1、工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） iii 高功率激光加工同軸送粉系統(tǒng)設(shè)計(jì)高功率激光加工同軸送粉系統(tǒng)設(shè)計(jì) 目錄目錄 1 緒論.1 1.1 本設(shè)計(jì)研究的目的和意義.1 1.2 本設(shè)計(jì)國內(nèi)外研究歷史與現(xiàn)狀.2 1.3 本設(shè)計(jì)擬解決的關(guān)鍵問題和研究方法.4 2 送粉器的方案設(shè)計(jì).6 2.1 國內(nèi)外送粉器的原理及特性.6 2.2 送粉器的性能比較分析.11 2.4 送粉器主要問題分析.12 2.5 送粉器的方案設(shè)計(jì).13 2.5 氣路設(shè)計(jì).16 2.6 本章小結(jié).19 3 送粉器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).21 3.1 粉輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與計(jì)算.21 3.2 電動的選擇.22 3.3 齒輪齒條的設(shè)計(jì)計(jì)算.22 3.4 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2、.23 3.5 聯(lián)軸器的配置.24 3.6 密封器件的配置.24 4 送粉頭的設(shè)計(jì).25 4.1 激光加工的光路系統(tǒng).25 4.2 激光熔覆的送粉方式.26 4.3 送粉噴嘴的設(shè)計(jì)要求.28 4.4 噴嘴芯的設(shè)計(jì).29 4.3 噴嘴座的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).30 參考文獻(xiàn).32 謝辭.34 附錄.35 工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 1 頁，共 49 頁 1 緒論緒論 激光熔覆的實(shí)驗(yàn)研究始于本世紀(jì) 70 年代，它是通過在基材表面添加熔覆材 料，并利用高能密度的激光束使之基材表面薄層一起熔凝的方法，這種表面改 性技術(shù)自從出現(xiàn)以來，去的了迅速的發(fā)展，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于工業(yè)行業(yè)。近年來， 國際上誕生了一門新興技術(shù)再造

3、技術(shù)，它基于激光熔覆技術(shù)，以激光熔覆技 術(shù)為修復(fù)技術(shù)平臺，加上現(xiàn)代先進(jìn)制造、快速成型等理念，則發(fā)展成為激光再 造技術(shù)。作為激光再造系統(tǒng)的重要組成部分送粉器，送粉量的穩(wěn)定性、均勻性 直接關(guān)系到熔覆層的質(zhì)量。目前，不少科研單位和公司對送粉器進(jìn)行了技術(shù)開 發(fā)，并推出成功的設(shè)備，這些設(shè)備根據(jù)不同的原理可分為重力式、負(fù)壓式等。 這些送粉器往往是針對某些特定的的粉末進(jìn)行開發(fā)設(shè)計(jì)的，普遍存在的問題是： 基于超細(xì)粉末的特殊性質(zhì)，它們對輸送小雨 1um 的超細(xì)粉末無能為力。對這一 問題的研究已成為激光加工領(lǐng)域的熱點(diǎn)。 近年來激光熔作為激光加工技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)一個新的研究與開發(fā)方向，它是通 過不同的添料方式在被熔覆表面

4、機(jī)體上放置被熔覆的涂覆材料。經(jīng)過高密度激 光輻射，使涂覆材料與機(jī)體表面薄層同時(shí)熔化，然而涂層材料很少被機(jī)體稀釋， 基本上可以保持其原有的成分和性質(zhì)不變，且快速凝固后形成稀釋度極低與機(jī) 體形成冶金結(jié)合的表面涂層，從而顯著改善基材表面的耐蝕、耐磨、耐熱、抗 氧化及點(diǎn)起特性的一種新的工藝方法，它是作為一種新的表面改善技術(shù)。 而送粉器作為激光熔覆的關(guān)鍵設(shè)備，其送粉質(zhì)量的好壞直接影響著熔覆效 果，因此，對送粉器的研究是及其重要的。 1.1 本設(shè)計(jì)研究的目的和意義本設(shè)計(jì)研究的目的和意義 隨著激光加工技術(shù)的成熟和發(fā)展，熔覆技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用和深入發(fā)展， 而送粉設(shè)備是又激光熔覆技術(shù)的關(guān)鍵設(shè)備，就必須設(shè)計(jì)出更

5、好的專用送粉設(shè)備 來適應(yīng)激光熔覆技術(shù)的發(fā)展。就目前激光加工業(yè)的實(shí)際應(yīng)用情況來看，這方面 的工作還做的遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，本次設(shè)計(jì)的依據(jù)是建立在激光熔覆技術(shù)的基礎(chǔ)之上的， 工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 2 頁，共 49 頁 根據(jù)任務(wù)書的要求，設(shè)計(jì)的的目的是解決送粉過程中粉粒的均勻性和定量供給 難題，對送粉系統(tǒng)的方案論證并對重力式和負(fù)壓式送粉方式進(jìn)行研究對比，完 成出兩種送粉系統(tǒng)的總圖設(shè)計(jì)。 本課題的研究是為了解決金屬粉末輸送難的問題，實(shí)現(xiàn)均勻送粉和定量送 的目的以及一般送粉過程中粉末的不均勻性、粉末的不暢通、粉末易氧化、易 受潮等一系列問題。可以在一定程度上解決復(fù)雜位置的粉末傳送問題。基于激 光熔覆快速原

6、型技術(shù)，主要通過同軸送粉和激光束耦合，利用 CAD/CAM 技術(shù)， 實(shí)現(xiàn)零件的直接快速制造，因此本課題的研究意義在于將給目前激光加工所需關(guān)鍵設(shè) 備同軸送粉器提供可行性送粉方案，對于工業(yè)大規(guī)模運(yùn)用激光熔覆技術(shù)以及基于 激光熔覆技術(shù)的快速三維制造起技術(shù)支持作用，對于某些激光加工場合有不可 替代的作用。 1.2 本設(shè)計(jì)國內(nèi)外研究歷史與現(xiàn)狀本設(shè)計(jì)國內(nèi)外研究歷史與現(xiàn)狀 激光熔覆技術(shù)的實(shí)驗(yàn)始于本世紀(jì) 70 年代，美國 D.Sgnanmuthu 于 1976 年獲 得了激光熔覆一層金屬于另一層金屬的基體的熔覆方法專利。它綜合了光、電、 機(jī)、電技術(shù)、涉及材料學(xué)、物理學(xué)、自動化技術(shù)等多門學(xué)科。激光熔覆技術(shù)作 為

7、激光激光領(lǐng)域的兩個較為前沿的新技術(shù)，在材料表面強(qiáng)化和修復(fù)領(lǐng)域的良好 效果逐漸為世人所認(rèn)識。其應(yīng)用領(lǐng)域在不斷拓寬，應(yīng)用規(guī)模也在不斷擴(kuò)大，現(xiàn) 在已廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)、通訊、醫(yī)療、軍事、文化教育以及科學(xué)研究等各個 領(lǐng)域。 激光熔覆技術(shù)在工業(yè)應(yīng)用和科學(xué)研究中具有重要的應(yīng)用前景，送粉器的設(shè) 計(jì)和開發(fā)是激光熔覆設(shè)備的關(guān)鍵技術(shù)之一。隨著激光熔覆技術(shù)的快速發(fā)展，以 及對熔覆層的加工精度和質(zhì)量要求的提高，國內(nèi)外相繼研發(fā)了基于不同原理的 送粉器。 B.Grunenwald 和 St.Nowotny 設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)盤式送粉器，是用刮板將轉(zhuǎn) 盤上的粉末推到凹槽內(nèi)，再用載流氣體將粉末輸送走。L. Li 和 W. M. Ste

