開題報告-激光熔覆送粉器設計

畢業(yè)設計(論文)開題報告題目：激光熔覆送粉器設計1畢業(yè)設計（論文）綜述（題目背景、研究意義及國內外相關研究情況）1.1題目背景激光熔覆技術是一項新興的零件加工于表面改性技術。指以不同的填料方式在被涂覆基體表面上放置選擇的涂層材料，經(jīng)激光輻照使之和基體表面一薄層同時熔化，并快速凝固后形成稀釋度極低并與基體材料成冶金結合的表面涂層，具有較低稀釋率、熱影響區(qū)小、與基面形成冶金結合、熔覆件扭曲變形比較小、過程易于實現(xiàn)自動化等優(yōu)點。激光熔覆技術應用到表面處理上,可以極大提高零件表面的硬度、耐磨性、耐腐蝕、耐疲勞等機械性能,可以極大提高材料的使用壽命。同時,還可以用于廢品件的處理,大量節(jié)約加工成本。激光溶覆應用到快速制造金屬零件,所需設備少,可以減少工件制造工序,節(jié)約成本,提高零件質量,廣泛應用于航空、軍事、石油、化工、醫(yī)療器械等各個方面?，F(xiàn)階段激光技術已經(jīng)研究到很高的水平，送粉器是激光熔覆技術技術中的核心元件之一，先進的送粉裝置可以大大提高激光熔覆技術水平。本課題來源于公司下一步所要研發(fā)的科研項目，具有很高的實用價值。2.2研究意義激光熔覆技術，是激光直接快速成形和激光綠色再制造的一種重要方法，它是在快速凝固過程中，通過送粉器向工作區(qū)域添加熔覆材料，利用高能量密度激光束將不同成分和性能的合金快速熔化，直接堆積形成非常致密的金屬零件和在已損壞零件表面形成與零件具有完全相同成分和性能的合金層。通過激光熔覆，可以無需借助刀具和模具就能從CAD文件直接制造出各種復雜的近凈致密金屬零件和在已經(jīng)損壞的零件表面直接進行修復和再制造，以縮短開發(fā)周期，節(jié)約成本，降低能源消耗，在航空航天、武器制造和機械電子等行業(yè)具有良好的應用前景[2]。在激光同步送粉熔覆工藝中，加工質量主要依賴的參數(shù)有：加工速度、粉末單位時間輸送率、激光功率密度分布、光斑直徑和粉末的輸送速度；其中粉末單位時間輸送率和粉末的輸送速度是由送粉器的輸送特性決定的，送粉器是激光熔覆技術中的核心元件之一，它按照加工工藝向激光熔池輸送設定好的粉末。送粉器性能的好壞直接影響熔覆層的質量和加工零件尺寸等，所以開發(fā)高性能的送粉器對激光熔覆加工顯得尤為重要[2]。2.3國內外相關研究情況激光熔覆技術在工業(yè)應用和科學研究中具有重要的應用前景，送粉器的設計和開發(fā)是激光熔覆設備的關鍵技術之一。隨著激光熔覆技術的快速發(fā)展，以及對熔覆層的加工精度和質量要求的提高，國內外相繼研發(fā)了基于不同原理的送粉器。國內激光熔覆的研究始于20世紀70年代初,到20世紀80年代已發(fā)展成為表面工程、摩擦學、應用激光等領域的前沿性課題。進入20世紀90年代后,該領域的科學研究與應用開發(fā)都蓬勃發(fā)展,在工業(yè)上已經(jīng)有了一些實際應用,尤其在軋輥行業(yè)中利用激光熔覆技術對軋輥表面進行改性和修復已成為國內外普遍關注的實際問題。作影響熔覆層質量重要因素之一的送粉技術送粉裝置也受到了越來越多的重視。目前激光熔覆送粉方式主要有2種,即預置粉末法和同步送粉法[1]。預置粉末法是將待熔覆的合金粉末用適當?shù)姆椒A先覆蓋在基材的表面,然后用光束掃描。同步送粉法是通過送粉裝置在激光熔覆的過程中將合金粉末直接送入激光作用區(qū),在激光作用下基材和合金粉末同時熔化,結晶形成合金熔覆層。后一種方法的優(yōu)點是工藝過程簡單,合金材料利用率高,可控性好,容易實現(xiàn)自動化。因此,同步送粉法是激光熔覆技術的首選送粉方法,國內外實際生產(chǎn)中采用較多。同步送粉激光熔覆中合金粉末是由送粉器傳送到激光熔池中的,目前專門應用于該項技術的送粉設備有螺旋式送粉器、轉盤式送粉器、刮板式送粉器、毛細管送粉器、鼓輪式送粉器、自重式送粉器、刮吸式送粉器等。