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论文在线分享-激光增材制造光内同轴送丝喷嘴及光路传输的结构设

2021-06-08 15:07:06
作者:杭州千明

  激光增材制造技术是一种先进制造技术,它以激光为热量源,采用逐层堆积的方式加工出物品。其中,送丝式激光增材制造技术具有节约原料、丝材易于控制输送、无污染、成形效率高等优点,虽然相关研究比较少,但优势巨大,发展潜力很大。本文分析了一些光内同轴送丝的常见问题,包括光丝干涉,送丝管道送丝不畅,丝材偏摆等,提出一个解决上述问题的喷嘴结构创新方案,可以为送丝式激光增材制造技术相关研究提供补充。

  本文先进行光路的设计,再通过对结构设计数据的合理选取和核算,最后结合三维设计软件进行零件图和工程图的绘制,本文说明设计过程,分析各个结构的特点及可行性。最终设计出一个光内同轴送丝喷嘴和相应的光路。本设计有以下特点:(1)设计了新的光路。(2)设计冷却套筒实现冷却功能。(3)实现了丝材垂直正向进入熔池。(4)设计对中装置,提升装配精度。

  增材制造技术又俗称3D打印,是近30年来发展很快的一门先进制造技术。它融合了CAD、材料加工成形技术等多个方面的内容,目前得到了大量地应用。增材制造技术利用三维的数据模型,以一种自下而上的方式将材料逐层地加工、铺盖、堆叠来形成零件,是一种从无到有的制造方式。它不同于以往的切削加工技术,切削加工的原材料利用率较低,针对薄壁、内含流道等复杂零件难以加工,但增材制造可以进行复杂零件的制造,原材料的损耗也大大降低,加工工序也得到了减少,进而使周期变短,零件结构越复杂,其速度优势越明显。

  激光增材制造技术是以激光作为热源来进行零件的加工。这种加工方式的能量密度高。激光增材制造技术分激光直接沉积成形和选择性熔化两种,其中通过直接沉积成形技术加工出的零件的力学性能比较好、成形效率也高,适合于加工大、中型承力构件[1]。不仅如此,直接沉积成形技术还可以用于修复技术之中[1]。同步送料的激光增材制造技术涉及到了一个许多平面进行堆叠可以形成三维物体的分层思想。该技术一般包括以下几个步骤[2]:(1)利用软件建立模型,一般是用计算机辅助设计软件比较好。(2)通过专门的零件分层软件对零件进行分层。(3)利用上一步的数据,设定加工路线。(4)逐层加工,得到零件。但是,基于同步送料的激光增材制造技术也有缺点,对于零件的精度要求很高或者是待加工零件的复杂度很高的时候,加工比较困难。

  喷嘴是激光增材制造技术的重点部件之一,喷嘴直接影响加工零件的性能,随着技术的发展,目前许多喷嘴结构都是将多个零件以一定形式进行组合形成喷嘴。本方案具体包括一个分体式喷嘴结构和光内同轴送丝光路传输部分,提出的这种新的喷嘴设计方案可以进一步补充激光送丝增材制造的相关研究。

  1.2研究背景及意义

  在过去三十年间,增材制造技术取得了长足的发展。而对于金属的增材制造方案来说,按照热量来源的不同,大致可分为电子束增材方法、电弧增材方法和激光增材制造方法[3]。其中激光增材制造技术就是以激光为能量源的增材制造技术,利用金属原料和激光增材制造技术加工出来的零件如下图1所示;电弧增材制造的能量分散,还会有大量飞溅产生,影响了表面质量,成型精度也低;电子束增材制造虽然不反射能量,但对真空度的要求很高。激光增材制造技术是这三种方法里应用最广,相关研究也最多的方法[3],目前在航空航天,船舶,军事等多个领域得到了广泛的运用。激光增材制造按原材料输送形态又可分为送丝式和送粉式[1]。

  (a)(b)

