一種用于螺桿激光組合制造的工藝方法技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)涉及材料科學(xué)與激光加工領(lǐng)域，具體涉及一種用于螺桿激光組合制造的工藝方法，依次包括如下步驟：確定激光組合增材制造材料、對(duì)螺桿光桿表面進(jìn)行清潔表面、螺桿激光組合增材制造和對(duì)螺桿初步成型后進(jìn)行后續(xù)銑削加工。本發(fā)明專利技術(shù)具有的有益技術(shù)效果如下：利用激光組合增材制造技術(shù)對(duì)螺桿光桿進(jìn)行增材制造，通過高能量密度的激光束快速掃描待處理表面，由于極快的加熱和冷卻速度，使晶粒不易長(zhǎng)大，從而在激光組合增材制造形成的螺棱表面獲得極細(xì)的晶粒，且與基體呈牢固冶金結(jié)合的高性能堆焊層。當(dāng)改變表面層的材料(如把Ni60換成Stellite?6與316L組合等)時(shí)即可改變表層的性能，在其它場(chǎng)合獲得應(yīng)用(如大型齒輪)。

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
一種用于螺桿激光組合制造的工藝方法
本專利技術(shù)涉及材料科學(xué)與激光加工領(lǐng)域，具體涉及一種用于螺桿激光組合制造的工藝方法，特別適用于螺桿表面由于承受著來(lái)自包括摩擦、擠壓等各種形式的復(fù)雜應(yīng)力而導(dǎo)致的螺桿的疲勞損傷和失效，延長(zhǎng)螺桿的使用壽命。
技術(shù)介紹
“激光組合增材制造技術(shù)”是在“增材制造”(俗稱“3D打印”)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種技術(shù)，是一種在零件的關(guān)鍵部位通過材料逐層添加堆積、實(shí)現(xiàn)構(gòu)件無(wú)模成形的數(shù)字化制造技術(shù)，其原理是用能量對(duì)金屬粉體熔化、燒結(jié)形成新的金屬材料和形狀。激光組合增材制造與傳統(tǒng)制造方法相結(jié)合，更強(qiáng)調(diào)與基體材質(zhì)的不同，多組元功能性結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)異質(zhì)材料的結(jié)合，以及制造層內(nèi)部材料的梯度變化，亦可利用報(bào)廢的部件作為母體，實(shí)現(xiàn)全生命周期的循環(huán)利用，并節(jié)材降耗。實(shí)現(xiàn)了材料組合、方法組合和功能組合。螺桿是注塑機(jī)的關(guān)鍵零件，在生產(chǎn)塑料制品時(shí)，塑料顆粒及填料由尾部進(jìn)入注塑機(jī)的機(jī)筒，螺桿在機(jī)筒中高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，將塑料顆粒及填料擠壓推進(jìn)，在前進(jìn)中混合塑化，由螺桿頭部注入模腔。注射螺桿在比較惡劣的條件下工作，溫度一般在200℃以上。它不僅要承受注射時(shí)的高壓，同時(shí)還承受熔料的磨蝕作用和預(yù)塑時(shí)的頻繁負(fù)載啟動(dòng)。螺桿多因磨損造成螺桿與料筒的間隙過大使注塑機(jī)不能正常擠出塑料而失效。螺桿組件常用的強(qiáng)化工藝有：滲氮處理、電鍍硬鉻層、高頻淬火及噴涂雙金屬合金層等方法。滲氮與電鍍硬鉻工藝雖能獲得一定的硬度，但因硬化層太薄或結(jié)合力不夠而實(shí)際使用效果不好；而淬火處理由于螺桿一般都在較高的溫度下工作，回火的作用使得螺桿很快失效；雖然噴涂雙金屬合金層的螺桿其結(jié)合力較差，價(jià)格為常規(guī)螺桿的數(shù)倍，目前仍為使用性能最佳的產(chǎn)品。而本專利技術(shù)制造的螺桿其性能完全優(yōu)于雙金屬螺桿，具有廣闊的應(yīng)用前景。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