8、en 設(shè) 計(jì)的螺旋式送粉器，是把螺桿置于料斗的底部，通過螺紋把粉末送到混合器， 再用氣體將粉末輸送出去。Atsusaka 和 Motohiro Urakaw 設(shè)計(jì)的毛細(xì)管式送粉 器，是通過毛細(xì)管的振動來輸送粉末，但是送粉率不可控制。Amit Suri 和 Masayuki Horio 所試驗(yàn)的送粉器，一路氣體對粉末進(jìn)行沸騰使之落入下部管道， 工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 3 頁，共 49 頁 另一路氣體運(yùn)輸降下的顆粒，通過兩路氣流能夠更好地控制送粉量。 在國內(nèi)，陳德善等研制了一種 GL 型輥輪式送粉器，它是一種機(jī)械定量式 送粉器，可以使粉末按著“先定量堆積而后輸出”的基本程序進(jìn)行輸送，送粉量

9、穩(wěn)定，送粉粒度為 320 目以下，送粉進(jìn)度可達(dá)0.5%；閆江松等研制了一種容 積式送粉器，在 200 目 FNi07B 材料輸送的實(shí)驗(yàn)中，送粉量為 040g/min，送 粉誤差為 1.67%；田鳳杰等設(shè)計(jì)的同軸送粉系統(tǒng)，能夠輸送功能梯度材料，在 粉末充分混合后運(yùn)用刮吸式送粉機(jī)構(gòu)將粉末輸送，顆粒度為 100350 目的粉末， 其送粉量為 225g/min，送粉誤差 3%以下；馮立偉等研究的雙料斗載氣式送 粉器，可實(shí)現(xiàn)單料斗運(yùn)粉或雙料斗同時(shí)送粉，且可實(shí)現(xiàn) 2 種粉末的混合輸送， 150 目的 Ni25 與 320 目的 WC 混合粉末輸送試驗(yàn)中，送粉量為 520g/min； 李艷麗等設(shè)計(jì)的螺旋送粉

10、器可實(shí)現(xiàn) 760g/min 的送粉量。 目前國內(nèi)外已經(jīng)研制的送粉器主要可以分為：螺旋式送粉器、轉(zhuǎn)盤式送粉 器、刮板式送粉器、毛細(xì)管式送粉器、鼓輪式送粉器、電磁振動送粉器和沸騰 式送粉器。其工作原理包括：重力場、氣體動力學(xué)和機(jī)械力學(xué)等。幾種送粉器 的原理不同，在實(shí)際應(yīng)用加工中，表現(xiàn)出的優(yōu)缺點(diǎn)也不同。 隨著激光熔覆技術(shù)的快速發(fā)展，送粉器作為熔覆設(shè)備的核心元件之一，也 得到了廣泛的研究。目前，國內(nèi)外對送粉器的研制目標(biāo)是將送粉器工作時(shí)的連 續(xù)性、均勻性、穩(wěn)定性和可控性提高到一個更科學(xué)，更先進(jìn)的水平。對國內(nèi)外 文獻(xiàn)資料的整理和分析可以看出送粉器發(fā)展的特點(diǎn)： （1）多功能化。現(xiàn)有的送粉器基本都能夠?qū)我坏?/p>

11、粉末進(jìn)行連續(xù)送粉，以 后送粉器的發(fā)展向著混合送粉、多方式送粉和高精度方向發(fā)展，目前已先后研 制出多料倉混合的送粉器16，熔覆材料組成及配比連續(xù)可調(diào)的送粉器以及高 度集成帶有信息反饋附件的送粉器等。 （2）微量化。現(xiàn)有的送粉器都是連續(xù)送粉，送粉量都比較大，僅適合大面 積熔覆應(yīng)用和三維快速制造。目前的激光熔覆技術(shù)已經(jīng)開始應(yīng)用于精密熔覆和 微成形，在這種加工過程中，需要對激光熔覆加工區(qū)域進(jìn)行微量輸送，這對送 粉器的性能要求很高。當(dāng)進(jìn)行零件的激光熔覆精密修復(fù)時(shí)，大送粉量的送粉器 根本無法滿足工作的要求。 （3）超細(xì)化。現(xiàn)在的送粉器能夠?qū)^大尺寸粉末，進(jìn)行連續(xù)穩(wěn)定的送粉， 工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第

12、4 頁，共 49 頁 因?yàn)槠淞鲃有院茫子趥鬏敗Ｈ欢瑢τ诔叽缭诤撩准壱韵碌奈⒓?xì)熔覆粉末， 現(xiàn)有送粉器的輸送粉末顆粒比較大，特別是對于有些工件表面的缺陷特別微小 （如小的磨損坑、裂痕、小孔洞和腐蝕坑等）無法滿足加工的要求。 隨著激光技術(shù)的發(fā)展，經(jīng)過多種嘗試，國內(nèi)外已經(jīng)研制出很多類型的送粉 器。一般情況下，較大尺寸的粉末(顆粒直徑100m)流動性較好，易于傳送， 而顆粒直徑較小的粉末(顆粒直徑1m)容易聚團(tuán)和粘滯，流動性較差，通常傳 送這樣尺寸的粉末是非常困難的17，所以，在同步送粉器中，流動性差是超 細(xì)粉末輸送的難點(diǎn)，由于細(xì)粉末的聚團(tuán)和粘滯，而導(dǎo)致送粉不連續(xù)和送粉量不 均勻，得到的熔覆層厚度不

13、均勻、表面質(zhì)量差、嚴(yán)重精密熔覆和微成型的質(zhì)量。 比如對于納米相粉這類超細(xì)粉末在輸送中容易發(fā)生團(tuán)聚，目前的送粉器還沒有 得到很好的解決。所以，對于超細(xì)粉末的輸送和實(shí)現(xiàn)微量輸送將是以后送粉器 研究的重點(diǎn)。并且對于送粉器綜合化的研究，將更有利于實(shí)現(xiàn)激光熔覆加工成 套設(shè)備的集成化和一體化。 1.3 本設(shè)計(jì)擬解決的關(guān)鍵問題和研究方法本設(shè)計(jì)擬解決的關(guān)鍵問題和研究方法 本課題研究重點(diǎn)和難點(diǎn)即在研究并解決影響粉末傳輸過程中影響其均勻性 和穩(wěn)定性的主要因素以及超細(xì)粉末的輸送難題。通過研究分析提出可以使粉末 均勻傳輸和定量傳輸?shù)目尚行苑桨浮?1）關(guān)鍵問題 本課題是要解決在粉末傳送的過程當(dāng)中，保證粉末的穩(wěn)定性和均勻

14、性和超 細(xì)粉末輸送難的問題。 激光熔覆是利用高能激光束輻射基材表面合金層形成熔 池，這一快速熔凝的過程。同時(shí)這一過程又是一個能量、動量、質(zhì)量運(yùn)送的過 程，不僅存在傳熱現(xiàn)象，而且存在對流和質(zhì)量傳遞，這些過程直接影響激光工 藝質(zhì)量以及對工藝參數(shù)的要求、深入了解激光熔池中發(fā)生的傳熱和對流機(jī)理對 于正確運(yùn)用激光熔覆技術(shù)十分重要，通過建立數(shù)學(xué)方程來描述激光熔池中的動 力學(xué)數(shù)理方程，通過建立數(shù)學(xué)模型來分析激光熔池內(nèi)的溫度場，運(yùn)動場。運(yùn)用 粉粒的氣動輸送理論來分析固氣兩相流的復(fù)雜運(yùn)動，它們的速度分布，物料的 運(yùn)動狀態(tài)，動力特。通過研究粉末的再傳送過程中的運(yùn)動規(guī)律，從而確定對送 粉系統(tǒng)的要求，根據(jù)要求，提出送

