齿轮油泵激光-电弧复合异质增材制造系统及方法与流程

本发明属于激光增材制造和电弧增材制造技术领域，特别是涉及一种齿轮油泵激光-电弧复合异质增材制造系统及方法。

背景技术

齿轮油泵利用一对齿轮啮合转动进行工作，主要由齿轮、轴、泵体、泵盖、轴承套、轴端密封等组成，广泛应用于石油、化工、船舶、电力、冶金及国防科研等行业。

齿轮油泵是液压系统中提供可靠动力的关键装置，机械系统中要求齿轮油泵具有工作平稳可靠、使用寿命长、抗冲击载荷等特性；但是，在实际工作中齿轮油泵泵体常出现磨损现象，严重影响齿轮油泵的工作寿命和可靠性；齿轮油泵泵体主要存在两种磨损方式：一是齿轮工作受压力油的作用，齿轮齿顶靠近油泵壳体，导致泵体内侧的低压腔部分严重磨损；二是油液不净，导致泵体内工作面呈圆周磨损。

在传统齿轮油泵中，齿轮通常经氮化处理有较高的硬度和耐磨性，而泵体内工作面的耐磨性则较差，会造成泵体内工作面的磨损，使泵体与齿轮间的配合间隙变大，造成内漏，进而使得齿轮泵的容积效率下降，油泵输出功率大大低于输入功率，其损耗全部转变为热能，引起油泵过热，也影响油泵的泵油能力与精度。

近年来随着机械技术水平的提升，研究出齿轮油泵内外异质泵体，该泵体内部为耐磨材料，外部为普通材料，从工程应用来看异质泵体有效提高了齿轮油泵的耐磨性和使用寿命，但是目前这种异质泵体的加工方法存在着工艺工序复杂、工艺成本较高、生产效率低等缺点。

金属部件采用的铸造、锻造等热加工工艺被材料成形工艺制约，液态金属的流动性和高温金属的延展性使很多材料的成形困难、成形质量差；机械加工方法制备金属部件尽管加工精度高，但存在材料利用率低、工序繁多复杂、生产周期长、制造成本高等问题，因此，目前两类制造工艺都无法满足齿轮异质泵体的快速研制及批量生产的要求。

金属增材制造技术是在cad软件驱动下，利用热源熔化金属材料，逐层沉积叠加形成部件的方法，具有生产周期短、成本低、节省材料、制造速度快、受部件几何形状影响小等优点，已成为快速制造金属部件越来越有吸引力的解决方案，适合金属部件的快速成形以及零件的修复。

目前较成熟的主流金属增材制造方法是激光增材制造和电弧增材制造；激光增材制造技术主要是通过利用激光照射金属粉末或者金属焊丝使其逐层熔化，熔化材料按照相应的工件轮廓逐渐累加，以制造实体零件的技术；电弧增材制造技术是指采用电弧作为热源将金属焊丝熔化，然后按设定成形路径在基板上堆积层片，层层堆敷直至金属零件成形结束；电弧增材制造成形零件由全焊缝金属组成，致密性高、冶金结合性能好、化学成分均匀、力学性能好，相比于激光增材制造技术，电弧增材制造技术具有成本低、成形速率快、能够成形大尺寸结构件等优点，但是其成形精度相对较差；激光增材制造技术具有成形精度较高，能制造形状复杂的零件等优点，但是其成形效率较前者低，设备成本高；从成形效率、成形质量、组织力学特性、复杂零件的适应性等各方面考虑，两种增材技术都存在各异性，单独采用任何一种增材制造方式都不能达到齿轮油泵异质泵体毛坯的制造要求。

因此，需要发明一种高效率、高质量、低成本、适应性强的增材制造系统和方法，并能够实现机械零部件的分区域增材制造、单质增材制造或是异质增材制造的能力，以实现齿轮油泵异质泵体毛坯的快速生产。

技术实现要素：

本发明提供了一种齿轮油泵激光-电弧复合异质增材制造系统及方法，将电弧增材制造与激光增材制造相结合，解决了电弧增材制造成型精度差和激光增材制造成型效率低的问题，制备的齿轮油泵异质泵体内侧耐磨性好、硬度高，该系统能进行电弧单质增材、激光单质增材和激光-电弧复合单质、异质增材，制备工艺简单、成型效率高、适应性强、成本低。

本发明所采用的技术方案是，齿轮油泵激光-电弧复合异质增材制造系统包括：工业控制计算机、冷却水泵、激光器、激光器控制柜、机器人、机器人控制柜、电弧焊机、增材制造装置、送丝机、基板和数控工作台；工业控制计算机与激光器控制柜、电弧焊机、送丝机、机器人控制柜、数控工作台之间信号连接，激光器控制柜与激光器信号连接，激光器与激光头间激光束传输光纤连接；电弧焊机与电弧焊枪之间导管连接，送丝机与送丝嘴之间导管连接，机器人控制柜与机器人信号连接，基板固定于数控工作台上，冷却水泵与冷却水进水口、冷却水出水口管道连接；

