截齒凈成形裝置及方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種截齒凈成形裝置及方法，所述截齒包括齒頭基座和齒頭，所述截齒凈成形裝置包括激光器、激光頭和噴嘴，本發(fā)明提供的截齒凈成形裝置及方法采用三維打印技術(shù)，使用激光將碳化鎢合金粉末直接打在齒頭基座上，使由碳化鎢合金材料制成的齒頭能夠直接成型于齒頭基座上，在加強(qiáng)了齒頭與齒頭基座的結(jié)合強(qiáng)度的同時(shí)，也增強(qiáng)了齒頭自身的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與質(zhì)量。
【專利說明】截齒凈成形裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及工業(yè)生產(chǎn)制造領(lǐng)域，尤其涉及一種截齒凈成形裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]工業(yè)用截齒是采煤機(jī)、掘進(jìn)機(jī)和破碎機(jī)等采掘機(jī)械上直接切割石塊的關(guān)鍵部件。該部件通常采用齒頭及齒頭基座組成的焊接結(jié)構(gòu)，釬焊強(qiáng)度直接影響截齒壽命。工業(yè)用截齒的齒頭普遍采用碳化鎢硬質(zhì)合金材料，齒頭部分鑄造成型后，通過高溫釬焊工藝將鑄造其連接到齒頭基座(12CrMo鋼基材)上。釬焊工藝可以使齒頭與齒頭基座的結(jié)合強(qiáng)度達(dá)到一定水平，但是由于釬焊材料自身強(qiáng)度的限制和釬焊工藝的問題，齒頭與齒頭基座結(jié)合界面的斷裂仍然是截齒使用過程中的主要失效形式，限制了截齒的使用壽命。截齒在工作過程中由于工況惡劣，承受壓縮、彎曲和沖擊等復(fù)雜的合力作用，齒頭脫落現(xiàn)象十分嚴(yán)重。齒頭脫落勢(shì)必要停機(jī)換齒，不但增加生產(chǎn)成本，還會(huì)造成硬質(zhì)合金和貴重鋼材的浪費(fèi)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明提供一種截齒凈成形裝置及方法，以采用三維打印技術(shù)將齒頭直接沉積成型于齒頭基座上，提高齒頭與齒頭基座的結(jié)合強(qiáng)度及齒頭本身的質(zhì)量。
[0004]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供一種截齒凈成形裝置，所述截齒包括齒頭基座和齒頭，所述截齒凈成形裝置包括激光器、激光頭和噴嘴，所述激光器發(fā)出的激光經(jīng)過所述激光頭聚焦后，與碳化鎢合金粉末一起通過所述噴嘴同時(shí)投射到所述齒頭基座表面，形成熔池，所述齒頭基座靠近所述粉末部分的材料與所述粉末在所述熔池中得到混合，所述激光頭在空間內(nèi)做三維運(yùn)動(dòng)，在運(yùn)動(dòng)過程中，所述熔池中的材料不斷冷卻凝固，最終形成所述齒頭，使所述齒頭直接成型于所述齒頭基座上。
[0005]進(jìn)一步的，所述截齒凈成形裝置還包括數(shù)控機(jī)床或機(jī)械臂，所述激光頭在所述數(shù)控機(jī)床或機(jī)械臂的帶動(dòng)下在空間內(nèi)做三維運(yùn)動(dòng)。
[0006]進(jìn)一步的，所述截齒凈成形裝置還包括預(yù)熱系統(tǒng)，所述預(yù)熱系統(tǒng)用于在成型所述齒頭之前為所述齒頭基座預(yù)熱。
[0007]進(jìn)一步的，所述預(yù)熱系統(tǒng)包括感應(yīng)預(yù)熱線圈、感應(yīng)預(yù)熱頭和感應(yīng)預(yù)熱控制器，所述感應(yīng)預(yù)熱線圈繞于所述齒頭基座上，所述感應(yīng)預(yù)熱頭與所述感應(yīng)預(yù)熱線圈的兩端連接，所述感應(yīng)預(yù)熱控制器與所述感應(yīng)預(yù)熱頭電信連接。