以上這些送粉器都有各自的特點,適合于不同的情況[1]。2本課題研究的主要內容和擬采用的研究方案、研究方法或措施2.1本課題研究的主要內容根據(jù)激光熔覆技術的要求，本題目的主要目的為新型送粉器的研究開發(fā)，要求根據(jù)工藝指標設計送粉器，主要設計內容有粉桶、吸嘴、轉盤、動力源、箱體進氣管及冷卻管道等部分結構設計，送粉器的控制硬件系統(tǒng)設計及選型。2.2研究方案激光熔覆加工根據(jù)材料的供應方式不同分為兩大類：預置粉末法和同步送粉法。同步送粉法工藝過程簡單，合金材料利用率高，可控性好，容易實現(xiàn)自動化，是激光熔覆技術的首選方法，國內外實際生產(chǎn)中采用較多。送粉器的功能是將粉末按照加工工藝要求精確的送入激光熔池，并確保加工過程中，粉末能連續(xù)、均勻、穩(wěn)定地輸送。針對不同類型的粉末要求，目前國內外已經(jīng)研制的送粉器主要可以分為：螺旋式送粉器、轉盤式送粉器、刮板式送粉器、毛細管式送粉器、鼓輪式送粉器等。其工作原理包括：重力場、氣體動力學和機械力學等。2.2.1螺旋式送粉器螺旋式送粉器主要是基于機械力學原理，如圖1所示，它主要由粉末存儲倉斗、螺旋桿、振動器和混合器等組成。工作時，電機帶動螺桿旋轉，使粉末沿著桶壁輸送至混合器，然后混合器中的載流氣體將粉末以流體的方式輸送至加工區(qū)域。為了使粉末充滿螺紋間隙，粉末存儲倉斗底部加有振動器，能提高送粉量的精度。送粉量的大小可以由電機的轉速調節(jié)。這種送粉器能傳送粒度大于15μm的粉末，粉末的輸送速率為10～150g/min。圖2.1螺旋式送粉原理圖2.2.2轉盤式送粉器轉盤式送粉器是基于氣體動力學原理，其結構如2所示，主要由粉斗、粉盤和吸粉嘴組成。粉盤上帶有凹槽，整個裝置處于密閉環(huán)境中，粉末由粉斗通過自身重力落入轉盤凹槽，并且電機帶動粉盤轉動，將粉末運至吸粉嘴，密閉裝置中由進氣管充入保護性氣體，通過氣體壓力將粉末從吸粉嘴處送出，然后在經(jīng)過出粉管到達激光加工區(qū)域。圖2.2轉盤式送粉器原理圖2.2.3刮板式送粉器刮板式送粉器，如圖3所示，它主要由存儲粉末的粉斗、轉盤、刮板、接粉斗等組成。工作時粉末從粉斗經(jīng)過漏粉孔靠自身的重力和載流氣體的壓力流至轉盤，在轉盤上方固定一個與轉盤表面緊密接觸的刮板，當轉盤轉動時，不斷將粉末刮下至接粉斗，在載流氣體作用下，通過送粉管送至\o"激光"激光加工區(qū)域。送粉量大小是通過轉盤的轉速來決定的，通過對轉盤轉速的調節(jié)便可以控制送粉量的大小，同時調節(jié)粉斗和轉盤的高度和漏粉孔的大小，可以使送粉量的調節(jié)達到更寬的范圍。刮板式送粉器適用于顆粒直徑大于20μm的粉末輸送。圖2.3刮板式送粉器原理圖2.2.4毛細管式送粉器這種方法主要是使用一個振動的毛細管來送粉，振動是為了粉末微粒的分離，該送粉器由1個超聲波振蕩器、1個帶貯粉斗的毛細管和1個盛水的容器組成（見圖4）。電源驅動超聲波發(fā)生器產(chǎn)生超聲波，用水來傳送超聲波。粉末存儲在毛細管上面的漏斗里，毛細管在水面下面,下端漏在容器外面，通過產(chǎn)生的振動將粉末打散開，由重力場傳送。送粉顆粒最小直徑約0.4μm。圖2.4毛細管式送粉器2.2.5鼓輪式送粉器鼓輪式送粉器的主要結構如圖5所示，主要有貯粉斗、粉槽和送粉輪組成。粉末從貯粉斗落入下面的粉槽，利用大氣壓強和粉糟內的氣壓維持粉末堆積量在一定范圍內的動態(tài)平衡。鼓輪勻速轉動，其上均勻分布的粉勺不斷從粉槽舀取粉末，又從右側倒出粉末，粉末由于重力從出粉口送出。通過調節(jié)鼓輪的轉速和更換不同大小的粉勺來實現(xiàn)送粉率的控制。圖2.5鼓輪式送粉器2.3研究方案為了滿足獲得較薄熔覆層的需要,本文設計并制作了一種多倉鼓輪可調式送粉器，吸嘴采用同軸線微量式,它具有送粉速度較小且可調、送粉同步均勻、利用率高、穩(wěn)定性好等特點,對激光熔覆技術的實際應用具有一定的實用價值。