零件深孔内壁激光3D打印金属成型温控系统的制作方法

本实用新型涉及深孔内壁激光3D打印技术领域，尤其涉及一种零件深孔内壁激光3D打印金属成型温控系统。

背景技术：

对于小口径(规格φ50mm以下)内径零件的内壁堆焊，工艺过程复杂、产品质量不稳定，故一直是各类加工制造企业的难点。针对小口径深孔零件，目前主要采用的焊接方法有手工电弧堆焊、熔化极气体保护焊和非熔化极保护焊明弧堆焊以及激光堆焊等。从检索的文献和资料来看，采用将焊接热源伸入小口径零件深孔内，在其内壁实施送丝堆焊是主要采用的工艺方法。如专利《双水冷超小口径管内壁TIG堆焊焊枪》(专利申请号：201320819062.6)，设计一种可循环导水管的双层夹套TIG堆焊焊枪，将枪头伸入待堆焊深孔内部进行堆焊，由于枪头尺寸受限，最小堆焊直径为φ38mm。

中国专利申请：201320701175.6《小口径管内壁激光堆焊设备》中公开了将激光束聚焦成环形光斑，环形光斑沿深孔轴线做同轴的直线运动的堆焊方法，其激光运行轨迹为圆柱面。但是该激光焊接方法只能用于预置衬管或合金粉末的内壁堆焊，需要特制的聚焦镜系统才能实施。另外，当需要多层、大厚度堆焊层时，该激光堆焊方法无法实施连续成型，需要多次预置衬管或合金粉末。中国专利申请：201420510894.4《一种小口径管件内壁耐蚀堆焊焊接装置》中公开了一种可抽焊接烟尘的焊接装置，其可在孔内进行旋转焊接，堆焊过程中焊枪需伸入孔内。

尽管上述孔内壁的堆焊有一些技术改进，但由于其技术或工艺本身的原因还存在局限性，如上面提到的将焊枪伸入孔内堆焊时，适用的孔的内径必然受限于焊枪尺寸大小，内径较小的孔的内壁是不能通过这种方式被堆焊的。

专利《利用激光堆焊对孔内壁表面改性的表面改性的方法及装置》(专利申请号：201510489726.0)公开了一种深孔零件内壁激光堆焊制造工艺。该工艺方案是：采用载气式送粉至孔内，形成整个孔内的连续水平铺粉；通过倾斜激光束照射至内孔壁，使用激光束将粉末堆焊材料逐点熔覆在孔的内壁的表面上；随着铺粉送粉高度的增加，激光束斑点也随之协同上升。相对于现有技术，该实用新型专利操作简易、制备方便，且具有更高效的生产效率，能对更加细小直径的深孔的内壁进行激光堆焊。然而，该专利也存在一些不足，即激光热量始终集中于孔内而不能散热，容易造成孔内壁熔化金属凝固困难，不仅导致深孔内壁无法连续激光3D打印成型金属，而且3D打印内壁耐磨层与深孔零件基体稀释率也难以控制。

技术实现要素：

本实用新型的目的是为了解决上述问题，提供一种零件深孔内壁激光3D打印金属成型温控系统，通过孔内循环水冷却、孔外循环水冷却的内外双重冷却方法，解决深孔零件内壁连续激光熔覆造成的散热难题。

本实用新型采取的技术方案是：

一种零件深孔内壁激光3D打印金属成型温控系统，其特征是，在深孔零件孔内设置芯棒，所述芯棒的上端位于零件深孔上方，所述芯棒的上端两侧分别设置进水口和出水口，所述芯棒内形成U形通道，所述进水口与出水口分别连接至U形通道的两端，形成孔内冷却装置，所述芯棒与深孔零件孔的底部和内壁形成金属打印通道，所述深孔零件安装在转动机构上，相对于所述芯棒转动，在芯棒一侧的所述金属打印通道内设置送粉管，在芯棒另一侧的所述金属打印通道上方设置激光头，所述激光头发射激光对送粉管送进的合金粉末进行熔覆 3D打印，所述芯棒通过水循环对深孔零件进行冷却。