[0008]進(jìn)一步的，所述預(yù)熱系統(tǒng)還包括紅外測(cè)溫儀和控制電腦，所述紅外測(cè)溫儀用于測(cè)量所述齒頭基座的溫度，所述控制電腦與所述紅外測(cè)溫儀電信連接，所述感應(yīng)預(yù)熱控制器與所述控制電腦電信連接，所述控制電腦根據(jù)所述紅外測(cè)溫儀反饋的溫度數(shù)據(jù)，通過所述感應(yīng)預(yù)熱控制器實(shí)時(shí)控制所述齒頭基座的溫度和冷卻速率。
[0009]進(jìn)一步的，所述齒頭基座上成型有錐形型芯，所述錐形型芯與所述齒頭基座所用的材料相同，在進(jìn)行齒頭成型工作時(shí)，所述激光直接打在帶有所述錐形型芯的齒頭基座上。
[0010]本發(fā)明還提供一種截齒凈成形方法，所述截齒包括齒頭基座和齒頭，所述截齒凈成形方法包括:
[0011]步驟一:通過激光器向激光頭發(fā)出激光；
[0012]步驟二:所述激光經(jīng)過所述激光頭聚焦后，與碳化鎢合金粉末一起通過噴嘴同時(shí)投射到所述齒頭基座表面，形成熔池，所述齒頭基座靠近所述粉末部分的材料與所述粉末在所述熔池中得到混合；
[0013]步驟三:所述激光頭在空間內(nèi)做三維運(yùn)動(dòng)，在運(yùn)動(dòng)過程中，所述熔池中的材料不斷冷卻凝固，最終形成所述齒頭，使所述齒頭直接成型于所述齒頭基座上。
[0014]進(jìn)一步的，在所述碳化鎢合金粉末中，碳化鎢的重量百分比為10%_98%，粉末顆粒度為1-300微米，粉末形狀為不規(guī)則形狀或球形。
[0015]進(jìn)一步的，所述激光的功率為50-5000瓦，所述激光的掃描速度為1-100毫米每秒，送粉速率為1-50克每分鐘。
[0016]進(jìn)一步的，在所述步驟一中，在所述激光器工作之前，先對(duì)所述齒頭基座進(jìn)行預(yù)熱。
[0017]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果:
[0018]本發(fā)明提供的截齒凈成形裝置及方法采用三維打印技術(shù)，使用激光將碳化鎢合金粉末直接打在齒頭基座上，使由碳化鎢合金材料制成的齒頭能夠直接成型于齒頭基座上，在加強(qiáng)了齒頭與齒頭基座的結(jié)合強(qiáng)度的同時(shí)，也增強(qiáng)了齒頭自身的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與質(zhì)量。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明:
[0020]圖1為本發(fā)明實(shí)施例提供的截齒凈成形裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0021]圖2為帶有錐形型芯的齒頭基座在使用本發(fā)明實(shí)施例提供的截齒凈成形裝置完成齒頭成型后的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0022]在圖1和圖2中，
[0023]1:截齒；11:齒頭基座；12:齒頭；2:感應(yīng)預(yù)熱線圈；3:感應(yīng)預(yù)熱頭；4:感應(yīng)預(yù)熱控制器；5:控制電腦；6:紅外測(cè)溫儀；7:激光頭；8:激光器；9:噴嘴。
【具體實(shí)施方式】
[0024]以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明提出的截齒凈成形裝置及方法作進(jìn)一步詳細(xì)說明。根據(jù)下面說明和權(quán)利要求書，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和特征將更清楚。需說明的是，附圖均采用非常簡(jiǎn)化的形式且均使用非精準(zhǔn)的比率，僅用以方便、明晰地輔助說明本發(fā)明實(shí)施例的目的。