  图1零件展示图

  目前,国内外关于激光增材制造技术的研究主要是采用送粉式,采用送丝式的不多[3]。送粉式指的是把原材料以粉末状送入输送管道,然后进行加工。粉末的缺点在于材料利用率很低,大概20~30%[4],粉末的污染对环境危害很大,不仅如此,如果有未熔的粉末附着在熔覆层表面,就会影响加工质量。送丝式指的是原材料以丝状送入管道,其优点有:(1)原料利用率高,价格低且获取容易。(2)成形效率比较高。(3)丝材输送属于刚性输送,易于控制。(4)没有金属粉尘污染。与送粉式相比,送丝式不存在粉尘污染,对材料的利用率也很高,可达100%,成本也较低,使用价值比较高。送丝式还有很大发展空间和推广前景。

  1.3国内外研究现状

  目前,对激光送丝增材制造的研究相对较少。送丝式有旁轴和同轴送丝之分[1],旁轴送丝是指丝材从熔覆头的侧面被送入熔池,在扫描时送丝方向的改变会影响成形质量,而且丝材和激光的位置关系在不同离焦量下发生改变,使得光丝无法准确耦合。同轴送丝是指激光束和丝材的轴心在同一条线上的送丝方式。同轴送丝在方向剧烈变化处,只需通过两个轴的加减速就可以实现[1],这一过程速度很快,耗时也短,不会过度堆积材料,简化了结构与控制算法,也没有方向性的限制,光丝可以精确耦合,激光束辐照对丝材也有一定的预热作用。相比于旁轴送丝,适应性更强,极具发展潜力。但是同轴送丝设计要考虑光束转换,成型复杂度也受限,还需要考虑环形光的汇聚角度以及光斑内外径的大小等因素对加工效果的影响[1],送丝速度对加工效果也有一定的影响[5]。

  现在主要的同轴激光送丝熔覆头大多采用对激光束进行光路转换的思路,比如:①外圆锥镜搭配内圆锥镜将实心光束变成中空环形光束[6],如下图2所示;②将实心光束通过三棱镜分光成三光束[7],如下图3所示。然后可以对激光束进行聚焦操作,它们都满足了聚焦后是高斯光源的条件。这些设计都实现了对激光束的先分再聚,可以在激光束中形成中空部分设置送丝装置。但它们都存在一定的问题,二者都有的问题---丝材无法垂直送入,从进入喷嘴到进入熔池存在弯折现象累积热应力,当丝材离开喷嘴出口时,会发生应力释放,造成丝材偏摆,丝材偏摆会影响熔覆层的质量;另外,对于方法①有其单独存在的问题,即送丝管对激光有一定的遮挡,影响了激光的利用率。

  图2中空光转换示意图图3三束光转换示意图

  另外,金属的熔化过渡方式也是激光熔丝相关研究之一,熔化过渡方式对零件加工质量有影响[1]。过渡方式一般可分为两种,分别是熔滴过渡和液桥过渡[1]。熔滴过渡指的是丝材在激光照射下变成熔滴,滴落到基底上,然后铺开就形成了沉积层;液桥过渡是先将丝材靠近熔池,然后再熔化,最后通过融化金属与熔池之间形成的连接进行作业[1]。进行深入研究后,研究人员发现液桥过渡更便于获取熔敷轨迹良好的熔敷道[1]。除了以上两种过渡模式之外,当前对丝材熔化过渡其他方面的研究还相对较少。

  目前的研究发现光内同轴送丝方式在表面质量、成形件精度、残余应力、零件路径规划等方面还有一些问题待解决[1],未来国内外的研究将致力于以下几点[1]:(1)对激光增材制造残余应力的测量和分析,(2)建立能够执行快速响应和多通道的工作过程的闭环控制系统。(3)对熔池状态进行不同角度、各个方向的监测,(4)探究工艺参数和零件形状尺寸的关系,以便更好的控制成形精度[1]。

  1.4本设计的问题解决方案及意义

  本设计要解决的问题有:(1)光丝干涉问题以及激光与其它零件的干涉问题。(2)送丝不畅或丝材卡住的问题。(3)丝材折弯累积热应力,导致送丝时丝材偏摆的问题。(4)光学元件的冷却问题。(5)保护气管道的设置问题。(6)光丝同轴性问题。

  为了解决上述问题,本设计拟定的解决方案包括:(1)对光路路径以及各个零件尺寸进行合理设计并给出不干涉的证明。(2)通过垂直的送丝管和保护气管道来实现丝材垂直送入,避免折弯现象和丝材偏摆以及送丝不畅。(3)通过冷却套筒和冷却通道实现光学元件的冷却,利用橡胶密封圈防漏水。(4)设计多级保护气管道,并将送丝管道与保护气管道合二为一。(5)设计对中装置,提高装配精度。

