【正文】 何老師嚴(yán)謹(jǐn)務(wù)實的治學(xué)態(tài)度、忘我的敬業(yè)精神、淵博的專業(yè)知識讓我獲益匪淺，對我今后的工作和學(xué)習(xí)都有極大的指導(dǎo)意義，在本次設(shè)計過程當(dāng)中，無論學(xué)習(xí)還是生活以及設(shè)計的完成過程中，他都給予我無微不至的關(guān)心和幫助，在這里對何老師表示最衷心的感謝。 噴嘴的結(jié)構(gòu)如下圖 所示： 工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 30 頁，共 49 頁 圖 噴嘴座的結(jié)構(gòu)設(shè)計 噴嘴座的內(nèi)錐孔與噴嘴芯的外錐面構(gòu)成了送粉通道，因此二者的配合必須嚴(yán)格要求，考慮到目前采用通用設(shè)備而非專業(yè)設(shè)備進行加工，這必然會造成一定的技工誤差，因此在工差的選著上，噴錐芯的外錐面取 +0/。 ⑵送粉孔在保證不堵塞的情況下，尺寸盡可能小，可有效保證粉末的匯聚效果； ⑶各個送粉孔采用氣流攜載同時同步獨立送粉可以保證在大傾角度下，粉末不會出現(xiàn)偏聚現(xiàn)象； ⑷送粉孔可以進行不同熔覆材料的合成。為提高粉末利用率和熔覆的效率，在設(shè)計上要以實現(xiàn)粉末匯聚點與激光光束的焦點的相對位置的準(zhǔn)確定位，且在激光器焦距一定的前提下，粉末匯聚點的位置在軸向方向是可調(diào)的。 這種送粉方式是目前應(yīng)用較為廣泛的一種送粉方式，它的開發(fā)研制及應(yīng)用都已經(jīng)進入了成熟的階段，在應(yīng)用的初期，這種送粉方式大多采用重力式送粉，具有較高的送粉精度，這種送粉方式由于粉末的出口和激光的距離較遠，粉末的 定量性和均勻性的控制性較好不會出現(xiàn)粉末過早熔化堵塞出粉口的顯現(xiàn)。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現(xiàn)需要的加工。負(fù)離焦的時候，由于材料內(nèi)部的功率密度比表面還高。 ，將激光引導(dǎo)到指定的加工點，這主要是靠系統(tǒng)中的反光鏡來實現(xiàn)的。本設(shè)計才有凸緣聯(lián)軸器其模型如圖 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。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 Pb =? ； 本設(shè)計取齒輪齒數(shù) z1 =17，齒數(shù)為 17，模數(shù)為 1，壓力角為 20，螺旋角為工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 23 頁，共 49 頁 00 ，則齒輪的分度圓直徑 d1=m z1 =17，由此可算出齒輪寬度 b= d? d1= 17=； 齒條長度 L= 17 u， 取 u= 則 L= 取齒輪的變?yōu)橄禂?shù)為 ，則可算出齒輪中心到齒條的中心距 H= 2d1 +x1 m= 217 + 1=； 齒距 Pn ==，齒條的齒數(shù)為 z2 =nPL += ? = 齒輪齒條的傳動特點 ①由于齒條輪廓為直線，所以齒廓上各點具有相同的壓力角，且等于齒廓的傾斜角。查 表，取鎳基粉末的比重為 ，則可計算出算出粉輪在轉(zhuǎn)動一圈的過程中粉末的輸送量為 G=nvr =24 28 = 表 不同牌號的粉末比重 系列 牌號 比重 熔點（ ? C） 膨脹系數(shù) 典型硬度（ HRC） 規(guī)格目數(shù) （粒度） 鎳基粉末 Ni25 1040 25 150 Ni35 1050 35 150 Ni45 1085 45 150 Ni55 1092 55 150 Ni60 1027 60 150 Ni62 1057 62 150 粉輪結(jié)構(gòu)如下圖 所示 圖 粉輪結(jié)構(gòu) 工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 22 頁，共 49 頁 電動的選擇 本系統(tǒng)初步確定選用兩臺電動機進行驅(qū)動，一臺用于粉斗中粉末的攪拌打散，另一臺則用粉輪的驅(qū)動。 在設(shè)計前考 慮到空氣濕度對超細(xì)粉末的影響，在氣流進入送粉設(shè)備前對粉末進行干燥處理，為此，需要加入空氣過濾器，濾除空氣中的水、油等。 （ 2）粉粒群的濃度。這時沉降 (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。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 39。 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 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 1315m/s)。粉末的含水量大小直接影響到輸送系統(tǒng) 的正常運轉(zhuǎn)。 (2)粉粒的形狀、大小和分布。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。