增材制造装置由电弧喷嘴、冷却水进水口、复合送丝头、激光出口、焊丝m2、焊丝m1、激光头、送丝嘴、电弧焊枪和冷却水出水口组成；复合送丝头较长轴线上依次设有电弧喷嘴、激光头和送丝嘴的安装孔，电弧焊枪通过电弧喷嘴螺纹固定在复合送丝头上，焊丝m1穿过电弧焊枪；复合送丝头螺纹固定在激光头下方，激光头的下出口即为激光出口，上方与激光器连接，激光头的侧面连接在机器人的法兰上；送丝嘴螺纹固定在复合送丝头上，送丝机将焊丝m2通过送丝管线送到送丝嘴；在安装孔两侧各分布有一条冷却管道，每条冷却管道都有一个冷却水进水口和冷却水出水口。

进一步的，工业控制计算机中设置有轨迹数据生成模块和工艺参数调整模块，轨迹数据生成模块用于将层数层高数据、单层控制点轨迹数据传输至数控工作台，以调整基板的位移；工艺参数调整模块用于调整激光器的激光功率和离焦量、送丝机的送丝速度、电弧焊枪的电弧电压和电弧焊机的焊接电流。

进一步的，增材制造装置中电弧喷嘴轴线与激光出口轴线的夹角为30°，激光出口轴线与送丝嘴的夹角为60°。

齿轮油泵激光-电弧复合异质增材制造方法，具体按照以下步骤进行：

步骤一，使用轨迹数据生成模块将齿轮油泵异质泵体3d模型分层，得到齿轮油泵异质泵体分层模型和层数层高数据，对齿轮油泵异质泵体分层模型进行圆弧插补，生成齿轮油泵异质泵体单层增材轨迹；

步骤二，安装基板：

将基板水平安装在数控工作台上；

步骤三，工艺参数调整模块设置工艺参数；

步骤四，工业控制计算机通过机器人控制柜控制机器人，带动增材制造装置移动到增材制造开始点，调整增材制造装置的位置，使激光束垂直于基板；

所述增材制造开始点是异质增材制造的起始点；

步骤五，泵体内侧异质增材区域制造：

开启冷却水泵，工业控制计算机同步发出指令给激光器控制柜、电弧焊机、送丝机、数控工作台，激光将焊丝m2熔化，电弧焊枪将焊丝m1熔化，二者形成联合熔池，并在激光的作用下充分混合形成异质增材区域，当制造的泵体毛坯异质层宽度达到10mm，即到达增材制造方式切换点处时，送丝机停止送丝；

数控工作台运行速度为1.0m/min，制造工艺是在ar气的保护下进行的；

增材制造方式切换点插入有控制送丝机的开启与关闭的控制指令，增材制造方式切换点就是异质增材与单质增材的切换处；

步骤六，泵体外侧单质增材区域制造：

激光辅助电弧焊枪将焊丝m1熔化，沉积完成泵体外侧的单质增材区域，直至完成设定轨迹；

步骤七，工业控制计算机发出指令控制机器人向上移动3mm，并回到上一层增材制造开始点，然后重复上述步骤五～步骤六，制造齿轮油泵异质泵体的剩余部分；

步骤八，重复步骤七，直至齿轮油泵异质泵体毛坯增材制造完成，工业控制计算机通过激光器控制柜控制激光器关闭，电弧焊机停止送丝并停止工作，关闭冷却水泵，通过机器人控制柜控制机器人带动增材制造装置回到安全位，齿轮油泵异质泵体毛坯制造完成。

进一步的，焊丝m1为不锈钢焊丝，焊丝m2为镍铬合金焊丝。

进一步的，步骤三中设置的工艺参数为：激光器的激光功率为1.8kw，离焦量为+3mm，电弧焊枪的电弧电压为26v，电弧焊机的焊接电流为200a，保护气体为纯ar，送丝机输送焊丝速度为5m/min。