  本文先通过光路设计来确定结构的大致形状,然后再进行结构设计。在结构设计的同时说明喷嘴包含的具体零件,并说明各零件具体设计过程及作用,在进行光路设计和结构设计的同时详细说明上述问题与解决方案。本设计可以扩展激光送丝增材技术的相关研究。

  第二章光路设计

  2.1光路设计准则

  光路设计准则:一是要避免的问题是光丝干涉,光丝干涉指的是激光束在传播过程中与送丝管道发生干涉,这会让送丝管道受热并产生激光能量损失[8],为加工带来负面影响。二是实现光丝同轴的要求。常用的途径是先分光后聚光原理,高效简便的完成分光聚光是实现同轴送丝喷嘴功能的前提与保证。所以本设计考虑将激光束分成几束来绕开管道,既满足了光丝同轴,又避免了光丝干涉。

  2.2光路设计思路

  基本的光路设计思路:基于20mm的圆形平行光线要求,将光线从右侧照射进来,首先接触双面分光镜-④的两个侧面,这两个侧面均是平面镜,它们起到分光和反射的作用,光线沿直径被均分为两个半圆形光束,方向也发生了改变。这两束光分别照射到单面镜-③和单面镜-⑤上,方向再次发生了改变,变得与入射光方向相同,但是激光由入射的单束光分为平行的双束光。这两束光都照射到一面大平面反射镜-①上并将光束由平行方向转为垂直方向,这时送丝通道穿过两束光之间的间距,且平行于竖直方向的这两束半圆形光,可以避免光丝干涉。然后这两束光在下方的凸透镜-②处被聚焦,设定焦距为350mm[9],聚焦后还是高斯光源。该光路实现了激光束的先分再聚,同时两束激光之间为送丝装置留下了足够的空间,实现了光路设计的要求,光路如下图4、5、6、7所示:

  图4单、双面镜局部视图

  图5大平面镜局部视图图6凸透镜局部视图

  图7光路传输原理示意图

  ①:大平面反射镜②:凸透镜③:单面镜④:双面分光镜⑤:单面镜

  三个局部图分别仅针对大平面镜、凸透镜、双面镜加单面镜的组合进行观察。图4、5、6都只表示某一个或某一组光学元件对激光起到的作用,对其他光学元件的光学作用不表示。只有图7表示整个光路路径,这四个图都仅作为示意图,只表示几个元件的相对位置,不显示尺寸。

  2.3本章小结

  本章分析了在设计光路过程中需要避免的问题和需要注意的事项,并给出符合条件的光路基本思考方向,提出一个符合思考方向的光路设计方案,然后给出所有光学元件的传输原理图并说明光路在理论上的可行性。因为结构设计要在光路设计的基础上进行,所以通过本章将光路确定后,喷嘴结构的大致形状也就确定了,可以为下一章结构设计确立基础。

  第三章结构设计

  3.1装配总体要求

  为了加强装配和加工的便利程度,本设计将喷嘴设计成一个分体式结构。所需要的零件可以按装配需要被细分成对中装置-1、大平面镜镜-2、上送气筒-3、上连接管-4、入光口冷却套筒-5、入光口-6、单面镜1-7、单面镜2-8、凸透镜冷却套筒-9、下连接管-10、送丝管-11、夹紧装置-12、下送气管-13、凸透镜-14、双面镜-15,以及各自零件为了连接所需要用到的螺钉等。结构设计包括光学元件设计、入光口设计、上连接筒设计、下连接筒设计、送丝筒设计、送气筒设计、对中装置设计、冷却装置设计、螺纹设计和公差选择等,整体结构如下图8所示:

  图8喷嘴装配示意图

  针对送丝管,送丝管是用来运送丝状原材料的,圆弧曲率不应过小,否则就会造成送丝不畅甚至卡住,送丝不畅多发生在送丝管曲率太大的情况下,因此考虑将送丝管设计成竖直的圆管,这样曲率等于零,管道堵塞的可能性大大降低。丝材是圆柱形的,故将送丝管也设计为圆筒状的。