进一步，所述芯棒材料为铜合金，在所述芯棒表面镀有耐磨涂层。

进一步，所述芯棒材料为紫铜，在所述芯棒表面镀铬或镀镍。

进一步，所述深孔零件的上方固定设置支撑架，所述支撑架随深孔零件转动，所述支撑架支撑所述芯棒，所述芯棒的进水口与出水口固定连接至循环水单元。

进一步，所述芯棒的下端接近于所述深孔零件内孔的底部。

进一步，在所述深孔零件的外围，固定设置一层或多层喷水单元，每层喷水单元包括在周向均布的多个喷枪，形成孔外冷却装置，多个喷枪连接至循环水单元，多个喷枪的喷水直接喷射至深孔零件外壁。

进一步，每层喷水单元包括四至八根喷枪，喷枪固定在喷枪支架上。

进一步，当深孔零件孔内温度高于550℃时，所述循环水单元给所述孔内冷却装置和孔外冷却装置输送循环水。

进一步，所述深孔零件的内孔孔径为16mm，所述芯棒内U形通道的内径为 4mm，所述喷枪的喷头直径为0.5mm。

进一步，所述孔内冷却装置的循环冷却水进水水温为18℃，流量为100方每小时；所述孔外冷却装置的循环冷却水进水水温为18℃，流量为30方每小时，深孔零件的旋转速度线速度为2.5mm/s。

本实用新型的有益效果是：

(1)芯棒直接抵达深孔内部，通过材料选择和冷却水温控制，使深孔内温度得到有效控制；

(2)深孔零件旋转式工作，使合金粉末送至激光熔覆位置；

(3)深孔零件旋转式工作，使孔内冷却和孔外冷却更均匀；

(4)结构简单，操作方便。

附图说明

附图1是本实用新型的结构示意图；

附图2是图1的侧视示意图；

附图3是本实用新型中喷枪安装支架的结构示意图；

附图4是喷枪布置俯视图。

附图中的标号分别为：

1.芯棒； 2.进水口；

3.出水口； 4.U形通道；

5.卡盘； 6.送粉管；

7.激光头； 8.喷枪；

9.支撑架； 10.支架；

11.深孔零件； 12.激光。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型零件深孔内壁激光3D打印金属成型温控系统的具体实施方式作详细说明。

参见附图1、2，零件深孔内壁激光3D打印金属成型温控系统的具体结构为，在深孔零件11孔内设置芯棒1，芯棒1的上端位于零件深孔上方，芯棒1的上端两侧分别设置进水口2和出水口3，芯棒1内形成U形通道4，进水口2与出水口3分别连接至U形通道4的两端，形成孔内冷却装置，芯棒1与深孔零件 11孔的底部和内壁形成金属打印通道，深孔零件11安装在转动机构卡盘5上，相对于芯棒1转动，在芯棒1一侧的金属打印通道内设置送粉管6，在芯棒1另一侧的金属打印通道上方设置激光头7，激光头7发射激光8对送粉管6送进的合金粉末进行熔覆3D打印形成堆焊层，芯棒1通过水循环对深孔零件11的内部进行冷却。

参见附图3、4，在深孔零件11的外围，固定设置一层或多层喷水单元，每层喷水单元包括在周向均布的多个喷枪8，形成孔外冷却装置，多个喷枪8连接至循环水单元，多个喷枪8的喷水直接喷射至深孔零件11外壁，对深孔零件11 的外部进行冷却。

孔内冷却装置的芯棒1材料为紫铜，在芯棒1表面镀铬或镀镍。深孔零件 11的上方固定设置支撑架9，支撑架9随深孔零件11转动，支撑架9支撑芯棒 1，芯棒1的进水口2与出水口3固定连接至循环水单元。芯棒1的下端接近于深孔零件11内孔的底部。孔外冷却装置的每层喷水单元包括四至八根喷枪8，喷枪8固定在喷枪支架10上。

在进行深孔内壁激光成型时，首先设置孔内冷却装置的进水水温为18℃，流量为100方每小时。芯棒1的U形内孔直径4mm，进水口2和出水口3的直径为16mm。在激光熔覆过程中，深孔零件11以线速度2.5mm/s旋转，芯棒1保持固定。孔外冷却装置接通循环冷却水，设置进水水温为18℃，流量为30方每小时，喷头直径为0.5mm。在激光熔覆过程中，孔外冷却装置保持固定。当红外温度检测深孔零件11的温度升至550℃时，开启孔外冷却装置的喷头，对深孔零件11喷水冷却。实施孔内外双重冷却方法，可实现深孔零件11内壁堆焊层成型和稀释率的有效控制。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。