[0025]本發(fā)明的核心思想在于，提供一種截齒凈成形裝置及方法，所述截齒包括齒頭基座和齒頭，所述截齒凈成形裝置包括激光器、激光頭和噴嘴，所述激光器發(fā)出的激光經(jīng)過所述激光頭聚焦后，與碳化鎢合金粉末一起通過所述噴嘴同時(shí)投射到所述齒頭基座表面，形成熔池，所述齒頭基座靠近所述粉末部分的材料與所述粉末在所述熔池中得到混合，所述激光頭在空間內(nèi)做三維運(yùn)動(dòng)，在運(yùn)動(dòng)過程中，所述熔池中的材料不斷冷卻凝固，最終形成所述齒頭，使所述齒頭直接成型于所述齒頭基座上。本發(fā)明提供的截齒凈成形裝置及方法采用三維打印技術(shù)，使用激光將碳化鎢合金粉末直接打在齒頭基座上，使由碳化鎢合金材料制成的齒頭能夠直接成型于齒頭基座上，在加強(qiáng)了齒頭與齒頭基座的結(jié)合強(qiáng)度的同時(shí)，也增強(qiáng)了齒頭自身的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與質(zhì)量。
[0026]請(qǐng)參考圖1和圖2，圖1為本發(fā)明實(shí)施例提供的截齒凈成形裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為帶有錐形型芯的齒頭基座在使用本發(fā)明實(shí)施例提供的截齒凈成形裝置完成齒頭成型后的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0027]如圖1所示，本發(fā)明實(shí)施例提供一種截齒凈成形裝置，所述截齒I包括齒頭基座11(12CrMo鋼基材)和齒頭12，所述截齒凈成形裝置包括激光器8、激光頭7和噴嘴9，所述激光器8發(fā)出的激光經(jīng)過所述激光頭7聚焦后，與碳化鎢(WC)合金粉末一起通過所述噴嘴9同時(shí)投射到所述齒頭基座11表面，形成熔池，所述齒頭基座11靠近所述粉末部分的材料與所述粉末在所述熔池中得到混合，所述激光頭7在空間內(nèi)做三維運(yùn)動(dòng)，即調(diào)整所述激光和粉末入射的點(diǎn)與方向，在運(yùn)動(dòng)過程中，所述熔池中的材料不斷冷卻凝固，最終形成所述齒頭12，使所述齒頭12直接成型于所述齒頭基座11上。
[0028]在本實(shí)施例中，所述激光器8為光纖激光器，但可以想到的是，如固體激光器、半導(dǎo)體激光器或二氧化碳激光器等其它激光器8也可以用于本專利應(yīng)用，本起到同樣的效果，故本發(fā)明也意圖將這些技術(shù)方案包含在保護(hù)范圍之內(nèi)。
[0029]進(jìn)一步的，所述截齒凈成形裝置還包括數(shù)控機(jī)床或機(jī)械臂，所述激光頭7在所述數(shù)控機(jī)床或機(jī)械臂的帶動(dòng)下在空間內(nèi)做三維運(yùn)動(dòng)。
[0030]進(jìn)一步的，所述截齒凈成形裝置還包括預(yù)熱系統(tǒng)，所述預(yù)熱系統(tǒng)用于在成型所述齒頭之前為所述齒頭基座預(yù)熱，所述預(yù)熱系統(tǒng)包括感應(yīng)預(yù)熱線圈2、感應(yīng)預(yù)熱頭3和感應(yīng)預(yù)熱控制器4，所述感應(yīng)預(yù)熱線圈2繞于所述齒頭基座11上，所述感應(yīng)預(yù)熱頭3與所述感應(yīng)預(yù)熱線圈2的兩端連接，所述感應(yīng)預(yù)熱控制器4與所述感應(yīng)預(yù)熱頭3電信連接，所述預(yù)熱系統(tǒng)還包括紅外測(cè)溫儀6和控制電腦5，所述紅外測(cè)溫儀6用于測(cè)量所述齒頭基座11的溫度，所述控制電腦5與所述紅外測(cè)溫儀6電信連接，所述感應(yīng)預(yù)熱控制器4與所述控制電腦5電信連接，所述控制電腦5根據(jù)所述紅外測(cè)溫儀6反饋的溫度數(shù)據(jù)，通過所述感應(yīng)預(yù)熱控制器4實(shí)時(shí)控制所述齒頭基座11的溫度和冷卻速率，預(yù)熱溫度控制在200-1000°C之間為優(yōu)。