  因为装配和加工时有误差,所以丝材中心和激光中心有可能不像理想设计情况一样重合,需要一个周向的调节装置来控制光丝同轴,对中装置就是是用于保证丝材和激光同轴的,一般设计的对中装置是通过调节送丝管或送气管的中心位置来保证光丝同轴,本设计采用调节送丝通道的方法。

  送气装置指的是输送保护气的装置,保护气采用惰性气体,包括氩气、氦气等[10]。保护气起到防止丝材氧化的作用,其原理是降低在熔融金属的周围大气中的氧含量来抗氧化,合理设计的保护气管道可令氧含量达~20ppm,大大降低了氧化[10]。从保护气管道末端输出的保护气需要形成环锥形的气圈包围在丝材周围,这样可以达到最好的防氧化效果,光、丝、气这三者同轴,气体在喷嘴末端包裹着丝材一起吹向熔池的表面,三者同轴吹气可以更方便的形成层流,这样可形成均匀的压力,加工效果好[6]。由于丝材刚性输送的特性,本方案中将送丝管道与保护气管道合二为一,这样的设计既可以形成良好的保护气流,又减小了送丝装置的空间,避免了光丝干涉。保护气管道和送丝管道用夹紧装置连接,保护气从夹紧装置末端的四个通气孔里喷出。之所以把送丝管设计的很短是考虑到如果送丝管道太细长,在实际加工中会出现剧烈的弯曲形变。

  在激光增材制造过程中,激光束具有较高功率的能量,送丝喷嘴中的光学镜虽然反射率极高,但依旧有小部分激光被光学镜片吸收,为了保证送丝喷嘴的长时间工作而不损害光学镜片,就必须在喷嘴中设置相应的冷却装置。通过在大平面镜上方打孔以及在入光口和凸透镜处安装两个冷却套筒来冷却。冷却剂为水,水的冷却效果很好,成本也低。由于有三组进出水口,设计还合理安排了进、出水管的位置,能够防止对加工过程产生干扰。

  入光口、上连接管、下连接管这三个零件都是外壳的一部分,一方面用于形成喷嘴的整体框架以及固定光学元件,另一方面用于固定两个冷却套筒,连接激光发射器和对中装置。

  光路尺寸设计以及光学元件设计是其他所有设计的前提,所有尺寸都需要参考光路尺寸来选定,根据上一章节的光路路径方案可以选定光学元件包括一个三棱柱状双面镜,两个三棱柱状单片镜,一个大平面镜,一个用于聚焦的凸透镜,以及各种用于连接固定的螺丝。光路尺寸及光学元件设计的目的是确保光路畅通,保障激光束顺利聚焦。注意通过合理的光路设计和零件结构设计来避免光丝干涉,另外,光路设计时还要注意激光束不与其它零件结构发生干涉。

  所有零件尺寸的详细数据见附录。

  3.2光路尺寸及光学元件设计

  光学元件包括大平面镜、双面镜、单面镜、凸透镜。而入射平行光是20mm的圆形光,激光经由入光口进来,落在双面镜的两个直角边上(即两个镜片),激光束将沿中轴线分成左右两半,所以在双面镜的两个镜片上被激光照射到的地方是两个尺寸相同的半椭圆形。

  因为双面镜是夹角45°的三棱柱,所以半椭圆形覆盖面的短轴是激光直径尺寸20mm,半长轴10√2mm,双面镜上两个镜子夹角90°。激光直径是20mm,双面镜采用长16mm,高25mm的尺寸设计,因为16mm>10√2mm,25mm>20mm,所以可以保证光线全部照射到双面镜上,宽度即镜面厚度,在不影响前面尺寸的情况下,进行适当选取即可。

  由于激光半径是10mm,故设计分光后的两条光束向左、右各传播50mm,单面镜的直角边是8√2mm,因为50mm>8√2mm,所以单面镜不会阻挡尚未照射到双面镜上的入射光。

  两个单面镜分别在双面镜左右两侧对称分布,每个单面镜与双面镜对应镜面平行安装,尺寸也必须相同,也是设计成长16mm,高25mm,厚度适当,确保激光按照原定的反射路径前进。每个单面镜上的镜片被激光照射到的地方也是半椭圆形,半椭圆形的尺寸与之前双面镜上的尺寸相同,三个镜子都是设计成直角三棱柱,主要是起到便于装配的作用。