送粉速度可調送粉同步均勻多倉式粉桶送粉比例可調采用閉環(huán)式控制系統(tǒng)軸線可調式······2.4研究方法及措施分別對所選定的方案進行結構設計、動力系統(tǒng)及控制系統(tǒng)設計、應用三維建模軟件模擬整個送粉器的模擬仿真······3本課題研究的重點及難點，前期已開展工作激光熔覆送粉器設計的重點是：研發(fā)新型的送粉器，要實現(xiàn)粉末的定量化、微量化、同步式自動化、送粉比可調、熔覆速度和送粉速度的智能化匹配等。送粉速度和送粉量要同步與激光器，實現(xiàn)高效率的粉末利用和高質量的熔覆效果。對送粉器多粉桶、鼓輪式微量可調、同軸線吸嘴、質量沉重器和一個閉環(huán)控制系統(tǒng)來實現(xiàn)定量化等。難點是：實現(xiàn)定量化、微量化、同步式自動化、熔覆速度和送粉速度匹配的智能化匹配、對結構的設計、信息的反饋系統(tǒng)及控制系統(tǒng)要求很高，很難達到很高的精度要求。4完成本課題的工作方案及進度計劃（按周次填寫）第1-3周(2013-12-6至2013-12-27)：查閱資料，了解送粉器的工作原理和特點，完成基礎的知識并撰寫開題報告，初步設計工作原理并草繪原理圖；第4-6周(2013-12-28至2014-01-10)：方案論證，深化方案具體設計實施步驟；第7-10周(2014-02-22至2014-03-21)：詳細設計多粉桶、鼓輪式送粉機構、微量可調、同軸線吸嘴、質量沉重器和閉環(huán)系統(tǒng)的相結合。各零件圖及裝配圖的繪制，準備中期答辯；第11-15周(2014-03-22至2014-04-26)：撰寫論文，論文修改，準備終期答辯。5指導教師意見（對課題的深度、廣度及工作量的意見）指導教師：年月日6所在系審查意見：系主管領導：年月日注：1）正文：宋體小四號字，行距20磅，單面打??；其他格式與畢業(yè)論文要求相同。2）開題報告由各系集中歸檔保存。3）開題報告引用參考文獻注釋格式可參照附錄E“畢業(yè)設計（論文）參考文獻樣式”執(zhí)行。不進入正文，可以作為附件放在開題報告后面。參考文獻[1]李朋，楊慧賓，炳春等.激光熔覆同步送粉器的設計與應用[J].表面技術,2007,36(1):81-8.[2]胡曉冬，馬磊，羅鋮.激光熔覆同步送粉器的研究現(xiàn)狀[J].快速成形技術,2011,(9):46-49.[3]張春杰,李娜,趙曉白.帶水冷及導向氣體保護的同軸送粉噴嘴[P].中國專利：ZL200820232093.0,2009-10-21.[4]高士友，咸士玉，譚天宇,尤力.激光熔覆用送粉軸線可調的送粉頭[P].中國專利：ZL200720103041.9,2008-10-08.[5]邱長軍,余金水,周炬,何彬.一種激光側向送粉裝置[P].中國專利：CN202555437U,2012-11-28.[6]陳書法,劉秀波,雷劍波,陳勁松.一種激光精密成形送粉方法及其光粉同軸裝置[P].中國專利：CN101695752A,2010-04-21.[7]邢飛,金璐,張翼飛,李大為.一種激光熔覆多料倉負壓送粉器[P].中國專利：CN102134715A,2010-01-27.[8]石世宏,劉雙,劉秀波,郭開波.一種激光同軸送粉裝置[P].中國專利：CN201574193U,2010-01-09.[9]楊洗陳,王云山,趙新.一種激光涂敷送粉器[P].中國專利：ZL02245663.5,2003-06-11.[10]張健,張慶茂,胡玉,譚小軍,郭亮,劉頌豪.用于激光熔覆加工的同步送粉裝置[P].中國專利：CN103014696A,2012-12-13.[11]蘇英,趙偉,趙海玲,范志杰,高士友.激光熔覆同軸雙路送粉裝置[P].中國專利：CN202272950U,2012-06-13.[12]王維，項坤，范鵬翔等.基于UG的激光熔覆送粉器實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