m 為槽數(shù) 。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，人們進行了許多研究來破除分子間作用力。 在對現(xiàn)有送粉器的充分點調(diào)研的基礎(chǔ)上，根據(jù)任務(wù)書的要求，結(jié)合難點分析，我們提出了以下設(shè)計方案，它由機械結(jié)構(gòu)、氣路設(shè)計和動力系統(tǒng)三部分組成。 本方案采用鼓輪送粉原理。燒結(jié)不均勻?qū)箼C體產(chǎn)生應(yīng)力，并影響機體致密化。 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。現(xiàn)有的送粉器基本都能夠?qū)我坏姆勰┻M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。工作時，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。 （ 3）刮板式送粉器：對于顆粒較大的粉末流動性好，易于傳輸。 圖 沸騰式送粉器 ⑺電磁振動送粉器 電磁振動送粉器的原理圖如圖 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)的粉末沿著螺旋槽逐漸上升到出粉口，由氣流送出。 圖 毛細(xì)管式送粉器 ⑸鼓輪式送粉器 鼓輪式送粉器的主要結(jié)構(gòu)如圖 所示，主要有貯粉斗，粉槽和送粉輪組成。 工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 8 頁，共 49 頁 圖 ㈢刮板式送粉器 刮板式送粉器，如圖 所示，它主要 由存轉(zhuǎn)盤、儲粉末的粉斗、刮板、接粉斗等組成。其工作原理包括：重力場、氣體動力學(xué)和機械力學(xué)等。 和 設(shè)計的轉(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。同時這一過 程又是一個能量、動量、質(zhì)量運送的過程，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)生的傳熱和對流機理對于正確運用激光熔覆技術(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，運動場。一般情況下，較大尺寸的粉末 (顆粒直徑 100μm)流動性較好，易于傳送，而顆粒直徑較小的粉末 (顆粒直徑 1μm)容易聚團和粘滯，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，由于細(xì)粉末的聚團和粘滯，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均勻、表面質(zhì)量差、嚴(yán)重精密熔覆和微成型的質(zhì)量。 （ 2）微量化。%；閆江松等研制了一種容積式送粉器，在 200 目 FNi07B 材料輸送的實驗中，送粉量為 0~40g/min，送粉誤差為 %；田鳳杰等設(shè)計的同軸送粉系統(tǒng)，能夠輸送功能梯度材料，在粉末充分混合后運用刮吸式送粉機構(gòu)將粉末輸送，顆粒度為 100~350 目的粉末，其送粉量為 2~25g/min，送粉誤差 3%以下；馮立偉等研究的雙料斗載氣式送粉器，可實現(xiàn)單料斗運粉或雙料 斗同時送粉，且可實現(xiàn) 2 種粉末的混合輸送， 150 目的Ni25 與 320 目的 WC 混合粉末輸送試驗中，送粉量為 5~20g/min；李艷麗等設(shè)計的螺旋送粉器可實現(xiàn) 7~60g/min 的送粉量。其應(yīng)用領(lǐng)域在不斷拓寬，應(yīng)用規(guī)模也在不斷擴大，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。 本設(shè)計研究的目的和意義 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)計出更好的專用送粉設(shè)備來適應(yīng) 激光熔覆技術(shù)的發(fā)展。近年來，國際上誕生了一門新興技術(shù) — 再造技術(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)代先進制造、快速成型等理念，則發(fā)展成為激光再造技術(shù)。 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機體上放置被熔覆的涂覆材料。 本設(shè)計國內(nèi)外研究歷史與現(xiàn)狀 激光熔覆技術(shù)的實驗始于本世紀(jì) 70 年代，美國 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。 Atsusaka 和 Motohiro Urakaw 設(shè)計的毛細(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。目前，國內(nèi)外對送粉器的研制目標(biāo)是將送粉器工作時的連續(xù)性、均勻性、穩(wěn)定性和可控性提高到一個更科學(xué)，更先進的水平?