  考虑到这些光学镜应与入光口之间采用螺纹连接,三个光学镜分别打一个螺纹孔,单面镜在分别距离两个直角边3mm的地方打一个公称直径3mm的螺纹通孔;双面镜的螺纹通孔孔心在三角形对称线上,距两条直角边的交点6mm,其公称直径也是6mm,如下图9所示:

  图9单、双面镜结构简图

  经过两个平面镜反射后的光束为两个对称分布的半圆形,由于这两条光束分别向左、右各传播了50mm,所以两个半圆形激光束的直线边间距p=2*50=100mm,p也是两条激光束的最近距离,两个最远端距离q=2*10+p=120mm,q也同时是两条激光束的最远距离。为了便于装配单、双面镜,将进光管道设计为方筒状(属于入光口的一部分),内壁长s:

  s=2*8√2+50*2=122.6mm

  因为激光直径20mm,为了方便装配单、双面镜,还要避免干涉,所以设计方筒的内壁高25mm,筒壁厚10mm,激光束在离开方筒状管道之后就进入圆筒状的中心管道,由于已经分成了两束光,所以让送丝通道从中间通过可以避免光丝干涉。

  激光落在大平面镜上时形成两个半椭圆形光斑,长轴、短轴的尺寸与之前半椭圆形尺寸一致,但两个光斑最短距离100mm,最长120mm。为配合圆筒状的外壳,采用45°平面反射镜,所以镜子是椭圆形。为保证激光会全部落在大平面镜上,设计圆筒内径150mm,外径170mm,这样沿45°斜切直径150mm的圆柱后,截面(也就是大平面镜)就是长轴150√2mm,短轴150mm的椭圆而此时两束激光之间最短距离100mm,最长距离120mm,所以截面可以接收所有激光。两束激光的光路改为竖直向下后,进入凸透镜进行聚焦。

  凸透镜通过挑选适当折射率的玻璃来满足对焦距的需求,凸透镜圆柱层厚度6mm,圆柱上下表面距离两个圆弧面顶端各5mm,凸透镜和大平面镜在中心处打出直径30mm的孔来放保护气管道,如下图10所示:

  图10凸透镜聚焦示意图

  (r-5)2+(75)2=r2

  r=565mm

  根据公式:1/f=(n-1)*(1/r1-1/r2)

  其中r1=r2=r=565mm,但是r1和r2有正负之分,n≈1.81(n是折射率)

  激光束聚焦最大斜率k=60/350≈0.17

  3.3入光口设计

  入光口是用于安装双面镜和单面镜的方筒状组件,也有连接激光发射器的作用,根据之前算好的光路尺寸可以定出内壁长122.6mm,高25mm,深23.3mm;外壁长142.6mm,高45mm,壁厚10mm。在入光口内腔顶端左右各设计一个长22mm,高45mm,厚5mm的耳板用于连接上连接筒,总长变成186.6mm。为了便于连接单面镜和双面镜,入光口上端要打出三个螺纹孔,在三个螺纹孔与上一节确定的单、双面镜上的螺纹孔的尺寸和位置要一一对应。设计入光口进光端距装配单面镜的螺纹孔的孔心18mm,距装配双面镜的螺纹孔的孔心21mm,如下图11所示,设计时为便于安装应保证单面镜的直角边和双面镜的斜边与耳板处于同一平面。在入光口外侧设计一个外螺纹,用于与激光发射器之间通过螺纹进行连接。

  图11入光口结构简图

  3.4上连接筒设计

  上连接筒由一个圆柱筒体和方形筒体所构成,圆柱筒体的作用包括装配大平面镜、连接下连接筒、装配对中装置筒等,方形筒体的作用包括连接入光口,安放橡胶密封圈和冷却套筒。为保证与入光口顺利装配,方筒上用于连接的耳板尺寸与内壁、外壁尺寸都与上一节确定的入光口的对应尺寸相同。因为要配合大平面镜的尺寸,所以设计圆筒内径150mm,外径170mm。筒壁的上边缘打两个螺纹孔,用于连接大平面镜。为保证激光传播准确且光斑形状对称,需要让方筒的中心线穿过椭圆镜圆心。设计的上连接筒全长190mm,大平面镜全长180mm,所以椭圆镜中心距离顶端105mm,方筒中心距离圆筒顶端也应当是105mm。圆筒下端也要做出圆形耳板方便与下连接筒连接,圆形耳板外径190mm,在耳板的两个对称位置打两个螺纹通孔用于与下连接筒进行螺纹连接。