本專利技術(shù)的目的是解決現(xiàn)有金屬螺桿易磨損、使用壽命短、加工余量大等問題，提供一種與基體結(jié)合強(qiáng)度高、使用壽命長(zhǎng)、加工余量小的激光組合制造金屬螺桿加工工藝。本專利技術(shù)所述的金屬螺桿采用自動(dòng)送粉工藝的激光組合增材制造技術(shù)(LaserCombinationAdditiveManufacturing，簡(jiǎn)稱LCAM技術(shù))，合金粉末經(jīng)由噴嘴噴出，激光與工件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)采用機(jī)器人或數(shù)控機(jī)床來(lái)實(shí)現(xiàn)，LCAM工藝可采用較大的直徑的光斑，且制造零件相對(duì)較簡(jiǎn)單，這使得LCAM技術(shù)非常適合于螺桿方面的制造。LCAM技術(shù)的顯著優(yōu)勢(shì)之一是，可選擇性的成型部件關(guān)鍵部位，同時(shí)裝備也可以借用發(fā)展十分成熟的數(shù)控機(jī)床，容易實(shí)現(xiàn)制造大尺寸零部件。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本專利技術(shù)采用以下技術(shù)方案：本專利技術(shù)提供一種用于螺桿激光組合制造的工藝方法，包括如下步驟：步驟一：確定激光組合增材制造材料：選擇與螺桿光桿材料熱膨脹系數(shù)相匹配的合金粉末作為螺棱材料，以滿足耐磨損和耐腐蝕要求，其中：所述螺棱芯部合金粉末選擇為與螺桿光桿相一致的材料；所述螺棱擠壓工作面材料為Ni60粉末或者Stellite6粉末，所述螺桿光桿為42CrMo圓鋼，所述螺棱芯部合金粉末為42CrMo粉末或者35CrMo粉末；步驟二：對(duì)螺桿光桿表面進(jìn)行清潔表面；步驟三：螺桿激光組合增材制造：采用半導(dǎo)體或光纖激光器和六軸機(jī)器人組成的柔性激光加工系統(tǒng)，光學(xué)聚焦系統(tǒng)采用在線可調(diào)光斑聚焦系統(tǒng)，采用兩個(gè)送粉器同軸送粉；掃描路徑：通過機(jī)器人控制機(jī)械手使得激光頭位于螺桿光桿上方平行于螺桿光桿軸心進(jìn)行來(lái)回運(yùn)動(dòng)，并控制螺桿光桿進(jìn)行自轉(zhuǎn)；同時(shí)送粉器隨著激光頭對(duì)螺桿光桿進(jìn)行送粉，完成多層多道次的激光堆焊熔覆，直至使螺棱的激光組合增材制造成形；步驟四：對(duì)螺桿初步成型后進(jìn)行后續(xù)銑削加工。本專利技術(shù)中，所述螺棱是通過激光進(jìn)行多層多道次激光堆焊熔覆而成的，每層中包括第一道次、若干中間道次和最后道次，第一道次和最后道次的合金粉末為Ni60粉末或者Stellite6粉末，若干中間道次的合金粉末為42CrMo粉末或者35CrMo粉末，相鄰道次之間的搭接率為30～50％。本專利技術(shù)中，所述螺棱的半剖面呈圓角梯形，且螺棱外表面呈光滑結(jié)構(gòu)。