，F(xiàn)在的送粉器能夠?qū)^大尺寸粉末，進行連續(xù)穩(wěn)定的送粉，因為其流動性好，易于傳輸。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? 3）定量分析法 運用粉末分散原理，建立數(shù)學(xué)模型，對粉末的運動進行定量分析。%；閆江松等研制了一種容積式送粉器，在 200 目 FNi07B 材料輸送的實驗中，送粉量為 0~40g/min，送粉誤差為%；田鳳杰等設(shè)計的同軸送粉系統(tǒng)，能夠輸送功能梯度材料，在粉末充分混合后運用刮吸式送粉機構(gòu)將粉末輸送，顆粒度為 100~350 目的粉末，其送粉量為 2~25g/min，送粉誤差 3%以下；馮立偉等研究的雙料斗載氣式送粉器，可實現(xiàn)單料斗運粉或雙料斗同時送粉，且可實現(xiàn) 2 種粉末的混合輸送， 150 目的 Ni25與 320 目的 WC 混合粉末輸送試驗中，送粉量為 5~20g/min；李艷麗等設(shè)計的螺旋送粉器可實現(xiàn) 7~60g/min 的送粉量。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。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。底部和上部的兩個進氣道使粉末流化或達到臨界流化。由于是靠螺紋的間隙送粉，送粉量不能太小，所以很難實現(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材料的粉末。 （ 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，并且機構(gòu)簡單。 同軸送粉器的發(fā)展特點及未來趨勢 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。 （ 3）超細(xì)化。 團聚使納米相粉的摩擦性增強，粉末流動性變得很差，分散性能降低，團聚使顆粒大小不一，嚴(yán)重影響著粉末的均勻混合：即使將團聚暫時分開，分子間的作用力又會使顆粒再次團聚，很容易堵塞噴嘴，嚴(yán)重影響送粉的連續(xù)性。 (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均勻、穩(wěn)定，不出現(xiàn)再次團聚現(xiàn)象。 圖 送粉器的結(jié)構(gòu) 通過電動機轉(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。通常機械力是由高速旋轉(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)計的裝置，將兩者相結(jié)合。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。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。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，這對我們進行粉末輸送有很大幫助。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動。與氣動輸送最用關(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。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算作一介紹。 單個粉粒的沉降速度是其在無限空間中的沉降運動。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，顆粒的運動形式還存在懸浮運動。然而碰撞的過程中產(chǎn)生了摩擦。并分析了鼓輪式結(jié)構(gòu)的運行原理。 9950 為常數(shù)，由于在運轉(zhuǎn)時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，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候力矩不超過 1Nm，按該值計算，代入公式得： P= 955040 = 因而可以選擇 10w 的小電動機就可以帶動粉輪軸的正 常運轉(zhuǎn)。 d 3 作為定軸肩，而軸肩高度 a≧（ ~） d2=~，可取 d3=19mm。 激光加工的光路系統(tǒng) 激光加工的用光系統(tǒng)如圖 所示。并且在設(shè)計的過程當(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。 ，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。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，同時由于在同軸熔覆過程當(dāng)中粉末是單獨熔化的。載氣式同軸送粉可以適應(yīng)激光熔覆的三維立體成型的制造，因此本設(shè)計才用載氣式同軸送粉的方式。如果需要在大傾斜角度下進行熔覆，設(shè)計的噴嘴也應(yīng)滿足在大傾角度下對粉末匯集的要