增材制造同轴送粉喷嘴汇聚特性测试装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及材料制造领域，具体是一种增材制造中同轴送粉喷嘴汇聚特性的测试
目.0
【背景技术】
[0002]随着现代化生产对材料性能的不断提高，增材制造技术迅速发展，尤其是高性能金属零件的激光直接增材制造成形技术，已经成为一种重要的零件快速制造手段。进行激光增材制造时，激光束、粉末输送、保护气体供给同步进行，可有效地提高熔覆层的质量和粉末利用率，其中粉末送进的稳定性对成形零件的质量和精度有至关重要的影响，因此同轴送粉装置是激光增材制造技术材料供给设备的研究重点之一。
[0003]粉末输送就是载粉气体携带金属粉末通过管道及管道末端的喷嘴，将粉末准确输送入熔池的过程。与侧向送粉方式比较，同轴送粉方式由于具有无向性、粉斑汇聚性好、送进距离长等优点，在增材制造技术中得到广泛应用。同轴送粉喷嘴设计的主要指标是获得良好的粉末汇聚浓度、较长的粉末焦点距离、较小的粉末焦斑半径。
[0004]公开发表的“激光立体成形粉末流输送的数值模拟研究”文献(激光技术，2011年，38卷，10期)，通过建立载粉气流湍流模型及粉末颗粒在载粉气湍流中的受力分析，建立了四路同轴粉末流输送的有限元数值模型。但是，该模型做了一定的简化处理，同实际测量结果存在差异。
[0005]公开发表的“基于图像的激光熔覆粉末粒子运动行为分析”文献(激光技术，2010年，34卷，3期)，建立了数字粒子图像测速实验装置，研究了送分量、送粉气流的变化对同轴载气粉末粒子行为的研究，得到了不同送粉参量下，粉末的速度场和浓度场云图。但是，该装置仅对粉末粒子的图像进行了计算机处理，不能对不同喷嘴的角度和汇聚距离进行调整，不能自动对汇聚距离进行测定。
[0006]公开发表的“保护箱中激光沉积的粉末流、熔池观测与分析”文献(激光技术，2006年，33卷，2期)，使用CXD对粉末汇聚情况和沉积过程进行了实时观察和分析，得出了不同位置的粉末流分布模型，获得同轴送粉喷嘴到沉积表面的适用距离。但是，该测试仅能对某一角度的送粉喷嘴的汇聚距离进行测定，不能对不同角度、不同长度和不同形状的送粉喷嘴的汇聚距离和粉斑大小进行自动测定。
[0007]公开发表的“激光熔覆中金属粉末流的参数检测”文献(中国光学学会2010年光学大会论文集)，应用数字粒子图像测速技术对粒子的运动进行测量，得到粉末流的汇聚角、发散角以及速度分布等信息，但是该系统仅为观测系统，不能对送粉喷嘴的角度调整和进行自动检测。
[0008]公开发表的“激光制造中同轴粉末流动量和质量传输”文献(中国激光，2008年，34卷，11期)，研制了一套粉末流场检测系统，能够对粉末流的浓度场进行检测，但是该系统不能对不同送粉喷嘴的喷射角度、喷射距离进行优化。
[0009]公开发表的 “Numerical Simulat1n and Comparison of Powder Jet Profilesfor Different Types of Coaxial Nozzles in Direct Material Deposit1n，，文南犬(Lasers in Manufacturing Conference 2013)，使用数值计算的方法研究了不同类型的同轴喷嘴的粉末汇聚特性，公开的文献表明模拟与实验结果吻合较好，存在的主要问题是数值仿真需要设定各种参数，不同颗粒大小、不同材料、不同的粉末颗粒形状、喷嘴的不同角度都对设定的参数具有影响，因此为了对情况进行仿真往往需要多次与实验结果进行比对，然后才能得到合理的参数，数值计算也是一种获得粉末颗粒汇聚特性的方法，该方法与本发明不冲突。