  3.5下连接筒设计

  下连接筒是为了安装凸透镜并充当外壳而设计,考虑到凸透镜尺寸和焦距,下连接筒的全长d

  d=8+330=338mm

  其中8mm指的是整个凸透镜厚度的一半,下连接筒最后100mm是圆锥筒长度,设定喷嘴圆柱筒末端开口内径16mm,外径36mm。在下连接筒全长338mm的条件下,可以确定焦点同喷嘴末端距离I=350-330=20mm。

  根据相似等比原则:120/350=m/20 m≈6.86mm如下图12所示:

  图12下连接筒与激光不干涉示意图

  ①:两束距离最远的激光线②:凸透镜③:下连接筒

  m是喷嘴末端的两束半圆形光的最远距离,m=6.86mm,m<16mm,锥筒内腔斜率g=[(150-16)/2]/100=0.67,由于锥筒斜率g远大于k,所以下连接筒内壁和激光束在激光传播过程中不发生干涉。下连接筒上端设计环形耳板与上连接筒的环形耳板连接,上边缘处也要打两个直径3mm的对称螺纹孔来固定凸透镜,连接螺纹孔尺寸和位置都要相同。

  3.6送丝模块设计

  送丝模块包括上保护气管道、下保护气管道、夹紧装置、送丝管四个零件,丝材依次经过这四个零件,保护气只依次经过前三个零件。

  3.6.1送丝管道设计

  设定采用的丝材是0.8mm的丝材,送丝管道的孔不能太大,如果用太大的孔则丝材可能在孔里以弯曲状态存在,同时由于送丝管很细,所以也不能做的太长。为便于加工,将送丝管设计为内径1.2mm外径3.2mm的圆筒,全长仅25mm。

  100/350=w/20 w≈5.71mm

  w是喷嘴末端两光束间最短距离,经计算得出在喷嘴末端处两束半圆形光最短距离5.71mm左右,w>3.2mm,所以激光与送丝管道不干涉,如下图13所示。

  图13送丝模块与激光不干涉示意图

  ①:凸透镜②:上送气管③:下送气管④:夹紧装置⑤:送丝管

  ⑥:两束距离最近的激光线

  3.6.2保护气管道设计

  保护气管道总长设计为483mm,依据光路图,激光束经过聚焦后,两光束的距离逐渐减少,为了避免激光束与保护气管道产生干涉,故将保护气管道设置为多级,各级管道间直径逐渐减小。下保护气管道全长140mm,外径20mm,内径15mm;上保护气管道全长353mm,外径30mm,内径20mm。两个管道连接处有10mm的重合,用于螺纹连接。为了避免漏气现象的发生,上保护气管道上部做封顶设计,两个保护气管道通过螺纹连接来减少漏气的情况。然后在顶端封顶的中心处打出0.8mm的一个通孔用于把丝材送进来,丝材穿过送气管插入送丝管,这个通孔也起到丝材定位的作用。同时也要在保护气管上部的四个对称位置留出四个螺纹盲孔用于对中螺丝的周向定位,在保护气管封顶处的顶端留出进气道。

  210/350=c/100 c=60mm

  80/350=d/100 d=22.86mm

  c是上保护气管末端处两束激光的最近距离,c>30mm,所以激光与上保护气管道不干涉,如上图13所示。

  d是下保护气管末端处两束激光的最近距离,d>20mm,所以激光与下保护气管道不干涉,如上图13所示。

  3.6.3夹紧装置设计

  夹紧装置上连下保护气管,下接送丝管,设计夹紧装置的目的是:(1)固定送丝管。(2)输出保护气。夹紧装置上部设计有10mm长的外螺纹,用于和下送气管末端的10mm长的内螺纹连接固定,也是通过螺纹连接来减少漏气情况。设计其圆锥筒部分的长度40mm,夹紧装置上端外径15mm,末端外径10mm。