进一步的，冷却水泵开启时，使得电弧焊枪的工作温度维持在30～80℃。

进一步的，步骤六中进行泵体外侧单质增材区域制造时，还能关闭激光器，仅依靠电弧焊机进行单质增材制造。

进一步的，步骤六中进行泵体外侧单质增材区域制造时，还能关闭电弧焊机、开启送丝机，仅依靠激光器进行单质增材制造。

本发明的有益效果是：1、本发明可以实现单质增材和异质增材，即电弧焊丝和激光焊丝的材料相同时，可以实现单质增材，相反时可以实现异质增材；2、本发明还能实现电弧增材制造、激光增材制造和激光-电弧复合增材制造；3、本发明所用增材制造装置能保证电弧焊枪、激光束焦点、填充焊丝之间有确定的位置关系，同时复合送丝头内部布置有冷却系统，保证复合送丝头的温度和送丝过程的稳定性，成型精度和成型效率均有所提高；4、采用激光/电弧复合增材时，金属材料在激光和电弧两热源作用下形成联合熔池，通过激光的搅拌作用能够实现联合熔池内异质材料充分混合，使异质增材区域的成分混合均匀，耐磨性和硬度提高；5、本发明的制造系统制备齿轮油泵泵体的工艺简单、生产周期短、成本低、成型质量好。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是齿轮油泵异质泵体单层增材轨迹。

图2是工业控制计算机内部模块图。

图3是增材制造装置结构图。

图4是齿轮油泵激光/电弧复合异质增材制造系统。

图5是电弧焊枪。

图6是电弧喷嘴。

图7是激光头。

图8是复合送丝头。

图9是图8的a-a剖面图。

图10是图8的b-b剖面图。

图11是送丝嘴。

图12是齿轮油泵异质泵体毛坯。

图13是采用本系统制备的齿轮油泵异质泵体的维氏硬度图。

图中，1.单质增材区域，2.过渡区域，3.增材制造开始点，4.异质增材区域，5.增材制造方式切换点，6.轨迹数据生成模块，7.工艺参数调整模块，8.工业控制计算机，9.冷却水泵，10.激光器，11.激光器控制柜，12.机器人，13.机器人控制柜，14.电弧焊机，15.增材制造装置，16.送丝机，17.基板，18.数控工作台，151.电弧喷嘴，152.冷却水进水口，153.复合送丝头，154.激光出口，155.焊丝m2，156.焊丝m1，157.激光头，158.送丝嘴，159.电弧焊枪，160.冷却水出水口。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

齿轮油泵激光-电弧复合异质增材制造系统，结构如图4所示，包括：工业控制计算机8、冷却水泵9、激光器10、激光器控制柜11、机器人12、机器人控制柜13、电弧焊机14、增材制造装置15、送丝机16、基板17和数控工作台18；工业控制计算机8与激光器控制柜11、电弧焊机14、送丝机16、机器人控制柜13、数控工作台18之间信号连接，激光器控制柜11与激光器10信号连接，激光器10与激光头157间激光束传输光纤连接；电弧焊机14与电弧焊枪159之间导管连接，送丝机16与送丝嘴158之间导管连接，机器人控制柜13与机器人12信号连接，基板17固定于数控工作台18上，冷却水泵9与冷却水进水口152、冷却水出水口160管道连接。

增材制造装置15结构如图3所示，由电弧喷嘴151、冷却水进水口152、复合送丝头153、激光出口154、焊丝m2155、焊丝m1156、激光头157、送丝嘴158、电弧焊枪159和冷却水出水口160组成；焊丝m1156穿过电弧焊枪159，电弧焊枪159的结构如图5所示，电弧焊枪159通过螺纹固定在电弧喷嘴151上，电弧喷嘴151的结构如图6所示，电弧喷嘴151通过螺纹固定在复合送丝头153上，复合送丝头153的结构如图8所示，复合送丝头153的中心开有锥形孔，通过螺纹固定在激光头157下方，激光头157的下出口即为激光出口154，上方与激光器10连接，激光头157的侧面连接在机器人12的法兰上；送丝嘴158通过螺纹固定在复合送丝头153上，送丝机16将焊丝m2155通过送丝管线送到送丝嘴158，送丝嘴158的结构图如图11所示；复合送丝头153的a-a剖面如图9所示，激光束通过激光出口154熔化送丝嘴158传送的焊丝m2155，电弧焊枪159熔化焊丝m1156，熔化后的焊丝滴落在基板17上，在激光束的搅拌下分布均匀；复合送丝头153的b-b剖面图10所示，从左到右分别是电弧喷嘴151、激光出口154和送丝嘴158的开孔，电弧喷嘴151中线与激光出口154中线的夹角为30°，激光出口154中线与送丝嘴158的夹角为60°，开孔的两侧各分布有一条冷却管道，冷却管道的冷却水进水口152和冷却水出水口160与冷却水泵9连接，冷却管道靠近热源，又不与安装孔干涉。