15、粉方案設(shè)計(jì)同軸送粉頭的結(jié)構(gòu)和尺寸。 工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 5 頁，共 49 頁 2）研究方法 1）文獻(xiàn)研究法 通過搜集查閱有關(guān)激光加工同軸送粉器的文獻(xiàn)，了解激光加工同軸送器的 發(fā)展歷史和現(xiàn)狀。 2）觀察法 通過觀察實(shí)驗(yàn)室的 5kv 橫流二氧化炭氣體激光器及多軸聯(lián)動數(shù)控激光系統(tǒng)， 了解同軸送粉器的主要結(jié)構(gòu)，功能和工作原理。 3）定量分析法 運(yùn)用粉末分散原理，建立數(shù)學(xué)模型，對粉末的運(yùn)動進(jìn)行定量分析。 工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 6 頁，共 49 頁 2 送粉器的方案設(shè)計(jì)送粉器的方案設(shè)計(jì) 激光熔覆技術(shù)在工業(yè)應(yīng)用和科學(xué)研究中具有重要的應(yīng)用前景，送粉器的設(shè) 計(jì)和開發(fā)是激光熔覆設(shè)備的關(guān)鍵技術(shù)之一

16、。隨著激光熔覆技術(shù)的快速發(fā)展，以 及對熔覆層的加工精度和質(zhì)量要求的提高，國內(nèi)外相繼研發(fā)了基于不同原理的 送粉器。 B.Grunenwald 和 St.Nowotny 設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)盤式送粉器，是用刮板將轉(zhuǎn)盤上的 粉末推到凹槽內(nèi)，再用載流氣體將粉末輸送走。L. Li 和 W. M. Steen 設(shè)計(jì)的螺 旋式送粉器5，是把螺桿置于料斗的底部，通過螺紋把粉末送到混合器，再用 氣體將粉末輸送出去。Atsusaka 和 Motohiro Urakaw 設(shè)計(jì)的毛細(xì)管式送粉器， 是通過毛細(xì)管的振動來輸送粉末，但是送粉率不可控制。Amit Suri 和 Masayuki Horio 所試驗(yàn)的送粉器，一路氣體對粉末

17、進(jìn)行沸騰使之落入下部管道， 另一路氣體運(yùn)輸降下的顆粒，通過兩路氣流能夠更好地控制送粉量。 在國內(nèi)，陳德善等研制了一種 GL 型輥輪式送粉器，它是一種機(jī)械定量式 送粉器，可以使粉末按著“先定量堆積而后輸出”的基本程序進(jìn)行輸送，送粉量 穩(wěn)定，送粉粒度為 320 目以下，送粉進(jìn)度可達(dá)0.5%；閆江松等研制了一種容 積式送粉器，在 200 目 FNi07B 材料輸送的實(shí)驗(yàn)中，送粉量為 040g/min，送 粉誤差為 1.67%；田鳳杰等設(shè)計(jì)的同軸送粉系統(tǒng)，能夠輸送功能梯度材料，在 粉末充分混合后運(yùn)用刮吸式送粉機(jī)構(gòu)將粉末輸送，顆粒度為 100350 目的粉末， 其送粉量為 225g/min，送粉誤差 3

18、%以下；馮立偉等研究的雙料斗載氣式送 粉器，可實(shí)現(xiàn)單料斗運(yùn)粉或雙料斗同時(shí)送粉，且可實(shí)現(xiàn) 2 種粉末的混合輸送， 150 目的 Ni25 與 320 目的 WC 混合粉末輸送試驗(yàn)中，送粉量為 520g/min； 李艷麗等設(shè)計(jì)的螺旋送粉器可實(shí)現(xiàn) 760g/min 的送粉量。 2.1 國內(nèi)外送粉器的原理及特性國內(nèi)外送粉器的原理及特性 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 工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 7 頁，共 49 頁 國內(nèi)外已經(jīng)研制的送粉器主要可以分為：螺旋式送粉器、轉(zhuǎn)盤式送粉器、刮板 式送粉器、毛

19、細(xì)管式送粉器、鼓輪式送粉器、電磁振動送粉器和沸騰式送粉器。 其工作原理包括：重力場、氣體動力學(xué)和機(jī)械力學(xué)等。各種送粉器的具體工作 過程如下： 螺旋式送粉器 螺旋式送粉器主要是基于機(jī)械力學(xué)原理，如圖 2.1 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(shí)，電機(jī)帶動螺桿旋轉(zhuǎn)，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(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。這種送粉器能傳送粒 度大于 15m 的粉末，粉末的輸送速率為 10150g/min。 圖 2.1 螺旋式送粉器

20、轉(zhuǎn)盤式送粉器 轉(zhuǎn)盤式送粉器是基于氣體動力學(xué)原理，其結(jié)構(gòu)如 2.2 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(zhuǎn)盤凹槽，并且電機(jī)帶動粉盤轉(zhuǎn)動，將粉末運(yùn)至吸粉嘴，密 閉裝置中由進(jìn)氣管充入保護(hù)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(dá)激光加工區(qū)域。 工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 8 頁，共 49 頁 圖 2.2 轉(zhuǎn)盤式送粉器 刮板式送粉器 刮板式送粉器，如圖 2.3 所示，它主要由存轉(zhuǎn)盤、儲粉末的粉斗、刮板、 接粉斗等組成。工作時(shí)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(zhuǎn)盤，在轉(zhuǎn)盤上方固定一個與轉(zhuǎn)盤表

21、面緊密接觸的刮板，當(dāng)轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動時(shí)， 不斷將粉末刮下至接粉斗，在載流氣體作用下，通過送粉管送至激光加工區(qū)域。 送粉量大小是通過轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)速來決定的，通過對轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)便可以控制送 粉量的大小，同時(shí)調(diào)節(jié)粉斗和轉(zhuǎn)盤的高度和漏粉孔的大小，可以使送粉量的調(diào) 節(jié)達(dá)到更寬的范圍。刮板式送粉器適用于顆粒直徑大于 20m 的粉末輸送。 圖 2.3 刮板式送粉器 毛細(xì)管式送粉器 這種方法主要是使用一個振動的毛細(xì)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(xì)管和 1 個盛水的容器 組成（見圖 2.4） 。電源驅(qū)動超聲波發(fā)生器產(chǎn)生超聲波，用水來傳送超聲波。粉 工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)

22、（論文） 第 9 頁，共 49 頁 末存儲在毛細(xì)管上面的漏斗里，毛細(xì)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 0.4m。 圖 2.4 毛細(xì)管式送粉器 鼓輪式送粉器 鼓輪式送粉器的主要結(jié)構(gòu)如圖 2.5 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(qiáng)和粉糟內(nèi)的氣壓維持粉末堆 積量在一定范圍內(nèi)的動態(tài)平衡。鼓輪勻速轉(zhuǎn)動，其上均勻分布的粉勺不斷從粉 槽舀取粉末，又從右側(cè)倒出粉末，粉末由于重力從出粉口送出。通過調(diào)節(jié)鼓輪 的轉(zhuǎn)速和更換不同大小的粉勺來實(shí)現(xiàn)送粉率的控制。 圖 2.5 鼓輪式送粉器 工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）

23、第 10 頁，共 49 頁 沸騰式送粉器 沸騰式送粉器用氣流將粉末流化或達(dá)到臨界流化，由氣體將這些流化或臨 界流化的粉末吹送運(yùn)輸?shù)囊环N送粉裝置（見圖 2.6） 。底部和上部的兩個進(jìn)氣道 使粉末流化或達(dá)到臨界流化。中部的載流氣體將流化的粉末送出。沸騰式送粉 器能使氣體與粉末混合均勻，不易發(fā)生堵塞；送粉量大小由氣體調(diào)節(jié)，可靠方 便；并且不像刮吸式與螺旋式等機(jī)械式送粉器，粉末輸送過程中與送粉器內(nèi)部 發(fā)生機(jī)械擠壓和摩擦容易發(fā)生粉末堵塞現(xiàn)象，造成送粉量的不穩(wěn)定。 圖 2.6 沸騰式送粉器 電磁振動送粉器 電磁振動送粉器的原理圖如圖 2.6 所示，在電磁振動器的推動下，阻分器 振動，儲藏在貯粉倉內(nèi)的粉末沿