本專利技術(shù)中，所述送粉器包括第一送粉器和第二送粉器，每層螺棱的激光掃描過程具體如下：先通過第一送粉器對(duì)該層中的第一道次螺棱進(jìn)行激光堆焊熔覆，完成后，由機(jī)器人程序控制在激光頭的回程中進(jìn)行光斑尺寸的自動(dòng)調(diào)整，通過第二送粉器對(duì)該層中的若干中間道次進(jìn)行激光堆焊熔覆，完成后，由機(jī)器人程序控制在激光頭的回程中進(jìn)行光斑尺寸的自動(dòng)調(diào)整，通過第一送粉器對(duì)該層中的最后道次螺棱進(jìn)行激光堆焊熔覆，即完成該層螺棱的激光堆焊熔覆，第一送粉器內(nèi)裝有Ni60粉末或者Stellite6粉末，第二送粉器內(nèi)裝有42CrMo粉末或者35CrMo粉末。本專利技術(shù)中，所述每層中的第一道次和最后道次的光斑尺寸大小為1×1～3×3mm^2、送粉量為8～10g/s、功率為500～1200W、激光掃描線速度為800～1200mm/min；若干中間道次的光斑尺寸大小為4×4～6×6mm^2、送粉量為15～25g/s、功率為2000～3500W、激光掃描線速度為400～800mm/min。本專利技術(shù)中，所述螺棱擠壓工作面是指每層螺棱的第一道次和最后道次，所述螺棱芯部是指每層螺棱的若干中間道次。本專利技術(shù)與
技術(shù)介紹
相比，具有的有益技術(shù)效果如下：利用激光組合增材制造技術(shù)對(duì)螺桿光桿進(jìn)行增材制造，通過高能量密度的激光束快速掃描待處理表面，由于極快的加熱和冷卻速度，使晶粒不易長(zhǎng)大，從而在激光組合增材制造形成的螺棱表面獲得極細(xì)的晶粒，且與基體呈牢固冶金結(jié)合的高性能堆焊層。當(dāng)改變表面層的材料(如把Ni60換成Stellite6與316L組合等)時(shí)即可改變表層的性能，在其它場(chǎng)合獲得應(yīng)用(如大型齒輪)。結(jié)果表明，激光組合增材制造形成的表面層較常規(guī)滲氮處理層抗磨性能提高2倍以上，實(shí)際使用壽命提高3倍以上；與雙金屬螺桿的使用壽命相近。但其工藝方法與制造成本卻比雙金屬螺桿的工藝方法和制造成本簡(jiǎn)單、降低了很多?！靖綀D說(shuō)明】圖1為本專利技術(shù)中螺桿激光組合制造示意圖；圖2為本專利技術(shù)中第一道次激光熔覆結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本專利技術(shù)中第二道次激光熔覆結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為本專利技術(shù)中第三道次激光熔覆結(jié)構(gòu)示意圖；圖5為本專利技術(shù)中熔覆堆焊至所要求高度的結(jié)構(gòu)示意圖；圖6為本專利技術(shù)中螺棱激光組合增材制造過程半剖結(jié)構(gòu)示意圖；附圖說(shuō)明：激光源1，光纖2，機(jī)械手3，送粉管4，第一送粉器5，第二送粉器6，激光頭7，激光頭運(yùn)動(dòng)方向8，螺桿旋轉(zhuǎn)方向9?！揪唧w實(shí)施方式】下面結(jié)合附圖和依照本專利技術(shù)的技術(shù)方案作出具體事例對(duì)本專利技術(shù)作進(jìn)一步的說(shuō)明，但本專利技術(shù)并不局限于這些實(shí)例。如圖1所示，本專利技術(shù)的設(shè)備裝置包括激光源1、三爪卡盤及其底座和機(jī)器人，激光源1的激光頭7通過機(jī)器人的機(jī)械手3進(jìn)行控制，以保證激光頭7位于三爪卡盤上所固定旋轉(zhuǎn)的螺桿光桿的上方，并以一定速度平行于螺桿光桿軸心方向上運(yùn)動(dòng)，所述激光源通過光纖2與激光頭7相連接，實(shí)現(xiàn)將激光從激光頭7發(fā)射出去；所述第一送粉器5、第二送粉器6分別通過送粉管4與激光頭7相連通，以保證根據(jù)需要將兩個(gè)送粉器內(nèi)的合金粉末輸送到螺桿光桿上適當(dāng)位置進(jìn)行激光堆焊熔覆。