[发明专利]一种用于超高速激光熔覆盘类零件端面的方法

权利要求书

1.一种用于超高速激光熔覆盘类零件端面的方法，其特征在于，该方法首先将缺口圆环Ⅰ、缺口圆环Ⅱ套装于盘类零件外圆与内孔，根据工艺需求设置熔覆速率V₁、熔覆搭接率η、激光束功率P参数；然后根据熔覆搭接率η和超高速激光熔覆单道宽度D_L参数，将超高速激光熔覆路径规划为：起点位于盘类零件端面内孔截面线，终点位于盘类零件端面外圆截面线上的等间距螺旋线；同时设置等角度节点，将等间距螺旋线划分为多段等间距螺旋线弧，通过改变超高速激光熔覆各段等间距螺旋线弧时的盘类零件旋转角速度ω_i和超高速激光熔覆头移动速度的方式进行熔覆，保证熔覆过程中各参数维持稳定；最后通过线切割的方式对缺口圆环Ⅰ、缺口圆环Ⅱ与盘类零件进行分离，将熔覆完成后的零件端面进行磨削加工达到成品要求，具体步骤如下：

S1，对盘类零件端面进行机械加工处理，检查盘类零件端面表面，保证表面质量无缺陷；

S2，对盘类零件外圆套装缺口圆环Ⅰ，如盘类零件有内孔则在内孔安装缺口圆环Ⅱ，将盘类零件装夹固定于可回转机构上，可回转机构主轴与无级变速电机相连接，保证盘类零件可绕自身回转轴变速旋转；

S3，开启超高速激光熔覆设备，根据熔覆需求设置激光束功率P、载气流量、保护气流量参数；设定超高速激光熔覆头位置和姿态，使激光光斑对准盘类零件端面内孔截面线位置，并保证激光束与盘类零件端面垂直；所述超高速激光熔覆头可沿盘类零件端面径向方向变速直线运动，超高速激光熔覆头初始正离焦为0.5mm～50mm；

S4，根据盘类零件端面尺寸和工艺要求，设计超高速激光熔覆路径和熔覆控制参数；

S5，将步骤S4设计好的熔覆控制参数，包括主轴超高速激光熔覆第i段等间距螺旋线弧所需时间T_i、超高速激光熔覆第i段等间距螺旋线弧的主轴转速F_i，超高速激光熔覆头移动速度导入到超高速激光熔覆设备控制系统中；将超高速激光熔覆头移动至等间距螺旋线起点，启动无级变速电机，当主轴转速F_i提升至超高速激光熔覆第1段等间距螺旋线弧主轴转速F₁时，启动超高速激光熔覆头，对盘类零件端面进行超高速激光熔覆加工，在此过程中对超高速激光熔覆各段等间距螺旋线弧时的盘类零件旋转角速度ω_i和超高速激光熔覆头移动速度进行调控；在此过程中超高速激光熔覆路径为等间距螺旋线，等间距螺旋线路径极坐标表达式为：其中：r为螺旋半径，单位：mm；θ为方位角，单位：rad；Δr为等间距螺旋线路径匝间距，单位：mm；D₂为盘类零件内孔圆直径，单位：mm，当盘类零件不存在内孔时，D₂＝0；

S6，根据需熔覆层数，重复步骤S5；

S7，熔覆完成后对盘类零件沿外圆和内孔进行线切割，将盘类零件与缺口圆环Ⅰ和缺口圆环Ⅱ分离；

S8，将加工完成后的零件端面进行磨削加工达到成品要求；

步骤S4具体细分步骤如下：

步骤1，在待熔覆的盘类零件端面设置平面极坐标系

将盘类零件端面圆心设为极坐标系极点，超高速激光熔覆路径设置为等间距螺旋线，该等间距螺旋线起点位于盘类零件端面内孔截面线上，终点位于盘类零件端面外圆截面线上；

步骤2，规划盘类零件端面超高速激光熔覆路径

将盘类零件端面超高速激光熔覆路径设为等间距螺旋线；

等间距螺旋线路径匝间距为：

Δr＝(1-η)×D_L (1)；

其中：Δr为等间距螺旋线路径匝间距，单位：mm；η为熔覆搭接率，0＜η＜1；D_L为超高速激光熔覆单道宽度，单位：mm；

等间距螺旋线路径匝数为：

其中：n为等间距螺旋线路径匝数；D₁为盘类零件端面外圆直径，单位：mm；D₂为盘类零件内孔圆直径，单位：mm，当盘类零件不存在内孔时，D₂＝0；

等间距螺旋线路径极坐标表达式为：

其中：r为螺旋半径，单位：mm；θ为方位角，单位：rad；D₂为盘类零件内孔圆直径，单位：mm，当盘类零件不存在内孔时，D₂＝0；Δr为等间距螺旋线路径匝间距，单位：mm；

步骤3，设置极坐标等角度节点

设置极坐标节点：

θ_i＝θ_i-1+ε(4)；

要求在范围内，同时ε满足的条件下尽量取较小值；为减少后续数据运算量，在熔覆质量精度允许的条件下，可适当调整增加ε值；

其中：i＝(1,2,3，......)；θ_i为节点方位角，θ₀＝0，单位：rad；ε为节点方位角节距，单位：rad；V₁为超高速激光熔覆速率，单位：mm/s；D₁为盘类零件端面外圆直径，单位：mm；D₂为盘类零件内孔圆直径，单位：mm，当盘类零件不存在内孔时，取D₂＝D_L；ΔT₁为盘类零件端面外圆节距弧熔覆所需极限时间，单位：s；ΔT₂为盘类零件端面内孔节距弧熔覆所需极限时间，单位：s；Q为极坐标节点极限个数，通常设Q＝10000；

步骤4，求取对应节点区间内各段等间距螺旋线弧长

第i段等间距螺旋线弧长：

其中：i＝(1,2,3，……)；S_i为第i段等间距螺旋线弧长，单位：mm；r为螺旋半径，单位：mm；θ为方位角，单位：rad；Δr为等间距螺旋线路径匝间距，单位：mm；ε为节点方位角节距，单位：rad；θ_i为节点方位角，θ₀＝0，单位：rad；

螺旋半径增量：

其中：r_L为螺旋半径增量，单位：mm；ε为节点方位角节距，单位：rad；

步骤5，求取超高速激光熔覆控制参数

保证超高速激光熔覆速率V₁保持不变；

超高速激光熔覆第i段等间距螺旋线弧，所需时间为：

其中：T_i为超高速激光熔覆第i段等间距螺旋线弧所需时间，单位：s；S_i为第i段等间距螺旋线弧长，单位：mm；V₁为超高速激光熔覆速率，单位：mm/s；

超高速激光熔覆第i段等间距螺旋线弧，盘类零件旋转角速度：

其中：ω_i为超高速激光熔覆第i段等间距螺旋线弧，盘类零件旋转角速度；ε为节点方位角节距，单位：rad；

超高速激光熔覆第i段等间距螺旋线弧，主轴转速：

其中：F_i为主轴转速，单位：r/min；

超高速激光熔覆第i段等间距螺旋线弧，超高速激光熔覆头移动速度：

其中：为超高速激光熔覆第i段等间距螺旋线弧，超高速激光熔覆头移动速度，单位：mm/s；r_L为螺旋半径增量，单位：mm。