24、著螺旋槽逐漸上升到出粉口，由氣流送出。阻 分器還有阻止粉末分離的作用。電磁振動器實(shí)質(zhì)上是一塊電磁鐵，通過調(diào)節(jié)電 磁鐵線圈電壓的頻率和大小就可實(shí)現(xiàn)送粉率的控制。 圖 2.7 電磁振動送粉器 工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 11 頁，共 49 頁 2.2 送粉器的性能比較分析送粉器的性能比較分析 （1）螺旋式送粉器：這種送粉器比較適合小顆粒粉末輸送,工作中輸送均 勻，連續(xù)性和穩(wěn)定性高，并且這種送粉方式，對粉末的干濕度沒有要求，可以 輸送稍微潮濕的粉末。但是不適用于大顆粒粉末的輸送，容易堵塞。由于是靠 螺紋的間隙送粉，送粉量不能太小，所以很難實(shí)現(xiàn)精密激光熔覆加工中所要求 的微量送粉，并且不適合輸送不同

25、材料的粉末。 （2）轉(zhuǎn)盤式送粉器：是基于氣體動力學(xué)原理，通入的氣體作為載流氣體進(jìn) 行粉末輸送，這種送粉器適合球形粉末的輸送，并且不同材料的粉末可以混合 輸送，最小粉末輸送率可 1g/min。但是對其他形狀的粉末輸送效果不好，工作 時(shí)送粉率不可控，并且對粉末的干燥程度要求高，稍微潮濕的粉末，會使送粉 的連續(xù)性和均勻性降低。 （3）刮板式送粉器：對于顆粒較大的粉末流動性好，易于傳輸。但在輸送 顆粒較小的粉末時(shí)，容易團(tuán)聚，流動性較差，送粉的連續(xù)性和均勻性差，容易 造成出粉管口堵塞。 （4）毛細(xì)管送粉器：這種送粉器能輸送的粉末直徑大于 0.4m。粉末輸送 率可以達(dá)到1g/min。能夠在一定程度上實(shí)現(xiàn)精

26、密熔覆中要求的微量送粉，但是 它是靠自身的重力輸送粉末，必須是干燥的粉末，否則容易堵塞，送粉的重復(fù) 性和穩(wěn)定性差，對于不規(guī)則的粉末輸送，輸送時(shí)在毛細(xì)管中容易堵，所以只適 合于球形粉末的輸送。 （5）鼓輪式送粉器：其工作原理是基于重力場，對于顆粒比較大的粉末， 因其流動性好能夠連續(xù)送粉，并且機(jī)構(gòu)簡單。由于它是通過送粉輪上的粉勺輸 送粉末，對粉末的干燥度要求高，微濕的粉末和超細(xì)粉末容易堵塞粉勺，使送 粉不穩(wěn)定，精度降低。 （6）沸騰式送粉器：是基于氣固兩相流原理設(shè)計(jì)的。工作時(shí)，載流氣體在 氣體流化區(qū)域直接將粉末吹出送至激光熔池。但同樣要求所送粉末干燥。沸騰 式送粉器對于粉末的流化和吹送都是通過氣體

27、來完成的，所以避免了前面螺旋 式，刮板式等粉末與送粉器元件的機(jī)械摩擦，對粉末的粒度和形狀有較寬的適 用范圍。 （7） 電磁振動送粉器：是基于機(jī)械力學(xué)和氣體動力學(xué)原理工作的，反應(yīng) 工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 12 頁，共 49 頁 靈敏，由于是用氣體做為載流體將粉末輸出，所以對粉末的干燥程度要求高， 微濕粉末會造成送粉的重復(fù)性差。并且對于超細(xì)粉末的輸送不穩(wěn)定，在出粉管 處超細(xì)粉末容易團(tuán)聚，發(fā)生堵塞。 2.3 同軸送粉器的發(fā)展特點(diǎn)及未來趨勢同軸送粉器的發(fā)展特點(diǎn)及未來趨勢 隨著激光熔覆技術(shù)的快速發(fā)展，送粉器作為熔覆設(shè)備的核心元件之一，也 得到了廣泛的研究。目前，國內(nèi)外對送粉器的研制目標(biāo)是將送粉器工

28、作時(shí)的連 續(xù)性、均勻性、穩(wěn)定性和可控性提高到一個更科學(xué)，更先進(jìn)的水平。對國內(nèi)外 文獻(xiàn)資料的整理和分析可以看出送粉器發(fā)展的特點(diǎn)： （1）多功能化。現(xiàn)有的送粉器基本都能夠?qū)我坏姆勰┻M(jìn)行連續(xù)送粉，以 后送粉器的發(fā)展向著混合送粉、多方式送粉和高精度方向發(fā)展，目前已先后研 制出多料倉混合的送粉器，熔覆材料組成及配比連續(xù)可調(diào)的送粉器以及高度集 成帶有信息反饋附件的送粉器等。 （2）微量化。現(xiàn)有的送粉器都是連續(xù)送粉，送粉量都比較大，僅適合大面 積熔覆應(yīng)用和三維快速制造。目前的激光熔覆技術(shù)已經(jīng)開始應(yīng)用于精密熔覆和 微成形，在這種加工過程中，需要對激光熔覆加工區(qū)域進(jìn)行微量輸送，這對送 粉器的性能要求很高。當(dāng)進(jìn)

29、行零件的激光熔覆精密修復(fù)時(shí)，大送粉量的送粉器 根本無法滿足工作的要求。 （3）超細(xì)化。現(xiàn)在的送粉器能夠?qū)^大尺寸粉末，進(jìn)行連續(xù)穩(wěn)定的送粉， 因?yàn)槠淞鲃有院茫子趥鬏敗Ｈ欢瑢τ诔叽缭诤撩准壱韵碌奈⒓?xì)熔覆粉末， 現(xiàn)有送粉器的輸送粉末顆粒比較大，特別是對于有些工件表面的缺陷特別微小 （如小的磨損坑、裂痕、小孔洞和腐蝕坑等）無法滿足加工的要求。 2.4 送粉器主要問題分析送粉器主要問題分析 本課題研究的超細(xì)粉末送粉器輸送的粉體顆粒直徑在十幾 um幾百納米之 間，其質(zhì)量很小，具有常規(guī)粉末所不具備的特殊性能。 尺寸極小，表面積很大，位于表面的原子數(shù)占總原子數(shù)相當(dāng)大的比例，表 面離子缺少鄰近配位的表面原子

30、，使離子的活性極高，具有巨大的表面能，離 子處于極不穩(wěn)定的狀態(tài)，使其具有強(qiáng)烈的相互吸引而達(dá)到穩(wěn)定的趨勢，很容易 與其它的分子產(chǎn)生很強(qiáng)的相互作用力，如范德華力，異性電荷之間的靜電力、 工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 13 頁，共 49 頁 磁性力等，其中范德華力其主要作用。范德華力是吸力，與分子間的距離的七 次方成正比，作用距離極短，是典型的短程力，這些力的合成使小的分子很容 易團(tuán)聚成團(tuán)。另外，當(dāng)粉末存在容器中時(shí)，很容易產(chǎn)生粉末吸附于容器壁上或 容器內(nèi)形成架橋現(xiàn)象。面對有極大分子集合構(gòu)成的體系，隨著顆粒間距離的增 大，其分子間作用力的衰減程度明顯變緩，這是因?yàn)榇嬖诙鄠€分子綜合作用的 緣故顆粒間分子

31、間的有效距離可達(dá) 50nm，因此是長程力，在這些力的作用下， 顆粒間形成了顆粒鏈，如果某些外力作用在顆粒鏈上會使顆粒鏈發(fā)生斷裂而形 成團(tuán)聚。 團(tuán)聚使納米相粉的摩擦性增強(qiáng)，粉末流動性變得很差，分散性能降低，團(tuán) 聚使顆粒大小不一，嚴(yán)重影響著粉末的均勻混合：即使將團(tuán)聚暫時(shí)分開，分子 間的作用力又會使顆粒再次團(tuán)聚，很容易堵塞噴嘴，嚴(yán)重影響送粉的連續(xù)性。 含有團(tuán)聚體的顆粒燒結(jié)時(shí)，由于團(tuán)聚顆粒之間距離較小和質(zhì)點(diǎn)遷移距離較 小，故其內(nèi)部的微粒之間優(yōu)先燒結(jié)；而團(tuán)聚體之外的顆粒因距離較大，傳質(zhì)距 離較遠(yuǎn)，存在氣孔，則不優(yōu)先燒結(jié)成大顆粒。在團(tuán)聚體周圍的顆粒同時(shí)正常的 燒結(jié)它與團(tuán)聚體晶粒形成大小不一的飛均勻的顯性組