如圖2～5所示，橫向箭頭為激光頭運(yùn)動(dòng)方向8，曲線箭頭為螺桿光桿自轉(zhuǎn)方向9。采用半導(dǎo)體或光纖激光器和六軸機(jī)器人組成的柔性激光加工系統(tǒng)，光束模式為多模，最大輸出功率為4KW，焦距為400mm，光學(xué)聚焦系統(tǒng)采用在線可調(diào)光斑聚焦系統(tǒng)，采本文檔來(lái)自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種用于螺桿激光組合制造的工藝方法，其特征在于，包括如下步驟：步驟一：確定激光組合增材制造材料：所述螺棱擠壓工作面材料為Ni60粉末或者Stellite6粉末，所述螺桿光桿為42CrMo圓鋼，所述螺棱芯部合金粉末為42CrMo粉末或者35CrMo粉末；步驟二：對(duì)螺桿光桿表面進(jìn)行清潔表面；步驟三：螺桿激光組合增材制造：采用半導(dǎo)體或光纖激光器和六軸機(jī)器人組成的柔性激光加工系統(tǒng)，光學(xué)聚焦系統(tǒng)采用在線可調(diào)光斑聚焦系統(tǒng)，采用兩個(gè)送粉器同軸送粉；掃描路徑：通過六軸機(jī)器人控制機(jī)械手使得激光頭位于螺桿光桿上方平行于螺桿光桿軸心進(jìn)行來(lái)回運(yùn)動(dòng)，并控制螺桿光桿進(jìn)行自轉(zhuǎn)；同時(shí)送粉器隨著激光頭對(duì)螺桿光桿進(jìn)行送粉，完成多層多道次的激光堆焊熔覆，直至使螺棱的激光組合增材制造成形；步驟四：對(duì)螺桿初步成型后進(jìn)行后續(xù)銑削加工。

【技術(shù)特征摘要】
1.一種用于螺桿激光組合制造的工藝方法，其特征在于，包括如下步驟：步驟一：確定激光組合增材制造材料：螺棱擠壓工作面材料為Ni60粉末或者Stellite6粉末，螺桿光桿為42CrMo圓鋼，螺棱芯部合金粉末為42CrMo粉末或者35CrMo粉末；步驟二：對(duì)螺桿光桿表面進(jìn)行清潔表面；步驟三：螺桿激光組合增材制造：采用半導(dǎo)體或光纖激光器和六軸機(jī)器人組成的柔性激光加工系統(tǒng)，光學(xué)聚焦系統(tǒng)采用在線可調(diào)光斑聚焦系統(tǒng)，采用兩個(gè)送粉器同軸送粉；掃描路徑：通過六軸機(jī)器人控制機(jī)械手使得激光頭位于螺桿光桿上方平行于螺桿光桿軸心進(jìn)行來(lái)回運(yùn)動(dòng)，并控制螺桿光桿進(jìn)行自轉(zhuǎn)；同時(shí)送粉器隨著激光頭對(duì)螺桿光桿進(jìn)行送粉，完成多層多道次的激光堆焊熔覆，直至使螺棱的激光組合增材制造成形；步驟四：對(duì)螺桿初步成型后進(jìn)行后續(xù)銑削加工。2.根據(jù)權(quán)利要求1中所述的用于螺桿激光組合制造的工藝方法，其特征在于，所述螺棱是通過激光進(jìn)行多層多道次堆焊熔覆而成的，每層中包括第一道次、若干中間道次和最后道次，第一道次和最后道次的合金粉末為Ni60粉末或者Stellite6粉末，若干中間道次的合金粉末為42CrMo粉末或者35CrMo粉末，相鄰道次之間的搭接率為30～50％。3.根據(jù)權(quán)利要求1中所述的...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：姚建華，董剛，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：浙江工業(yè)大學(xué)，杭州博華激光技術(shù)有限公司，
類型：發(fā)明
國(guó)別省市：浙江;33