三光束光内同轴送丝激光熔覆成形新方法研究

目的研究"三光束光内同轴送丝"激光熔覆新方法以及单向、多向单道熔覆成形效果。方法采用光线追迹法分析了三光束光斑几何特性,运用TracePro分析了光斑能量分布。利用研制的三光束光内送丝装置进行了单向以及多向单道熔覆实验,对其展开成形表面质量以及单道熔覆层的组织和硬度分析。结果 "三光束光内同轴送丝"激光熔覆新方法可以将原始圆形激光束整形为周向均匀分布的三个扇形光斑,三个光斑光通量均沿着z轴方向呈"尖顶状"分布,丝材能够被三个光斑均匀包裹。基材和丝材采用不锈钢304材料,丝材线径为0.8 mm,负离焦量为2.5 mm,激光功率为1500 W,扫描速度为3.5 mm/s,送丝速度为20.5 mm/s,展开单向和多向单道熔覆成形测试,丝材熔化充分,熔覆层表面均匀平滑。熔覆层形貌和质量基本不受扫描方向的影响。单道熔覆层和基体结合良好,组织整体比较细密,无气孔和裂纹等缺陷,熔覆层底部到顶部晶粒形态主要为树枝晶、柱状晶、胞状晶和树枝晶,熔覆层组织为铁素体δ和奥氏体γ,凝固模式为FA模式,熔覆层底部到顶部铁素体δ的主要形态为板条状铁素体、蠕虫状铁素体、骨架状铁素体和板条状铁素体。熔覆层的平均硬度(228HV)明显高于基材硬度,熔覆层底部到顶部的硬度过渡平稳,不存在明显软化区,组织整体比较细小致密,晶粒分布均匀。结论 "三光束光内同轴送丝"激光熔覆新方法可以实现光、丝耦合,基材和丝材采用不锈钢304材料,选择合理的工艺参数,可以获得理想的单向以及多向单道熔覆成形效果。

胶枪驱动原理研究

研制了胶枪的驱动机构,并对该机构进行驱动原理的分析、构件受力分析,并分析了驱动板孔的尺寸对推杆直线运动的影响。此机构的研究结果,对胶枪驱动机构开发起到非常关键的作用。

基于Pro/E和ADAMS的步进机构的仿真

步进机构通过扳手的往复摆动带动驱动销,由驱动销驱动驱动板,再由驱动板上的孔和推杆之间摩擦,实现自锁,从而驱动推杆实现步进运动。采用摩擦角以及全约束力的作图法对该机构关键参数进行了求解,运用Pro/E建立此运动机构3D模型,导入ADAMS软件进行该机构的运动学和动力学分析,为后续的设计和制造提供了一定的理论依据。

三分光束光内同轴送丝熔覆层几何形貌预测

研究"三分光束"光内同轴送丝激光熔覆各工艺参数的工艺区间及参数与熔覆层几何形貌映射关系。首先,采用单因素实验方法研究激光功率、扫描速度、送丝速度、离焦量四个工艺参数的工艺区间;其次,以熔覆层的高度、宽度、横截面积作为熔覆层几何形貌的量化指标;最后,分别建立神经网络模型和二次回归模型实现熔覆工艺参数和熔覆层形貌量化指标之间映射关系的预测。基于单道单因素实验,当激光功率介于1 300~1 700 W,扫描速度介于3~7 mm/s,送丝速度介于9~15 mm/s,离焦量介于-2.5^-1.5 mm时能获得液桥过渡熔覆质量较好的单道。在对测试样本数据的预测中,在置信度85%情况下,BP神经网络模型对熔覆层高度、宽度、横截面积的预测精度分别为100%, 100%, 93.33%,均方根误差分别为0.21, 0.07, 0.24;二次回归模型的精度分别为100%, 66.67%, 73.33%,均方根误差分别为0.21, 0.13, 0.28。结论说明二次回归模型中变量的交叉项未能拟合送丝熔覆多变量耦合的非线性过程,而BP神经网络得到较好的预测结果。