[0010]对于送粉喷嘴的设计可以采用流体力学计算方法，通过对气固两相流的运动情况进行建模，模拟载粉气体相与固体颗粒相的相互作用过程，进而采用数值计算的方法对送粉喷嘴间隙大小、倾斜角度等参数进行优化。但是，粉末流从喷嘴喷射后的运动情况受到诸多因素的影响，主要影响因素有入射粉末流的速度、同轴送粉喷嘴的喷射间隙、锥形面的壁面倾角及粉末腔的高度等。实际中，影响粉末汇聚特性的因素众多，建立符合某一类情况的边界条件和结构特征的粉末输送与汇聚数学模型，已经十分困难。而且，不同的金属材料、不同大小的粉末颗粒度、不同形状的粉末颗粒等都会对粉末的汇聚特性产生影响，因此，要建立统一、可靠的有限元模型对粉末汇聚特性进行评价的方法可行度不高。为此，本发明设计了一种送粉喷嘴粉末汇聚特性的测试装置，能够对各种形状、大小、角度的同轴送粉喷嘴汇聚特性进行快速测试，获得最佳的喷嘴送粉角度和汇聚距离。
【发明内容】
[0011]为克服现有技术中存在的不能调整送粉喷嘴的角度和距离的不足，本发明提出了一种增材制造同轴送粉喷嘴汇聚特性测试装置。
[0012]本发明包括主体框架、水平移动平台、四个喷嘴、各喷嘴的角度调节机构、视觉系统和驱动电机;其中，所述水平移动平台、喷嘴角度调节机构、视觉系统均安装在该主体框架内，并使所述水平移动平台和喷嘴角度调节机构分别安装在该主体框架的顶板的下表面;所述视觉系统中包括顶部垂直向下视觉系统和水平视觉系统，所述垂直向下视觉系统中的顶置相机位于所述顶板下表面的几何中心处;水平视觉系统中的侧位相机位于该主体框架内一侧侧边处;所述驱动电机有两台，分别是X轴步进电机和Y轴步进电机，均固定安装在所述主体框架的顶板的边框上，并使所述X轴步进电机的轴线与Y轴步进电机的轴线空间相互垂直;在所述顶板下表面安装有X轴滑块导轨和Y轴滑块导轨;所述各导轨均为两段，并且各段导轨的内端均在该顶板的几何中心交汇，使所述的X轴滑块导轨和Y轴滑块导轨呈十字交叉;各段导轨的外端分别延伸制该顶板的边缘。
[0013]所述的水平移动平台包括X向移动机构和Y向移动机构;其中X向移动机构中的X轴丝杠的两端分别通过丝杠支撑座安装在所述顶板下表面两端的边框上，Y向移动机构中的Y轴丝杠的两端分别通过丝杠支撑座安装在所述顶板下表面另两端的边框上;所述X轴丝杠的轴线与Y轴丝杠的轴线相互垂直，并使所述X轴丝杠的轴线与Y轴丝杠的轴线的交汇点位于所述顶板的几何中心;交汇时，所述X轴丝杠位于Y轴丝杠的下方;所述X轴丝杠的轴线与Y轴丝杠的轴线与所述各导轨宽度向的中心线重合。
[0014]喷嘴角度调节机构由四个角度测量器、四个喷嘴安装座、四个转接板、四个喷嘴和四个送粉管构成；四个喷嘴分别通过各喷嘴安装座安装在所述顶板的下表面，并使该喷嘴的轴线与丝杠轴线在同一竖直平面内；各转接板的一端分别与各滚珠丝杠滑块连接，各转接板的另一端与各喷嘴安装座配合紧固；四个喷嘴的角度调节机构分别通过转接板分别与X向移动机构中的滑块和Y向移动机构中的滑块连接;所述角度指示器的一端固定安装在转接板的中部。
[0015]所述喷嘴安装座为内部有送粉通道的球体;所述送粉通道的中心线过所述球体的球心;该送粉通道一端的孔口处有喷嘴安装孔，并使该喷嘴安装孔与所述送粉通道同轴;所述喷嘴安装孔的孔壁表面为与喷嘴连接端配合的螺纹面;所述送粉通道另一端的孔口上连接有送粉管;在所述球体上的连接螺栓安装孔的中心线与所述喷嘴安装孔的中心线空间相互垂直，并均通过该球体的球心;在该球体的表面固定有指针。
[0016]所述主体框架为方形框架结构，包括底板、顶板和支撑杆，并且连接完成后顶板与底板相互平行。
[0017]所述水平移动平台中的X向移动机构包括X轴丝杠、两个丝杠支撑座和X轴滚珠丝杠滑块;所述的X轴丝杠分为两段，两段丝杠之间通过连接套连接成为一根丝杠;所述每段X轴丝杠的长度为顶板的一个边至该顶板几何中心的距离;所述的两段X轴丝杠的螺旋方向相反，即一段为左旋，另一段为右旋;所述丝杠支撑座的上端为与X轴滑块导轨配合的凹槽，所述丝杠支撑座的下端有与X轴丝杠配合的螺孔;两个丝杠支撑座分别安装在顶板对称的两个边