32、織，并結(jié)果在燒結(jié)體中產(chǎn) 生各種裂紋氣孔。燒結(jié)不均勻?qū)箼C(jī)體產(chǎn)生應(yīng)力，并影響機(jī)體致密化。 顯然，團(tuán)聚對超細(xì)粉末的傳送和加工都產(chǎn)生非常不利的影響，必須預(yù)先從 粉末中打散團(tuán)聚體，這也是本次設(shè)計(jì)急需解決的問題。 2.5 送粉器的方案設(shè)計(jì)送粉器的方案設(shè)計(jì) 基于大量的調(diào)研結(jié)果，針對激光再制造技術(shù)的應(yīng)用特點(diǎn)以及超細(xì)粉末的輸 送難題，初步設(shè)計(jì)出一種利用于超細(xì)粉末輸送的載氣式鼓輪送粉器。 基于超細(xì)粉末的特殊特性，采用特殊的方法來達(dá)到超細(xì)粉末輸送的目的： (1)在粉斗中增加特殊結(jié)構(gòu)的攪拌器避免粉末吸附于粉斗壁上，并在粉斗內(nèi) 充滿平衡氣體，防止粉末回流。 (2)采用特殊結(jié)構(gòu)的粉輪和粉輪腔，對分粉末進(jìn)行打散和精確計(jì)

33、算輸送，粉 輪運(yùn)轉(zhuǎn)速度連續(xù)可調(diào)。 (3)用氣流輸送解決超細(xì)粉末流動性差的問題，使粉末從落粉腔輸出時(shí)均勻、 穩(wěn)定，不出現(xiàn)再次團(tuán)聚現(xiàn)象。 工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 14 頁，共 49 頁 (4)通過在儲粉斗中安裝攪拌軸，防止粉末發(fā)生團(tuán)聚和形成空洞的現(xiàn)象。 (5)采用在粉輪上開槽的方法和齒輪齒條的形式對粉末的均勻性、定量性和 穩(wěn)定性進(jìn)行控制調(diào)節(jié)。 本方案采用鼓輪送粉原理。設(shè)計(jì)方案主要包括落粉、粉輪傳送、氣流輸送 三部分。圖 2.1 所示為送粉腔原理圖。其運(yùn)動過程如下，攪拌組建在直流電機(jī) 的驅(qū)動下轉(zhuǎn)動時(shí)，粉斗中粉末在攪拌器的作用下進(jìn)入落粉腔。粉輪驅(qū)動電機(jī)帶 動粉輪運(yùn)轉(zhuǎn)，粉輪將落粉輸送到出粉腔。 圖

34、 2.1 送粉器的結(jié)構(gòu) 1.電動機(jī) 2.攪拌器 3.氣體粉流系統(tǒng) 4.粉斗 5.粉輪 6.落粉腔 通過電動機(jī)轉(zhuǎn)動帶動攪拌軸轉(zhuǎn)動使儲粉斗中的粉末避免發(fā)生團(tuán)聚現(xiàn)象，輔 之一氣體粉流系統(tǒng)，此系統(tǒng)能使送粉器傳輸粉末顆粒度較小的粉末。粉腔內(nèi)沖 滿氣體，并保持穩(wěn)定的壓力，在出粉腔的下端有出粉口。在氣體動能的作用下 粉末未被均勻穩(wěn)定輸送出來，輔之以氣體分散和運(yùn)輸，粉末容易分散均勻及輸 送流暢。 在對現(xiàn)有送粉器的充分點(diǎn)調(diào)研的基礎(chǔ)上，根據(jù)任務(wù)書的要求，結(jié)合難點(diǎn)分 工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 15 頁，共 49 頁 析，我們提出了以下設(shè)計(jì)方案，它由機(jī)械結(jié)構(gòu)、氣路設(shè)計(jì)和動力系統(tǒng)三部分組 成。 2.4.1 攪拌和傳

35、輸系統(tǒng)攪拌和傳輸系統(tǒng) 由于粉末在傳輸過程當(dāng)中容易發(fā)生團(tuán)聚團(tuán)和空洞現(xiàn)象，因而團(tuán)聚體的打散 與否對送粉器的送粉效果有著重要的影響，解決這個問題的方法有多種，例如 可以利用靜電力來進(jìn)行顆粒分散。其關(guān)鍵問題是使顆粒群充滿電荷，最有效的 方法是電，使連續(xù)供給的顆粒群通過電暈放電形成離子電簾，使顆粒荷電，但 該方法成本較高，不適合小型化的生產(chǎn)應(yīng)用。 另外一種重要的，較容易實(shí)現(xiàn)的方法是機(jī)械分散，即用機(jī)械力把顆粒團(tuán)聚 打散。機(jī)械分散的必要條件是機(jī)械力應(yīng)大于顆粒間的粘著力。通常機(jī)械力是由 高速旋轉(zhuǎn)的葉輪圓盤或高速氣流噴力沖擊作用所引起的氣流運(yùn)動而造成的，但 前者磨損較大，設(shè)備笨重；后者要消耗大量氣體，我們設(shè)計(jì)的

36、裝置，將兩者相 結(jié)合。設(shè)計(jì)出一種全新的送粉器。 (1)粉末容器中架橋的消除和粉末的初步打散 超細(xì)粉末間的自然粘著力，使細(xì)顆粒團(tuán)聚，難于被有效的流化。為了使流 態(tài)化技術(shù)應(yīng)用于超細(xì)粉末，發(fā)揮流態(tài)的優(yōu)勢，人們進(jìn)行了許多研究來破除分子 間作用力。但過去使用的各種降低顆粒間力的方法或效果有限，限制了超細(xì)粉 末流態(tài)化技術(shù)的應(yīng)用。 針對超細(xì)粉末材料在容器中的團(tuán)聚、架橋、堆積密度低的特點(diǎn)，我們考慮 在送粉器粉斗增加破拱攪拌組建系統(tǒng)，通過攪拌架規(guī)則轉(zhuǎn)動，攪拌粉末的均勻 流動，避免粉末粘結(jié)、吸附在粉斗壁上和在粉斗內(nèi)形成架橋。 (2)粉末輸送出來前的分散 該部分通過粉輪來實(shí)現(xiàn)。根據(jù)超細(xì)粉末的特點(diǎn)，其結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)成圓

37、柱形， 粉輪外徑部分分布著粉槽，粉槽的容積大小可以根據(jù)實(shí)際情況而進(jìn)行調(diào)整，它 與粉末的打散效果和粉末輸送量密切相關(guān)。粉末由料斗經(jīng)漏粉孔靠自重和壓縮 氣體的作用下流體進(jìn)鼓輪圓周上的小槽內(nèi)，隨著鼓輪的轉(zhuǎn)動小槽內(nèi)的一次流入 出粉腔。 由于粉槽容積式相當(dāng)小的，這就起到了粉末打散輸送的作用；同時(shí)通過調(diào) 工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 16 頁，共 49 頁 節(jié)鼓輪的轉(zhuǎn)速、漏粉孔直徑和漏粉孔與鼓輪間的間隙，就能達(dá)到精確的送粉目 的。用粉輪的轉(zhuǎn)速計(jì)算送粉量為： g=nmv 式中：n 為粉輪轉(zhuǎn)速;m 為槽數(shù);v 為槽容積；為粉末的堆比重 粉末自粉輪落至落粉腔之后，依靠自身的重力場和氣流的作用使粉末傳輸 至分粉器

