截齿净成形装置及方法
【专利摘要】本发明提供一种截齿净成形装置及方法，所述截齿包括齿头基座和齿头，所述截齿净成形装置包括激光器、激光头和喷嘴，本发明提供的截齿净成形装置及方法采用三维打印技术，使用激光将碳化钨合金粉末直接打在齿头基座上，使由碳化钨合金材料制成的齿头能够直接成型于齿头基座上，在加强了齿头与齿头基座的结合强度的同时，也增强了齿头自身的结构强度与质量。
【专利说明】截齿净成形装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及工业生产制造领域，尤其涉及一种截齿净成形装置及方法。
【背景技术】
[0002]工业用截齿是采煤机、掘进机和破碎机等采掘机械上直接切割石块的关键部件。该部件通常采用齿头及齿头基座组成的焊接结构，钎焊强度直接影响截齿寿命。工业用截齿的齿头普遍采用碳化钨硬质合金材料，齿头部分铸造成型后，通过高温钎焊工艺将铸造其连接到齿头基座(12CrMo钢基材)上。钎焊工艺可以使齿头与齿头基座的结合强度达到一定水平，但是由于钎焊材料自身强度的限制和钎焊工艺的问题，齿头与齿头基座结合界面的断裂仍然是截齿使用过程中的主要失效形式，限制了截齿的使用寿命。截齿在工作过程中由于工况恶劣，承受压缩、弯曲和冲击等复杂的合力作用，齿头脱落现象十分严重。齿头脱落势必要停机换齿，不但增加生产成本，还会造成硬质合金和贵重钢材的浪费。
【发明内容】
[0003]本发明提供一种截齿净成形装置及方法，以采用三维打印技术将齿头直接沉积成型于齿头基座上，提高齿头与齿头基座的结合强度及齿头本身的质量。
[0004]为达到上述目的，本发明提供一种截齿净成形装置，所述截齿包括齿头基座和齿头，所述截齿净成形装置包括激光器、激光头和喷嘴，所述激光器发出的激光经过所述激光头聚焦后，与碳化钨合金粉末一起通过所述喷嘴同时投射到所述齿头基座表面，形成熔池，所述齿头基座靠近所述粉末部分的材料与所述粉末在所述熔池中得到混合，所述激光头在空间内做三维运动，在运动过程中，所述熔池中的材料不断冷却凝固，最终形成所述齿头，使所述齿头直接成型于所述齿头基座上。
[0005]进一步的，所述截齿净成形装置还包括数控机床或机械臂，所述激光头在所述数控机床或机械臂的带动下在空间内做三维运动。
[0006]进一步的，所述截齿净成形装置还包括预热系统，所述预热系统用于在成型所述齿头之前为所述齿头基座预热。
[0007]进一步的，所述预热系统包括感应预热线圈、感应预热头和感应预热控制器，所述感应预热线圈绕于所述齿头基座上，所述感应预热头与所述感应预热线圈的两端连接，所述感应预热控制器与所述感应预热头电信连接。
[0008]进一步的，所述预热系统还包括红外测温仪和控制电脑，所述红外测温仪用于测量所述齿头基座的温度，所述控制电脑与所述红外测温仪电信连接，所述感应预热控制器与所述控制电脑电信连接，所述控制电脑根据所述红外测温仪反馈的温度数据，通过所述感应预热控制器实时控制所述齿头基座的温度和冷却速率。
[0009]进一步的，所述齿头基座上成型有锥形型芯，所述锥形型芯与所述齿头基座所用的材料相同，在进行齿头成型工作时，所述激光直接打在带有所述锥形型芯的齿头基座上。
[0010]本发明还提供一种截齿净成形方法，所述截齿包括齿头基座和齿头，所述截齿净成形方法包括:
[0011]步骤一:通过激光器向激光头发出激光；
[0012]步骤二:所述激光经过所述激光头聚焦后，与碳化钨合金粉末一起通过喷嘴同时投射到所述齿头基座表面，形成熔池，所述齿头基座靠近所述粉末部分的材料与所述粉末在所述熔池中得到混合；
[0013]步骤三:所述激光头在空间内做三维运动，在运动过程中，所述熔池中的材料不断冷却凝固，最终形成所述齿头，使所述齿头直接成型于所述齿头基座上。
[0014]进一步的，在所述碳化钨合金粉末中，碳化钨的重量百分比为10%_98%，粉末颗粒度为1-300微米，粉末形状为不规则形状或球形。
[0015]进一步的，所述激光的功率为50-5000瓦，所述激光的扫描速度为1-100毫米每秒，送粉速率为1-50克每分钟。
[0016]进一步的，在所述步骤一中，在所述激光器工作之前，先对所述齿头基座进行预热。
[0017]与现有技术相比，本发明具有以下有益效果:
[0018]本发明提供的截齿净成形装置及方法采用三维打印技术，使用激光将碳化钨合金粉末直接打在齿头基座上，使由碳化钨合金材料制成的齿头能够直接成型于齿头基座上，在加强了齿头与齿头基座的结合强度的同时，也增强了齿头自身的结构强度与质量。
【专利附图】
【附图说明】
[0019]下面结合附图对本发明作进一步说明:
[0020]图1为本发明实施例提供的截齿净成形装置的结构示意图；