  40/350=e/100 e=11.43mm

  e是夹紧装置末端处两束激光的最近距离,e>10mm,所以激光与夹紧装置不干涉,如上图13所示。

  3.7冷却装置设计

  激光束经过多个光学镜不断进行反射、折射时,光学元件会吸热,热量也会传导,所以需要冷却装置来冷却喷嘴,重点是冷却光学元件。考虑采用套筒形式套在装置部分外壳的外面,让套筒与外壳之间留出一个中空部分,使得水在中空部分里流动,冷却套筒里的水可以包裹在光学元件周围,由于金属制外壳有导热性,光学元件的热量能被水吸收,起到冷却作用。所以,冷却系统目前是通过给平面镜和凸透镜部分的外壳分别套上冷却套筒以及在大平面镜上方和上连接筒对应位置留出进、出水道的方式来实现的。

  凸透镜处的套筒外径与耳板外径都是190mm,为避免漏水,对两个套筒有很严格的公差要求。凸透镜外侧还套有橡胶密封圈,以避免水从螺纹的缝隙渗入造成漏水,冷却剂从进水口进入。

  设计的分光镜冷却套筒的进水口低于出水口,这样在抽水时可以使得光学元件被充分冷却[11],此处也设计有橡胶密封圈以防漏水。分光镜冷却套筒是通过螺纹连接装配到装置上,为避免漏水,对入光口和光学镜螺纹孔也有公差要求。另外,进、出水口所连接的水管应当合理摆放,注意不要干扰熔覆过程。

  3.8对中装置及螺纹设计

  3.8.1对中装置筒设计

  对中装置主要由一个对中装置筒和四个对中螺钉来实现。对中装置筒安装在上连接筒的上面,它们之间通过固定螺钉连接,固定螺钉同时连接对中装置筒和上连接筒和大平面镜。在对中装置筒上打出四个对中螺纹通孔,位置应当与两个固定螺纹孔错开,对中装置筒可以起到固定对中螺钉的作用。考虑到上连接筒的尺寸,选定对中装置筒内径170mm,外径190mm。设计对中装置筒的上端为开口,避免对从外部向喷嘴输送保护气的送气管造成干扰。

  3.8.2对中螺钉和螺纹设计

  对中螺钉先后插入筒中的四个对中螺纹通孔以及上送气管相应的四个螺纹盲孔,安装时将对中螺钉前端顶住上送气管,通过不同方向的对中螺钉的旋紧旋松调整送气管的前后左右的倾斜程度使得光丝同轴。本文中最重要的同轴度要求是送丝管、送气管、激光束这三者的同轴度。由于送气管和送丝管都是圆柱状零件,而且两个送气管之间是螺纹连接,所以可以保证较好的同轴度,工程图上也给出了有关圆柱度和同轴度的工艺要求。所以整个送气、送丝联合管的装配位置都得到了控制。在对中螺钉安装前先旋上固定螺母,对中完成后,将螺母旋紧,螺母紧贴在对中装置筒外壁上以起到固定对中螺钉和送丝模块的作用,设计时注意避免了螺母拧紧后与固定螺钉干涉的情况。

  许多连接处都要用到螺纹连接,数目很多,用到的螺纹连接形式也有很多种。所有具体的螺钉尺寸数据和螺纹尺寸以及它们的安装位置见附录里的工程图。两个冷却套筒处的外螺纹和内螺纹之间的配合必须非常紧密以减少漏水的可能。本文中所涉及的连接螺钉、对中螺钉等均是有不同长度要求的螺钉。但是所有螺纹均可根据实际情况,先适当改变螺纹孔尺寸,然后选用M3和M6的标准件来代替现有螺纹尺寸设计以节省成本。

  3.9公差的选取

  在零件的实际加工过程中,由于不可避免的要受到一些人为或非人为因素的影响,导致加工后的零件的形状、尺寸、粗糙度会与设计时的预计情况有出入。但是只需将零件的尺寸限定在一定范围内,令零件尺寸能满足使用要求就可以接受,所以本设计对必要零件公差进行了选取,包括孔轴配合、选择粗糙度、选择形位公差、螺纹配合等。