38、，在通過分粉器傳輸至同軸送粉頭。 2.5 氣路設(shè)計(jì)氣路設(shè)計(jì) 此處省略 NNNNNNNNNNNN 字。如需要完整說明書和設(shè) 計(jì)圖紙等.請聯(lián)系 扣扣：九七一九二零八零零 另提供 全套機(jī)械畢業(yè)設(shè)計(jì)下載！該論文已經(jīng)通過答辯 盡管互相粘結(jié)的顆粒可以采用機(jī)械的方式進(jìn)行打散，然而機(jī)械分散后顆粒 的大小畢竟有限，粉末仍會以小塊團(tuán)的方式存在，所以粉末間的作用仍然會存 在，粉末仍然粘結(jié)團(tuán)聚。另外粉末由粉嘴吹向金屬熔池前，為了保證良好的表 面質(zhì)量，需要噴出的粉末已經(jīng)混合均勻且呈霧狀。以上兩個難題都需要在粉末 輸送過程中給予解決，根據(jù)我們的輸送要求，這就要用到氣力輸送的相關(guān)原理。 2.5.1 氣力輸送基本概況氣力輸送

39、基本概況 氣力輸送常稱固氣兩相流，是一種用空氣做載體，提供動力，在管中輸送 粉末顆粒的辦法，工程中稱之為氣動傳輸。早在十九世紀(jì)，人們就嘗試用風(fēng)扇 驅(qū)動，通過管道來輸送木屑和谷物。二十世紀(jì)初期，用氣力輸送粉末體，受到 工程界和研究者的普通重視。FISCHER-STADT 于 1924 年首次提出了描述氣固 兩相混合物在管道中流動的壓降理論。二十世紀(jì)中后期，粉體的氣力輸送技術(shù) 得到了迅速的開發(fā)和利用。目前，對粉體物料進(jìn)行氣力輸送，已成為涉及采礦、 工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 17 頁，共 49 頁 冶金、制藥、食品等眾多領(lǐng)域的普遍方法。 物體氣力輸送有以下幾個優(yōu)點(diǎn)： 1.在設(shè)計(jì)上能充分利用空間，

40、輸送方向靈活，效率高； 2.輸送系統(tǒng)完全封閉，粉末飛揚(yáng)和溢出少，可以實(shí)現(xiàn)環(huán)境衛(wèi)生； 3.大大減少了發(fā)生機(jī)械事故和粉塵燃燒與爆炸的可能性； 4.易操作和實(shí)現(xiàn)自動化； 5.對于化學(xué)性能不穩(wěn)定的物料，可以采用惰性氣體輸送； 6.在輸送過程中可同時(shí)實(shí)現(xiàn)多種工藝操作過程，如混合、干燥、粉碎、 冷卻和化學(xué)反應(yīng)； 7.能避免被輸送物料的受潮、污損和混入其它雜物，從而保證了輸送質(zhì) 量； 2.5.2 粉末顆粒的料性對氣動運(yùn)輸?shù)挠绊懛勰╊w粒的料性對氣動運(yùn)輸?shù)挠绊?作為輸送對象的粉末材料，就整體上看是一個連續(xù)體。粉末群所呈現(xiàn)的料 性是由每個粉末顆粒具有的物理化學(xué)性能積累的結(jié)果，因此有必要考察一下粉 末的一些重要料性

41、，這對我們進(jìn)行粉末輸送有很大幫助。 (1)粉末密度。粉末的密度是確定氣動工藝參數(shù)的重要依據(jù)，密度越大用于 輸送的能耗就越大，對利用空氣動壓來實(shí)現(xiàn)傳輸，要提高輸送氣流的速度或減 少粉末的供給量，對用利用空氣靜壓來實(shí)現(xiàn)輸送的，要提高輸送壓力，當(dāng)然， 密度增大，粉末容易與空氣分離。 (2)粉粒的形狀、大小和分布。粉粒的形狀對它的懸浮速度或沉降速度有較 大的影響；同一粉末顆粒以求狀的懸浮速度最大；多角形的摩擦阻力較大；表 面凸起多的顆粒管壁碰撞時(shí)容易破碎和磨損管壁，此外還以吸濕，粉粒越細(xì)， 越易結(jié)成塊；粉末中含有較多的細(xì)粉時(shí)，易粘結(jié)。通常，粉粒較大且粒度分布 均勻的的粉末易于流動，易被輸送。粒度分布不

42、均勻的粉末，不僅輸送壓力損 失較大，且易堵塞。 (3)流態(tài)化能力。將空氣一定速度載入粉粒層，粉粒因受氣流包圍而彼此在 氣流中運(yùn)動。于是料層出現(xiàn)均勻膨脹，呈現(xiàn)出類似于流體可以流動的性質(zhì)稱為 流態(tài)化。粉末的流態(tài)化同它保留的充氣能力有關(guān)，且粉末在充氣流態(tài)化狀態(tài)下 工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 18 頁，共 49 頁 對氣動輸送影響很大 (4)含水量。粉末的含水量大小直接影響到輸送系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。粉末含水 量增加，除了易產(chǎn)生管腔粘附和堵塞，影響運(yùn)輸能力，還易導(dǎo)致粉末流均勻性 得不到保證。因此，一般粉末在是使用前都要進(jìn)行干燥處理。 (5)摩擦角。它是表示粉粒靜止和運(yùn)動的力學(xué)特性的物理量。與氣動輸送最 用

43、關(guān)的是顆粒與管腔之間的壁面摩擦角和顆粒之間的內(nèi)摩擦角。 2.5.3 常見的氣力傳輸方式常見的氣力傳輸方式 物料在管道中的流動狀態(tài)實(shí)際上很復(fù)雜，主要隨氣流速度及氣流中所含的 物料量和物料本身料性的不同而顯著變化。常見的兩種粉體氣力輸送方式為:稀 相輸送和密相輸送。 對于稀相輸送，被輸送粉體的質(zhì)量流量與輸送氣體的質(zhì)量流量之比(簡稱為 固氣比)比較小(通常在 0.01-15 kg/kg 范圍內(nèi))，粉體顆粒間距較大，輸送氣體 的壓力較低(通常0. 1 MPa)，輸送速度較大(通常13-15m/s)。稀相輸送一般 適用于被輸送粉體的質(zhì)量和粒度較小、干燥和輸送距離不大的場合。密相輸送 的固氣比通常在 15

44、-200kg 范圍內(nèi)，輸送氣體的壓力較高(例如可達(dá) 0. 7-O.8Mpa)， 輸送速度較低(一般為稀相輸選速度的一半左右)，適用于輸送量較大，輸送距 離較長的場合。盡管粉體的氣力輸送在工業(yè)上已得到了廣泛的應(yīng)用，但對輸送 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)迄今仍以經(jīng)驗(yàn)為主。粉體氣力輸送的一些基本問題，仍是需要進(jìn)一 步關(guān)注的研究課題。本章針對稀相粉體輸送中的一些問題，諸如被輸送粉體顆 粒的運(yùn)動速度及輸送氣體流速、輸送總壓降、輸送臨界速度、局部壓力損失等 的計(jì)算作一介紹。 2.5.4 粉末顆粒群的沉降速度粉末顆粒群的沉降速度 在氣力輸送中，在管道中的物料不是單個粉粒，而是粉粒群。粉粒群在粉 管截面上占據(jù)了一定的面積，使流

45、通面積減小，粉粒周圍流體速度增大，其所 受到的附加阻力增大，粉粒群沉降速度減小。俄國的烏斯賓斯基根據(jù)有限空間 對自由沉降末速度的理論，測定了受管壁有限空間影響的粉末群懸浮速度 v 。 工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 19 頁，共 49 頁 2 s tt D d 1vv ， ds 一粉粒群所占截面直徑; D 一粉管截面直徑; 根據(jù)懸浮速度與自由沉降末速度大小相等，方向相反原理，可以認(rèn)為粉末 群的自由沉降速度等于 Vt。 單個粉粒的沉降速度是其在無限空間中的沉降運(yùn)動。可以認(rèn)為粉粒所在瞬 時(shí)截平面的流體的平均速度一定，因而這個平均速度認(rèn)為是粉末顆粒的沉降速 度。 粉末顆粒群的沉降不僅受到流體阻力，還要