[0021]图2为带有锥形型芯的齿头基座在使用本发明实施例提供的截齿净成形装置完成齿头成型后的结构示意图。
[0022]在图1和图2中，
[0023]1:截齿；11:齿头基座；12:齿头；2:感应预热线圈；3:感应预热头；4:感应预热控制器；5:控制电脑；6:红外测温仪；7:激光头；8:激光器；9:喷嘴。
【具体实施方式】
[0024]以下结合附图和具体实施例对本发明提出的截齿净成形装置及方法作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比率，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
[0025]本发明的核心思想在于，提供一种截齿净成形装置及方法，所述截齿包括齿头基座和齿头，所述截齿净成形装置包括激光器、激光头和喷嘴，所述激光器发出的激光经过所述激光头聚焦后，与碳化钨合金粉末一起通过所述喷嘴同时投射到所述齿头基座表面，形成熔池，所述齿头基座靠近所述粉末部分的材料与所述粉末在所述熔池中得到混合，所述激光头在空间内做三维运动，在运动过程中，所述熔池中的材料不断冷却凝固，最终形成所述齿头，使所述齿头直接成型于所述齿头基座上。本发明提供的截齿净成形装置及方法采用三维打印技术，使用激光将碳化钨合金粉末直接打在齿头基座上，使由碳化钨合金材料制成的齿头能够直接成型于齿头基座上，在加强了齿头与齿头基座的结合强度的同时，也增强了齿头自身的结构强度与质量。
[0026]请参考图1和图2，图1为本发明实施例提供的截齿净成形装置的结构示意图；图2为带有锥形型芯的齿头基座在使用本发明实施例提供的截齿净成形装置完成齿头成型后的结构示意图。
[0027]如图1所示，本发明实施例提供一种截齿净成形装置，所述截齿I包括齿头基座11(12CrMo钢基材)和齿头12，所述截齿净成形装置包括激光器8、激光头7和喷嘴9，所述激光器8发出的激光经过所述激光头7聚焦后，与碳化钨(WC)合金粉末一起通过所述喷嘴9同时投射到所述齿头基座11表面，形成熔池，所述齿头基座11靠近所述粉末部分的材料与所述粉末在所述熔池中得到混合，所述激光头7在空间内做三维运动，即调整所述激光和粉末入射的点与方向，在运动过程中，所述熔池中的材料不断冷却凝固，最终形成所述齿头12，使所述齿头12直接成型于所述齿头基座11上。
[0028]在本实施例中，所述激光器8为光纤激光器，但可以想到的是，如固体激光器、半导体激光器或二氧化碳激光器等其它激光器8也可以用于本专利应用，本起到同样的效果，故本发明也意图将这些技术方案包含在保护范围之内。
[0029]进一步的，所述截齿净成形装置还包括数控机床或机械臂，所述激光头7在所述数控机床或机械臂的带动下在空间内做三维运动。
[0030]进一步的，所述截齿净成形装置还包括预热系统，所述预热系统用于在成型所述齿头之前为所述齿头基座预热，所述预热系统包括感应预热线圈2、感应预热头3和感应预热控制器4，所述感应预热线圈2绕于所述齿头基座11上，所述感应预热头3与所述感应预热线圈2的两端连接，所述感应预热控制器4与所述感应预热头3电信连接，所述预热系统还包括红外测温仪6和控制电脑5，所述红外测温仪6用于测量所述齿头基座11的温度，所述控制电脑5与所述红外测温仪6电信连接，所述感应预热控制器4与所述控制电脑5电信连接，所述控制电脑5根据所述红外测温仪6反馈的温度数据，通过所述感应预热控制器4实时控制所述齿头基座11的温度和冷却速率，预热温度控制在200-1000°C之间为优。
[0031]可以想到的是，采用红外辐射、电阻丝等其他加热方法亦可实现齿头基座11的预热效果，故本发明也意图将这些加热方法包含在保护范围之内。
[0032]进一步的，所述齿头基座11上成型有锥形型芯，所述锥形型芯与所述齿头基座11所用的材料相同，如图2所示，在进行齿头12成型工作时，所述激光直接打在带有所述锥形型芯的齿头基座11上。考虑到截齿I的齿头12实际磨损超过一定厚度(如IOmm)即为失效的标准，故在带有锥形型芯的齿头基座11上直接成型大于该厚度标准的碳化钨合金材料，这种制造方法既可以节省所需使用的碳化钨合金材料和成型制造的时间，又有利于减小成型工艺过程中由于热应力引起的开裂变形等缺陷，并且这种工艺，只能由本发明实施例提供的截齿净成形装置来进行加工。
[0033]本发明还提供一种利用上述截齿净成形装置实现的截齿净成形方法，所述截齿净成形方法包括:
[0034]步骤一:通过激光器向激光头发出激光；
[0035]步骤二:所述激光经过所述激光头聚焦后，与碳化钨合金粉末一起通过喷嘴同时投射到所述齿头基座表面，形成熔池，所述齿头基座靠近所述粉末部分的材料与所述粉末在所述熔池中得到混合；