[0031]可以想到的是，采用紅外輻射、電阻絲等其他加熱方法亦可實(shí)現(xiàn)齒頭基座11的預(yù)熱效果，故本發(fā)明也意圖將這些加熱方法包含在保護(hù)范圍之內(nèi)。
[0032]進(jìn)一步的，所述齒頭基座11上成型有錐形型芯，所述錐形型芯與所述齒頭基座11所用的材料相同，如圖2所示，在進(jìn)行齒頭12成型工作時(shí)，所述激光直接打在帶有所述錐形型芯的齒頭基座11上。考慮到截齒I的齒頭12實(shí)際磨損超過一定厚度(如IOmm)即為失效的標(biāo)準(zhǔn)，故在帶有錐形型芯的齒頭基座11上直接成型大于該厚度標(biāo)準(zhǔn)的碳化鎢合金材料，這種制造方法既可以節(jié)省所需使用的碳化鎢合金材料和成型制造的時(shí)間，又有利于減小成型工藝過程中由于熱應(yīng)力引起的開裂變形等缺陷，并且這種工藝，只能由本發(fā)明實(shí)施例提供的截齒凈成形裝置來進(jìn)行加工。
[0033]本發(fā)明還提供一種利用上述截齒凈成形裝置實(shí)現(xiàn)的截齒凈成形方法，所述截齒凈成形方法包括:
[0034]步驟一:通過激光器向激光頭發(fā)出激光；
[0035]步驟二:所述激光經(jīng)過所述激光頭聚焦后，與碳化鎢合金粉末一起通過噴嘴同時(shí)投射到所述齒頭基座表面，形成熔池，所述齒頭基座靠近所述粉末部分的材料與所述粉末在所述熔池中得到混合；
[0036]步驟三:所述激光頭在空間內(nèi)做三維運(yùn)動(dòng)，在運(yùn)動(dòng)過程中，所述熔池中的材料不斷冷卻凝固，最終形成所述齒頭，使所述齒頭直接成型于所述齒頭基座上。
[0037]進(jìn)一步的，在所述碳化鎢合金粉末中，碳化鎢的重量百分比為10%_98%，粉末顆粒度為1-300微米，粉末形狀為不規(guī)則形狀或球形。
[0038]進(jìn)一步的，所述激光的功率為50-5000瓦，所述激光的掃描速度為1_100毫米每秒，送粉速率為1-50克每分鐘，其中激光功率和掃描速度之比定義為線能量密度，單位為J/mm (焦耳每毫米)。工藝實(shí)驗(yàn)研究表明，線能量密度是影響激光熔覆層的形貌尺寸(例如寬度和高度)和三維打印成型質(zhì)量的主要控制參數(shù)。例如，線能量密度與熔覆寬度成正比關(guān)系，通過增大線能量密度也可以有效減少氣孔。但是線能量密度太大時(shí)會(huì)導(dǎo)致WC顆粒在熔池中發(fā)生分解，形成W2C和其它金屬共熔混合物，熔覆層中的WC顆粒平均尺寸明顯下降，還會(huì)增大底材向熔覆層中的稀釋度，降低熔覆層的硬度。另外，較高的線能量密度也會(huì)導(dǎo)致大的溫度梯度和熱應(yīng)力，容易造成裂紋。因此線能量密度應(yīng)控制在合適的范圍，例如對(duì)波長(zhǎng)為近紅外的激光(1064-1080納米)時(shí)，三維打印的線能量密度應(yīng)控制在50-300J/mm范圍內(nèi)，以獲得無氣孔、裂紋等缺陷的高質(zhì)量的硬質(zhì)合金。
[0039]顯然，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對(duì)本發(fā)明進(jìn)行各種改動(dòng)和變型而不脫離本發(fā)明的精神和范圍。這樣，倘若本發(fā)明的這些改動(dòng)和變型屬于本發(fā)明權(quán)利要求及其等同技術(shù)的范圍之內(nèi)，則本發(fā)明也意圖包含這些改動(dòng)和變型在內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種截齒凈成形裝置，所述截齒包括齒頭基座和齒頭，其特征在于，所述截齒凈成形裝置包括激光器、激光頭和噴嘴，所述激光器發(fā)出的激光經(jīng)過所述激光頭聚焦后，與碳化鎢合金粉末一起通過所述噴嘴同時(shí)投射到所述齒頭基座表面，形成熔池，所述齒頭基座靠近所述粉末部分的材料與所述粉末在所述熔池中得到混合，所述激光頭在空間內(nèi)做三維運(yùn)動(dòng)，在運(yùn)動(dòng)過程中，所述熔池中的材料不斷冷卻凝固，最終形成所述齒頭，使所述齒頭直