  本设计对公差的要求主要集中在保护气管道和光学元件以及夹紧装置和送丝管的之间的连接上,因为这些地方都涉及孔轴配合,孔指的是各圆柱筒的内壁,轴指的是各圆柱筒的外壁。对于上送气管和大平面镜,考虑到结构需要拆卸,采用过渡配合,按照国际惯例,配合处所有的基准制都采用基孔制,又考虑到孔的公差等级一般比轴低一级,所以孔是IT7而轴是IT6[12],孔(圆柱筒外径)的基本偏差代号是H。对于两个送气筒之间,公称直径30mm,所以公差单位i=1.3μm,EI=0,所以选定此处孔是?30H7,轴是?30m6。所以有ES=EI+IT7=0.021mm,轴的下偏差是0.008mm,所以有最大间隙0.013mm,有最大过盈0.021mm;上送气管与凸透镜也有孔轴配合,但由于上送气管是整个加工出来,公差要求要统一,所以此处的公差配合也是?30H7/m6。

  对于夹紧装置和送丝管同理,为了起到加紧固定送丝管的目的,需采用小的过盈配合对送丝管进行固定,此处公称直径3.2mm,依然采用基孔制,设定孔的公差等级是IT6而轴的公差等级也是IT6,可以选定此处孔是?3.2H6,轴是?3.2n6,EI=0,ES=EI+IT6=0.008mm,轴的下偏差也是0.008mm,最小过盈量是0mm,最大过盈量是0.016mm。

  下连接筒和凸透镜冷却套筒之间为了保持水密性,采用小的过盈配合。设定孔的公差等级是IT6而轴的公差等级也是IT6,依然采用基孔制,所以选定此处孔是?170H6,轴是?170n6,EI=0,ES=EI+IT7=0.025mm,轴的下偏差是0.027mm,最小过盈量0.002mm,最大过盈量0.052mm。以上所有公差选择都是从相关国家标准中进行选取和组合,部分常用的尺寸的标准公差数值如下图14所示,其它没有标注的公差尺寸为自由公差。

  形位公差也是要选取的项目之一。主要需要控制的包括送气、送丝管的圆柱度,因为如果上、下保护气管道或送丝管偏离圆柱形太多,就不满足上面几节里做出的激光不干涉的计算证明的前提,这可能导致光丝干涉,它们连接到一起后可能导致光丝同轴差。还要控制上、下连接管的圆柱度,如果没有保证圆柱度,可能导致激光与这两个外壳筒体干涉,冷却套筒也有可能漏水。还要控制冷却套筒与入光口和上连接筒以及冷却套筒与下连接管之间所有接触平面的平面度和平行度,如果接触平面之间有较大缝隙,会导致冷却系统漏水。具体尺寸参照《互换性与技术测量》[12]进行选取。部分平面度数值选取如下图15所示,其它没有标注的形位公差按GB/T1184-1996。

  根据经济性和功能性对部分表面粗糙度进行选取,主要需要考虑粗糙度的加工面是为了完善水密性,所以对冷却套筒与入光口、冷却套筒与下连接管、冷却套筒与上连接管之间的多个接触面做出表面粗糙度要求。其它未注表面粗糙度按Ra=1.6μm处理。

  图14部分常用尺寸标准公差

  图15部分平面度查询图

  螺纹公差带的选择也需要注意:

  (1)固定大平面镜的两个螺纹孔公称直径6mm、固定送气管的内螺纹的公称直径6mm、下送气管内螺纹公称直径15mm、上送气管内螺纹公称直径20mm、对中螺纹孔公称直径6mm,这些螺纹的公差带代号都是7H。

  (2)连接激光器的外螺纹公称直径25mm、双面镜螺丝公称直径6mm、单面镜螺丝公称直径3mm、夹紧装置外螺纹公称直径15mm、下送气管外螺纹公称直径20mm、凸透镜螺丝公称直径3mm、对中螺丝公称直径6mm,这些螺纹的公差带代号都是6g。

  (3)用于固定单面镜的几个螺纹孔公称直径3mm、用于固定双面镜的几个内螺纹孔公称直径6mm、用于固定凸透镜的几个内螺纹孔公称直径3mm,这些螺纹的公差带代号都是6H。其它未提及的公差带代号见附录。