[0036]步骤三:所述激光头在空间内做三维运动，在运动过程中，所述熔池中的材料不断冷却凝固，最终形成所述齿头，使所述齿头直接成型于所述齿头基座上。
[0037]进一步的，在所述碳化钨合金粉末中，碳化钨的重量百分比为10%_98%，粉末颗粒度为1-300微米，粉末形状为不规则形状或球形。
[0038]进一步的，所述激光的功率为50-5000瓦，所述激光的扫描速度为1_100毫米每秒，送粉速率为1-50克每分钟，其中激光功率和扫描速度之比定义为线能量密度，单位为J/mm (焦耳每毫米)。工艺实验研究表明，线能量密度是影响激光熔覆层的形貌尺寸(例如宽度和高度)和三维打印成型质量的主要控制参数。例如，线能量密度与熔覆宽度成正比关系，通过增大线能量密度也可以有效减少气孔。但是线能量密度太大时会导致WC颗粒在熔池中发生分解，形成W2C和其它金属共熔混合物，熔覆层中的WC颗粒平均尺寸明显下降，还会增大底材向熔覆层中的稀释度，降低熔覆层的硬度。另外，较高的线能量密度也会导致大的温度梯度和热应力，容易造成裂纹。因此线能量密度应控制在合适的范围，例如对波长为近红外的激光(1064-1080纳米)时，三维打印的线能量密度应控制在50-300J/mm范围内，以获得无气孔、裂纹等缺陷的高质量的硬质合金。
[0039]显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些改动和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
【权利要求】
1.一种截齿净成形装置，所述截齿包括齿头基座和齿头，其特征在于，所述截齿净成形装置包括激光器、激光头和喷嘴，所述激光器发出的激光经过所述激光头聚焦后，与碳化钨合金粉末一起通过所述喷嘴同时投射到所述齿头基座表面，形成熔池，所述齿头基座靠近所述粉末部分的材料与所述粉末在所述熔池中得到混合，所述激光头在空间内做三维运动，在运动过程中，所述熔池中的材料不断冷却凝固，最终形成所述齿头，使所述齿头直接成型于所述齿头基座上。
2.根据权利要求1所述的截齿净成形装置，其特征在于，还包括数控机床或机械臂，所述激光头在所述数控机床或机械臂的带动下在空间内做三维运动。
3.根据权利要求1所述的截齿净成形装置，其特征在于，还包括预热系统，所述预热系统用于在成型所述齿头之前为所述齿头基座预热。
4.根据权利要求3所述的截齿净成形装置，其特征在于，所述预热系统包括感应预热线圈、感应预热头和感应预热控制器，所述感应预热线圈绕于所述齿头基座上，所述感应预热头与所述感应预热线圈的两端连接，所述感应预热控制器与所述感应预热头电信连接。
5.根据权利要求4所述的截齿净成形装置，其特征在于，所述预热系统还包括红外测温仪和控制电脑，所述红外测温仪用于测量所述齿头基座的温度，所述控制电脑与所述红外测温仪电信连接，所述感应预热控制器与所述控制电脑电信连接，所述控制电脑根据所述红外测温仪反馈的温度数据，通过所述感应预热控制器实时控制所述齿头基座的温度和冷却速率。
6.根据权利要求1至5任一项所述的截齿净成形装置，其特征在于，所述齿头基座上成型有锥形型芯，所述锥形型芯与所述齿头基座所用的材料相同，在进行齿头成型工作时，所述激光直接打在带有所述锥形型芯的齿头基座上。
7.一种截齿净成形方法，其特征在于，所述截齿包括齿头基座和齿头，其特征在于，所述截齿净成形方法包括:` 步骤一:通过激光器向激光头发出激光； 步骤二:所述激光经过所述激光头聚焦后，与碳化钨合金粉末一起通过喷嘴同时投射到所述齿头基座表面，形成熔池，所述齿头基座靠近所述粉末部分的材料与所述粉末在所述熔池中得到混合； 步骤三:所述激光头在空间内做三维运动，在运动过程中，所述熔池中的材料不断冷却凝固，最终形成所述齿头，使所述齿头直接成型于所述齿头基座上。
8.根据权利要求7所述的截齿净成形方法，其特征在于，在所述碳化钨合金粉末中，碳化钨的重量百分比为10%-98%，粉末颗粒度为1-300微米，粉末形状为不规则形状或球形。
9.根据权利要求7所述的截齿净成形装置的传动方法，其特征在于，所述激光的功率为50-5000瓦，所述激光的扫描速度为1-100毫米每秒，送粉速率为1-50克每分钟。
10.根据权利要求7至9任一项所述的截齿净成形方法，其特征在于，在所述步骤一中，在所述激光器工作之前，先对所述齿头基座进行预热。
【文档编号】B22F5/08GK103600071SQ201310598066
【公开日】2014年2月26日 申请日期:2013年11月22日 优先权日:2013年11月22日
【发明者】齐欢 申请人:上海彩石激光科技有限公司