接成型于所述齒頭基座上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的截齒凈成形裝置，其特征在于，還包括數(shù)控機(jī)床或機(jī)械臂，所述激光頭在所述數(shù)控機(jī)床或機(jī)械臂的帶動(dòng)下在空間內(nèi)做三維運(yùn)動(dòng)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的截齒凈成形裝置，其特征在于，還包括預(yù)熱系統(tǒng)，所述預(yù)熱系統(tǒng)用于在成型所述齒頭之前為所述齒頭基座預(yù)熱。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的截齒凈成形裝置，其特征在于，所述預(yù)熱系統(tǒng)包括感應(yīng)預(yù)熱線圈、感應(yīng)預(yù)熱頭和感應(yīng)預(yù)熱控制器，所述感應(yīng)預(yù)熱線圈繞于所述齒頭基座上，所述感應(yīng)預(yù)熱頭與所述感應(yīng)預(yù)熱線圈的兩端連接，所述感應(yīng)預(yù)熱控制器與所述感應(yīng)預(yù)熱頭電信連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的截齒凈成形裝置，其特征在于，所述預(yù)熱系統(tǒng)還包括紅外測(cè)溫儀和控制電腦，所述紅外測(cè)溫儀用于測(cè)量所述齒頭基座的溫度，所述控制電腦與所述紅外測(cè)溫儀電信連接，所述感應(yīng)預(yù)熱控制器與所述控制電腦電信連接，所述控制電腦根據(jù)所述紅外測(cè)溫儀反饋的溫度數(shù)據(jù)，通過所述感應(yīng)預(yù)熱控制器實(shí)時(shí)控制所述齒頭基座的溫度和冷卻速率。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5任一項(xiàng)所述的截齒凈成形裝置，其特征在于，所述齒頭基座上成型有錐形型芯，所述錐形型芯與所述齒頭基座所用的材料相同，在進(jìn)行齒頭成型工作時(shí)，所述激光直接打在帶有所述錐形型芯的齒頭基座上。
7.一種截齒凈成形方法，其特征在于，所述截齒包括齒頭基座和齒頭，其特征在于，所述截齒凈成形方法包括:` 步驟一:通過激光器向激光頭發(fā)出激光； 步驟二:所述激光經(jīng)過所述激光頭聚焦后，與碳化鎢合金粉末一起通過噴嘴同時(shí)投射到所述齒頭基座表面，形成熔池，所述齒頭基座靠近所述粉末部分的材料與所述粉末在所述熔池中得到混合； 步驟三:所述激光頭在空間內(nèi)做三維運(yùn)動(dòng)，在運(yùn)動(dòng)過程中，所述熔池中的材料不斷冷卻凝固，最終形成所述齒頭，使所述齒頭直接成型于所述齒頭基座上。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的截齒凈成形方法，其特征在于，在所述碳化鎢合金粉末中，碳化鎢的重量百分比為10%-98%，粉末顆粒度為1-300微米，粉末形狀為不規(guī)則形狀或球形。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的截齒凈成形裝置的傳動(dòng)方法，其特征在于，所述激光的功率為50-5000瓦，所述激光的掃描速度為1-100毫米每秒，送粉速率為1-50克每分鐘。
10.根據(jù)權(quán)利要求7至9任一項(xiàng)所述的截齒凈成形方法，其特征在于，在所述步驟一中，在所述激光器工作之前，先對(duì)所述齒頭基座進(jìn)行預(yù)熱。
【文檔編號(hào)】B22F5/08GK103600071SQ201310598066
【公開日】2014年2月26日 申請(qǐng)日期:2013年11月22日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月22日
【發(fā)明者】齊歡 申請(qǐng)人:上海彩石激光科技有限公司