46、受到其他顆粒的干擾阻力。這 時(shí)沉降(即懸浮)速度值與顆粒群濃度有關(guān)，濃度大，則沉降速度減小。濃度相 同時(shí)，顆粒越細(xì)，顆粒數(shù)目越多，一方面顆粒體表面積就越大、阻力增大;另一 方面顆粒間摩擦、碰撞機(jī)會就越多，阻力增大、使沉降速度更為減小。所以顆 粒群的干擾沉降速度，即顆粒群的懸浮速度比單顆粒的自由沉降速度小。 2.5.5 影響粉末顆粒群運(yùn)動的因數(shù)影響粉末顆粒群運(yùn)動的因數(shù) （1）粉粒形狀因素。本系統(tǒng)中，以拋物射出的粉末顆粒主要在管腔中垂直 下落，但由于碰撞和彈射，顆粒的運(yùn)動形式還存在懸浮運(yùn)動。粉末顆粒的不規(guī) 則形狀會對懸浮速度有較大影響，當(dāng)然也影響粉末的沉降。在同類末顆粒中， 以球形顆粒(表面積最小

47、)沉降速度最大。 （2）粉粒群的濃度。輸送過程中，管腔中的粉末顆粒不是單個顆粒，而是 粉末群，此時(shí)粉末群的沉降不僅受到流體阻力，還受到其他顆粒的干擾阻力。 這時(shí)，沉降與懸浮速度與粉粒群濃度有關(guān)。濃度大，沉降速度減小，濃度相同 時(shí)，粉末顆粒愈細(xì)， ，顆粒數(shù)目愈多，同一方向粉末顆粒體表面積就越大，因此 遇到的阻力就越大，必然影響沉降與懸浮運(yùn)動。 （3）向使粉末顆粒分布均勻。然而碰撞的過程中產(chǎn)生了摩擦。碰撞粉木顆 粒的碰撞與摩擦。碰撞和摩擦不可避免，由于希望達(dá)到粉末充分，分散的目的， 在氣力輸送粉末沉降過程中，碰撞及其彈射是有益的，需要的，這樣可以在截 工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 20 頁，共 4

48、9 頁 面方的機(jī)會越多，摩擦的機(jī)會越多，有害阻力越大，使沉降速度更減小。 在設(shè)計(jì)前考慮到空氣濕度對超細(xì)粉末的影響，在氣流進(jìn)入送粉設(shè)備前對粉 末進(jìn)行干燥處理，為此，需要加入空氣過濾器，濾除空氣中的水、油等。另外， 為調(diào)節(jié)送氣量的大小，需要加入一流量計(jì)，同時(shí)也便于控制不同送粉量的氣流 量。 2.6 本章小結(jié)本章小結(jié) 本章介紹了激光熔覆的基本理論和氣動傳輸理論以及對傳輸過程中所要面 臨的關(guān)鍵問題進(jìn)行了分析，團(tuán)聚和流動性差是超細(xì)粉末在輸送過程中的主要問 題，分析了團(tuán)聚形成的原因。給出看初步設(shè)計(jì)方案，送粉器首先要想辦法將團(tuán) 聚體打散并進(jìn)行輸送，這里針對激光再制造較易實(shí)現(xiàn)的粉輪進(jìn)行轉(zhuǎn)運(yùn)并借助氣 力進(jìn)行分散

49、。在充分調(diào)研的基礎(chǔ)上，給出了鼓輪式結(jié)構(gòu)的機(jī)械原理圖和控制系 統(tǒng)框圖。并分析了鼓輪式結(jié)構(gòu)的運(yùn)行原理。 工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 21 頁，共 49 頁 3 送粉器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)送粉器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 3.1 粉輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與計(jì)算粉輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與計(jì)算 根據(jù)任務(wù)書的要求，送粉器的送粉量為 3-170g/min 連續(xù)可調(diào)，送粉器的寬 度為連續(xù)可調(diào)為 3-15mm。送粉器的結(jié)構(gòu)如下圖所示，粉輪圓周上分布著 24 個 小槽，每個小槽的體積 V=0.5長高寬=0.5718=28mm 。查 3.1 表， 3 取鎳基粉末的比重為 7.5，則可計(jì)算出算出粉輪在轉(zhuǎn)動一圈的過程中粉末的輸送 量為 G=nvr =24287.

50、50.001=5.04g 表 3.1 不同牌號的粉末比重 系列牌號比重 熔點(diǎn)（ C） 膨脹系數(shù) 典型硬度 （HRC） 規(guī)格目數(shù) （粒度） Ni257.5104025-150 Ni357.5105013.835-150 Ni457.5108513.145-150 Ni557.5109213.655-150 Ni607.5102713.460-150 鎳基粉末 Ni627.7105712.262-150 粉輪結(jié)構(gòu)如下圖 3.1 所示 圖 3.1 粉輪結(jié)構(gòu) 工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 22 頁，共 49 頁 3.2 電動的選擇電動的選擇 本系統(tǒng)初步確定選用兩臺電動機(jī)進(jìn)行驅(qū)動，一臺用于粉斗中粉末的攪

51、拌打 散，另一臺則用粉輪的驅(qū)動。 本著節(jié)約成本的思想，攪拌電動機(jī)只需將粉末混合均勻及即可，可采用固 定速度勻速運(yùn)動來進(jìn)行。而粉輪驅(qū)動電機(jī)則根據(jù)不同的送粉量需求需要對速度 進(jìn)行控制。 由于粉輪每轉(zhuǎn)的送粉量為 5.04g ，而送粉器的送粉量為 3- 170g/min。由此可算出粉輪去動電動機(jī)的轉(zhuǎn)速為： N=3/5.04170/5.04=0.59533.8r/min 電動機(jī)的所需的輸出功率： 根據(jù)公式 P= 來控制電動機(jī)的功率，其中 N 為粉輪軸的轉(zhuǎn)速，T 為 95550 NT 粉輪軸的受力力矩。9950 為常數(shù)，由于在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)粉輪的速度不是太快，最高速 度都不超過 40rpm，并且在輸送粉末的過程中

52、，粉輪軸只受到密封套的摩擦力 和粉末與粉輪的摩擦作用，這兩種力極小，據(jù)檢測，粉輪在輸送粉末的時(shí)候力 矩不超過 1Nm，按該值計(jì)算，代入公式得： P=0.00418kw 9550 40 因而可以選擇 10w 的小電動機(jī)就可以帶動粉輪軸的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。 3.3 齒輪齒條的設(shè)計(jì)計(jì)算齒輪齒條的設(shè)計(jì)計(jì)算 齒輪做回轉(zhuǎn)運(yùn)動，齒條做直線運(yùn)動，可以把齒條看作是一個齒數(shù)無窮多的 齒輪，這輪的各圓都變?yōu)橹本€，齒輪的分度圓直徑 d、齒條的直線先速度為 v、 轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系為 v= 式中 d 為齒輪分度圓直徑，mm；n 為齒輪轉(zhuǎn)速，r/min。 60 dn14 . 3 由于齒輪與齒條嚙合時(shí)，不論是否標(biāo)準(zhǔn)安裝，其嚙合角恒等于