平蹬摆式自行车鞍座之工效学研究

以工效学理论为依据,从国内外自行车设计中总结现有鞍座存在的问题,分析鞍座骑乘与人体受力特点;以骑乘者人体与水平面之夹角作为骑乘姿态分类依据,应用有限元软件分析各骑乘姿势的压力分布云图,探讨自行车鞍座的舒适度与骑姿角度的关系;提出符合人类工效学的自行车鞍座设计思路,在此基础上确定平蹬摆式自行车结构组成,应用Pro/E软件设计的三维鞍座效果图,进而开发研制出摆式自行车及其鞍座。

新型谐波行星减速装置的设计与运动学仿真

研制了杆式谐波行星传动机构,并对该新型机构进行了工作原理分析、理论廓线方程推导、对所研制样机从动杆滚子中心点进行运动分析;采用Pro/E软件对机构进行3D建模,并且运用了Pro/E运动学分析模块Mechanism对该机构进行运动学仿真。

三光束激光熔覆工艺参数对熔覆层几何特征影响

采用"三光束光内同轴送丝"激光熔覆新方法研究可以获得表面质量较高单道熔覆层的工艺参数组合方案。建立三光束激光熔覆工艺参数与熔覆层表面形貌关系以及几何特征变化规律的数学模型,通过激光提供的单位能量密度E1与丝材所需的能量密度E2之间比值关系判断熔覆层表面形貌状态,工艺参数和熔覆层几何特征关系的数学模型预测熔覆层几何特征变化规律,并采用单因素试验法进行验证。研究结果如下:E1/E2<1,熔池能量"不足",1.1≥E1/E2≥1.0,熔池能量处于"不足"到"充足"过渡阶段,以及E1/E2>1.6,熔池能量"过剩",这三种情况形成的熔覆层表面质量较差;只有当1.5≥E1/E2>1.1,熔池能量"充足"能够充分熔化进入熔池的丝材,且丝材能够以连续平稳的"搭桥过渡"方式熔入熔池,熔覆层表面连续光滑,质量较高;熔覆层几何特征变化规律:数学模型预测值变化趋势与试验值基本吻合,离焦量减小,熔覆层宽度W减小,高度H增大,宽高比a减小;激光功率增大,熔覆层宽度W增大,高度H减小,宽高比ɑ增大。扫描速度增大,熔覆层宽度W减少,高度H减少,宽高比a略有增加。送丝速度增大,熔覆层宽度W和高度H都会增大,宽高比ɑ减小。综上采用"三光束光内同轴送丝"新方法对不锈钢304材料的丝材和基材进行激光熔覆试验,工艺参数组合方案满足1.5≥E1/E2>1.1,可以制备出表面形貌佳熔覆层。

三光束光内送丝激光熔覆温度场仿真分析与工艺优化

针对三光束光内送丝熔覆工艺的温度场进行研究,并对其工艺参数进行优化。建立了三光束光源的热源模型,利用ANSYS软件对熔池的温度场进行仿真,并结合工艺实验分析了离焦量、激光功率和扫描速度等工艺参数对熔覆层形貌的影响。仿真及实验结果表明:离焦量对熔覆层高度的影响较大,且会影响稀释区的形貌特征,激光功率主要影响熔覆层的稀释率,扫描速度对熔覆层高度的影响较大,扫描方向的改变对熔覆层稀释区有一定的影响;在离焦量为-2 mm、激光功率为1500 W、扫描速度为5 mm/s的条件下进行熔覆实验,得到的熔覆层平整光滑,无明显的熔覆缺陷,熔覆层组织为马氏体,硬度为411 HV,硬度的分布较为均匀。

新型谐波行星传动机构仿真研究

将谐波行星传动、摆线针轮传动、少齿差行星传动、滚子从动杆凸轮等传动模式进行组合,创造出一种新机构——杆式谐波行星传动机构,主要特点是从动杆替代波轮,用普通钢材来制造,既可节约贵重合金钢材,大大降低制造成本,又保留了谐波传动结构紧凑、体积小、重量轻、传动比大、承载能力高、效率高的诸多优点,具有广阔的推广应用前景。此仿真研究对缩短样机试制周期,加速新产品的工业化进程起了关键作用。