齿轮油泵激光-电弧复合异质增材制造系统中，工业控制计算机8的设置如图2所示，在工业控制计算机8中设置有轨迹数据生成模块6和工艺参数调整模块7；轨迹数据生成模块6用于将层数层高数据、单层控制点轨迹数据传输至数控工作台18，以调整基板17的位移；齿轮油泵异质泵体的层数层高数据，是由齿轮油泵异质泵体3d模型分层后的齿轮油泵异质泵体分层模型得出的，单层控制点轨迹数据是由齿轮油泵异质泵体单层增材轨迹和齿轮油泵异质泵体边界数据得出的；工艺参数调整模块7用于调整参数：激光功率、离焦量、送丝速度、焊机电压、焊机电流，调控激光器10、送丝机16和电弧焊机14的工作状态。

齿轮油泵激光-电弧复合异质增材制造方法，具体按照以下步骤进行：

步骤一，使用轨迹数据生成模块6将设计好的齿轮油泵异质泵体3d模型分层，得到齿轮油泵异质泵体分层模型和层数层高数据，对齿轮油泵异质泵体分层模型进行圆弧插补，生成如图1所示的齿轮油泵异质泵体单层增材轨迹，在异质增材区域4与过渡区域2相交处设有增材制造方式切换点5，插有控制送丝机16开启与关闭的控制指令；

齿轮油泵异质泵体3d模型为：圆心距为30mm，两个圆的半径均为15mm,壁厚为50mm，其中异质增材区域4厚度为10mm，层距为3mm；

圆弧插补时，插补误差为±0.01mm，行距偏移量为4mm，行距偏移量指的是在生成齿轮油泵异质泵体单层增材轨迹时，从内至外偏移的距离，增材制造方式切换点5就是异质增材与单质增材的切换处；

步骤二，安装基板17：将基板17水平安装在数控工作台18上；

步骤三，工艺参数调整模块7设置工艺参数：激光功率为1.8kw，离焦量为+3mm，电弧焊枪159的电弧电压为26v，电弧焊机14的焊接电流为200a，保护气体为纯ar，送丝机16输送焊丝的速度为5m/min；

步骤四，工业控制计算机8通过机器人控制柜13控制机器人12，带动增材制造装置15移动到增材制造开始点3，调整增材制造装置15的位置，使激光束垂直于基板17；

增材制造开始点3是异质增材制造的开始点；

步骤五，泵体内侧异质增材区域4制造：

开启冷却水泵9，工业控制计算机8同步发出指令给激光器控制柜11、电弧焊机14、送丝机16、数控工作台18，开始泵体内侧耐磨层异质增材区域4制造，数控工作台18运行速度为1.0m/min，在保护气体ar气的保护下，激光将焊丝m2155熔化，电弧焊枪159将焊丝m1156熔化，二者形成联合熔池，在激光的作用下，两种焊丝充分混合形成异质增材区域4，当制造的泵体毛坯异质层宽度达到10mm，即到达增材制造方式切换点5处时，送丝机16停止送丝；

其中焊丝m1156为不锈钢焊丝，焊丝m2155为镍铬合金焊丝；

步骤六，泵体外侧单质增材区域1制造：

激光辅助电弧焊枪159将焊丝m1156熔化，沉积完成泵体外侧的单质增材区域1，直至完成设定轨迹；

步骤七，工业控制计算机8发出指令控制机器人12向上移动3mm，并回到上一层增材制造开始点3，然后重复上述步骤五～步骤六，制造齿轮油泵异质泵体的剩余部分；

步骤八，重复步骤七，直至齿轮油泵异质泵体毛坯增材制造完成，工业控制计算机8通过激光器控制柜11控制激光器10关闭，电弧焊机14停止工作，关闭冷却水泵9，通过机器人控制柜13控制机器人12带动增材制造装置15回到安全位，齿轮油泵异质泵体毛坯制造完成，齿轮油泵异质泵体毛坯如图12所示，其维氏硬度如图13所示，过渡区域2的维氏硬度从单质增材区域1到异质增材区域4均匀增加，单质增材区域1与异质增材区域4结合良好，异质增材区域4维氏硬明显高于单质增材区域1，达到了提高齿轮油泵异质泵体毛坯内侧硬度，延长使用寿命的目的。

增材制造冷却时，使得电弧焊枪159的工作温度是30～80℃，提高焊接时电流的稳定性，延长电弧焊枪159的使用寿命，保证了增材制造的质量。

在步骤六中进行泵体外侧单质增材区域1制造时，能关闭激光器10，仅依靠电弧焊枪159提供热量进行单质增材制造；同样，也能关闭电弧焊机14和电弧焊枪159，开启送丝机16，调整送丝机16输送焊丝m1156，仅是依靠激光进行单质增材制造。

本说明书中的各个实施例均采用相关的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。