53、齒輪分度 圓壓力角，也等于齒輪齒條的齒形角；至是在非標(biāo)準(zhǔn)安裝時(shí)，齒條的節(jié)線與 齒輪的分度圓不重合。齒輪齒條正確配合條件是基圓齒距相等，而齒條的基圓 齒距是其相鄰輪廓同側(cè)直線的垂直距離，即 P =3.14mPcos； b 本設(shè)計(jì)取齒輪齒數(shù) z =17，齒數(shù)為 17，模數(shù)為 1，壓力角為 20，螺旋角為 1 工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 23 頁，共 49 頁 0 ，則齒輪的分度圓直徑 d =m z =17，由此可算出齒輪寬度 0 1 1 b= d =0.517=8.5mm； d 1 齒條長度 L=3.1417u， 取 u=1.2 則 L=64.056 取齒輪的變?yōu)橄禂?shù)為 0.418，則可算出齒輪

54、中心到齒條的中心距 H=+x m=+0.4181=8.918； 2 d1 1 2 17 齒距 P =3.14m=3.14，齒條的齒數(shù)為 n z =+0.5=20.88 2 n P L 5 . 0 14 . 3 64 齒輪齒條的傳動特點(diǎn) 由于齒條輪廓為直線，所以齒廓上各點(diǎn)具有相同的壓力角，且等于齒廓 的傾斜角。與齒頂線平行的任一條直線上局有相同的齒距和模數(shù)。與齒頂 線平行且齒厚等于齒槽寬的直線，它是計(jì)算齒條的基準(zhǔn)線。 3.4 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 跟據(jù)軸的使用場合和具體的使用情況，初步確定軸結(jié)構(gòu)如下： 確定軸的尺寸 是與聯(lián)軸器連接的由于聯(lián)軸器的直徑為 12mm，故 d1 為 12mm。 d

55、2 與 d4 是與軸承接觸的，而選用的軸承為牌號為 6202 的深溝球軸承，故 d2 與 d4 為 15mm。 d 3 作為定軸肩，而軸肩高度 a（0.070.1）d2=1.051.5，可取 d3=19mm。 d 5 是為了區(qū)分加工表面，取 d5=14.5mm。 工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 24 頁，共 49 頁 3.5 聯(lián)軸器的配置聯(lián)軸器的配置 為使粉輪轉(zhuǎn)動平穩(wěn)，防止出現(xiàn)脈動。本設(shè)計(jì)才有凸緣聯(lián)軸器其模型如圖 3.5-1 所示，凸緣聯(lián)軸器是把兩個帶有凸緣的半聯(lián)軸器用普通平鍵分別與兩軸連 接，然后用螺栓把兩個半聯(lián)軸器連成一體，使一個半聯(lián)軸器的凸肩與另一個半 聯(lián)軸器上的凹槽相配合而對中。此種聯(lián)軸

56、器對中性要求比較高，但它的結(jié)構(gòu)簡 單、成本低、適用在轉(zhuǎn)速低、無沖擊、軸的剛性大的場合。 3.6 密封器件的配置密封器件的配置 本設(shè)計(jì)采用了氣動輸送，因此密封是關(guān)鍵，密封的好壞直接影響的送粉質(zhì) 量，尤其是軸承腔內(nèi)不能有粉末的進(jìn)入，所以粉輪腔體和軸承連接處，密封尤 其重要，設(shè)計(jì)中在軸承腔內(nèi)的端部使用兩端帶有錐度的聚四氟套，將傳動軸套 在中間兩端用壓蓋壓緊，防止密封套產(chǎn)生軸向竄動。在儲粉斗攪拌系統(tǒng)中，在 粉斗蓋上開孔，然后嵌入密封套，避免粉斗中的粉末進(jìn)入軸承座。 工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 25 頁，共 49 頁 4 送粉頭的設(shè)計(jì)送粉頭的設(shè)計(jì) 激光熔覆加工是一個涉及到粉、氣、水等多方面復(fù)雜過程，在

57、加工過程中， 這些因素會對加工的質(zhì)量有顯著地影響，因此，在對噴嘴進(jìn)行設(shè)計(jì)的時(shí)候也應(yīng) 充分考慮這些因素，并從這些方面綜合考慮。 4.1 激光加工的光路系統(tǒng)激光加工的光路系統(tǒng) 激光加工的用光系統(tǒng)如圖 4.1 所示。其主要功能是將激光輸送的加工部位， 調(diào)整輻射的參數(shù)。構(gòu)成高功率密度的參數(shù)，通過可見的 HENE 的光同軸瞄準(zhǔn)系 統(tǒng)，使激光對準(zhǔn)家工點(diǎn)，控制加工過程，加工結(jié)果估計(jì)，具體功能如下： 1.對激光器發(fā)出的光束進(jìn)行整體對焦，以實(shí)現(xiàn)在加工過程中得到足夠的高 功率光斑，這是靠通過聚焦透鏡來實(shí)現(xiàn)的。 2.改變激光的傳播方向，將激光引導(dǎo)到指定的加工點(diǎn)，這主要是靠系統(tǒng)中 的反光鏡來實(shí)現(xiàn)的。 激光雖然具有很高

58、的方向性，但激光束還是會有一定的發(fā)散角，當(dāng)發(fā)散角 為時(shí)，聚焦透鏡的焦距為 s 時(shí)，在焦平面的光點(diǎn)的直徑可以控制調(diào)節(jié)。因此 在設(shè)計(jì)噴嘴的時(shí)候。不能忽略這一因素。可以把焦平面看成理想的一點(diǎn)。并且 在設(shè)計(jì)的過程當(dāng)中，在光學(xué)系統(tǒng)中還需要考慮焦平面與加工面之間的位置關(guān)系， 材料平面與聚焦平面之間的距離稱為離焦量，離焦的方式有兩種，一種是正離 焦，一種是負(fù)離焦。焦平面在材料的上方是稱之為正離焦，焦平面在材料的下 方稱之為負(fù)離焦。在噴嘴的設(shè)計(jì)中，通常采用正離焦，主要原因如下： 1.按幾何學(xué)理論，當(dāng)正負(fù)離焦量相等時(shí)，所對應(yīng)平面上的功率度相似，但 實(shí)際所獲得熔池形狀不同。負(fù)離焦的時(shí)候，由于材料內(nèi)部的功率密度比表

59、面還 高。會形成更強(qiáng)的融化氣話，使光能向材料更深處傳遞。然而激光熔覆要求基 材表面融化層極低，顯然這中負(fù)離焦的的方法不太合適。 2.從同軸送粉的噴嘴的設(shè)計(jì)來說，是想把粉末均勻的分散之后再匯入一點(diǎn) 進(jìn)入激光輻射區(qū)而位于焦平面上的形狀是倒錐形的。位于其下是正錐形的，很 工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 26 頁，共 49 頁 顯然粉末進(jìn)入下邊區(qū)域更方便。 3.此外，采用負(fù)離焦很增大了光學(xué)系統(tǒng)的工作距離，防止透鏡被污染。 圖 4.1 光路圖 4.2 激光熔覆的送粉方式激光熔覆的送粉方式 激光熔覆加工中的送粉裝置可以分為兩個部分：送粉器和送粉噴嘴。送粉 器的主要用途是將粉斗中的粉末變成均勻連續(xù)的粉流，達(dá)到

60、這個目標(biāo)可以有不 同的方式。送粉噴嘴的作用則是將送粉器送來的粉流變成不同的形狀并送入激 光中以實(shí)現(xiàn)需要的加工。送粉噴嘴的結(jié)構(gòu)及性能直接影響整個加工效果。送粉 裝置根據(jù)其送粉過程中是否加入載氣可分為載氣式和自重式。 同軸送粉是激光熔覆的材料供給方式中的先進(jìn)送粉方式，它沒有熱噴涂預(yù) 置操作程序復(fù)雜，容易產(chǎn)生氣孔、脫落等缺陷。在同軸送粉過程中熔覆粉末流 方向與激光走向是一致的，因而能夠適應(yīng)全方位立體的熔覆需求，它與非同軸 送粉方式的區(qū)別在于采用了載氣式送粉方式。粉末利用率比側(cè)軸送粉的利用率 高，可有效的提高熔覆層的質(zhì)量和粉末利用率，降低稀釋率，同時(shí)由于在同軸 熔覆過程當(dāng)中粉末是單獨(dú)熔化的。并且粉末流