚至?xí)?dǎo)致成形無法進(jìn)行。尚曉峰（金屬粉末激光成形掃描方式[J]，機(jī)械工程學(xué)報,2005,41(7)）等人指出三維零件每一層堆積過程中其成形軌跡是按照一定的掃描路徑成形的，而掃描路徑規(guī)劃問題是激光直接成形工藝中關(guān)鍵步驟，因為它直接影響著零件的成形效率和成形質(zhì)量，所以一直是學(xué)者們關(guān)注的熱點(diǎn)。掃描路徑規(guī)劃不合理不僅會造成效率低下，更會引起內(nèi)部熱應(yīng)力分布不均，造成內(nèi)部成形質(zhì)量較差。且在激光直接成形中由于工藝條件復(fù)雜，成形過程受很多因素的影響，而這些因素將直接影響激光金屬成形的精度和質(zhì)量。所以，在成形中如何簡化這些工藝影響，并能夠提高成形效率及質(zhì)量無疑是激光金屬直接成形領(lǐng)域關(guān)心的關(guān)鍵問題。

發(fā)明內(nèi)容

本實用新型的發(fā)明目的是提供一種不等寬構(gòu)件的激光直接成形裝置，在激光直接成形過程中，通過裝置的改進(jìn)實現(xiàn)光斑大小的變化，從而減少加工中的搭接，避免由于搭接率選擇的不合理而造成的熔覆層內(nèi)部孔洞及表面不平整、多次掃描及多次掃描下路徑規(guī)劃的不合理而造成的冷卻不均勻等缺陷問題。

為達(dá)到上述發(fā)明目的，本實用新型采用的技術(shù)方案是：一種不等寬構(gòu)件的激光直接成形裝置，包括主要由激光器、導(dǎo)光光路、送粉系統(tǒng)構(gòu)成的工作頭，工件臺，傳動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，所述導(dǎo)光光路中設(shè)有聚焦透鏡，導(dǎo)光光路將激光器發(fā)出的激光束傳導(dǎo)至工件臺上的工件待加工處，所述傳動系統(tǒng)控制工作頭和工件臺的相對位置，與所述聚焦透鏡連接，設(shè)置有驅(qū)動裝置，所述驅(qū)動裝置驅(qū)動所述聚焦透鏡使其具有沿光軸方向運(yùn)動的自由度。

進(jìn)一步的技術(shù)方案，所述驅(qū)動裝置由伺服電機(jī)和連接在伺服電機(jī)輸出軸上的將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動的運(yùn)動轉(zhuǎn)換裝置構(gòu)成，所述運(yùn)動轉(zhuǎn)換裝置的直線運(yùn)動輸出端與聚焦透鏡的支架連接。

上述技術(shù)方案中，送粉系統(tǒng)為現(xiàn)有技術(shù)，通常由同軸送粉噴嘴和保護(hù)氣體輸出通道構(gòu)成，送出的粉末位于工件待加工處，由激光束進(jìn)行熔覆成形。

本裝置使用時，包括下列步驟：

(1)用計算機(jī)建立三維成形零件模型，通過軟件對模型進(jìn)行分層處理，獲取零件的輪廓層面信息；

(2)?根據(jù)加工部位的寬度確定熔道尺寸，控制同軸送粉噴嘴的驅(qū)動裝置，根據(jù)熔道尺寸驅(qū)動聚焦透鏡上下運(yùn)動，調(diào)節(jié)激光光斑的大小，并根據(jù)已知的熔道尺寸與工藝參數(shù)的關(guān)系，同步調(diào)節(jié)激光功率、掃描速度及送粉量，進(jìn)行激光成形；采用上述方式一次掃描直接成形出一層不等寬熔道；

(3)完成一層后，提升噴嘴一個分層高度，在已成形的熔覆層上面按照步驟(2)的方法再熔覆新的熔道，循環(huán)操作直至三維零件制造完成。

上述技術(shù)方案中，步驟(1)為現(xiàn)有技術(shù)方法，步驟(2)中，所述的已知的熔道尺寸與工藝參數(shù)的關(guān)系可以預(yù)先通過實驗獲得，在確定熔覆層高度、熔覆用粉末配方后，通過實驗獲取不同熔道寬度與光斑大小、激光功率、掃描速度、送粉量的關(guān)系，以保證變斑前后的光束能量密度及送粉密度保持不變，為后續(xù)工藝參數(shù)的調(diào)節(jié)提供依據(jù)。為保證制備效果，激光光斑應(yīng)可以連續(xù)變化，可調(diào)光斑直徑為0.1mm～10mm。

由于上述技術(shù)方案運(yùn)用，本實用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比具有下列優(yōu)點(diǎn)：