晏耐生 林 峰 齊海波 陸 偉 張 靖

清華大學(xué)先進成形制造教育部重點實驗室，北京，100084

0 引言

電子束選區(qū)熔化技術(shù)是一種以高能電子束為加工熱源，選區(qū)熔化金屬粉末成形的一種金屬零件直接成形技術(shù)［1－2］，該技術(shù)利用金屬粉末在電子束轟擊下熔化的原理來加工零件。

電子束選區(qū)熔化技術(shù)所展現(xiàn)出的技術(shù)優(yōu)勢已得到廣泛的認(rèn)可，瑞典Arcam公司的EBM系統(tǒng)是目前較成功的電子束選區(qū)熔化技術(shù)，至今已推出了S12和A2兩種型號的成形系統(tǒng)［3］。在國家自然科學(xué)基金的支持下，清華大學(xué)的激光快速成形中心進行了電子束選區(qū)熔化技術(shù)（electron beam selective melting，EBSM）的研究，自主研制了EBSM－150和EBSM－250電子束選區(qū)熔化制造實驗系統(tǒng)［4］。

由于電子束選區(qū)熔化技術(shù)需要將金屬粉末完全熔化，成形區(qū)域溫度比較高，從而導(dǎo)致成形件內(nèi)部熱應(yīng)力大，成形件翹曲變形情況時有發(fā)生。另外，成形區(qū)域表面往往附著有飛濺的熔滴或起伏的紋路。這些現(xiàn)象都使普通的鋪粉裝置無法保證鋪粉精度，甚至無法完成鋪粉運動。因此，研究能夠在凹凸、起伏表面鋪粉的裝置，對于保證電子束選區(qū)熔化系統(tǒng)的制造質(zhì)量和穩(wěn)定運行是非常重要的。

1 常用鋪粉方式

目前，在快速成形及快速制造領(lǐng)域，常用的鋪粉工具有刮板、輥子、移動料斗及其組合。

刮板式鋪粉方式原理如圖1a所示［5］，該機構(gòu)運動方式簡單，易于控制；缺點是刮板對粉末層的壓實作用小，且柔性很差。

輥子式鋪粉方式原理如圖1b所示［6］，該機構(gòu)可以較大程度地提高粉末層的壓實密度；缺點是輥子滾動會在粉末層表面留下波紋，影響粉末層表面的平整度，同時粉末承受的輥子壓應(yīng)力傳到下面已成形的坯件上，容易使強度不高的零件產(chǎn)生裂紋。

移動料斗式鋪粉方式原理如圖1c所示［7］，該機構(gòu)采用移動料斗鋪壓粉，還兼具刮板功能，可以避免粉末堆積在輥子或刮板前方，減小對粉床的壓力；缺點是壓實粉末的效果不是很理想，并且當(dāng)成形材料為流動性差的粉末時，粉末由于架橋現(xiàn)象不能從料斗狹縫中流出。

圖1 常用鋪粉方式

從上面3種鋪壓粉末裝置的分析可以看出，無論是刮板、輥子還是移動料斗，當(dāng)成形表面有較大凸起或嚴(yán)重翹曲時，這些工具都將被卡住而導(dǎo)致成形過程中斷，所以單純采用一種鋪壓粉方式并不能完全保證粉末的鋪平、壓實并防止已成形坯件的移動。結(jié)合EBSM成形過程中粉末熔化溫度高、金屬成形零件剛度大等特點，我們對EBSM系統(tǒng)中的接觸式鋪粉機構(gòu)進行了多次設(shè)計和改進［8－9］。

圖2a所示為采用剛性輥子和剛性小料斗組合的鋪粉機構(gòu)，該機構(gòu)可以很好地實現(xiàn)粉末壓平壓實，但由于缺乏柔性，遇到凸起或翹曲后仍無法自行通過，故經(jīng)常導(dǎo)致實驗中斷。圖2b所示為采用柔性輥子和柔性刮板組合的鋪粉機構(gòu)，輥子上方的壓力彈簧將輥子與粉平面接觸，當(dāng)輥子遇到凸起時，輥子可以壓縮彈簧從而保證鋪粉機構(gòu)越過凸起。同樣地，刮板通過一彈簧與鋪粉架相連，當(dāng)刮板遇到凸起后可以繞鋪粉架偏轉(zhuǎn)一定角度從而越過凸起。該鋪粉機構(gòu)很好地解決了第一代鋪粉機構(gòu)柔性不足的問題，但由于粉末經(jīng)常將轉(zhuǎn)動部分及彈簧卡死，造成多層成形時輥子無法上移，可靠度不高。圖2c所示為采用多根鋸齒狀的梳條組合對粉末進行刮平。由于梳條較窄，當(dāng)它遇到凸起后容易產(chǎn)生一定的彎曲變形并順利通過該凸起。其不足之處是梳條的齒根處有應(yīng)力集中，并在鋪粉過程中不斷與高溫成形件接觸而使其強度明顯下降，容易發(fā)生過度彎曲甚至折斷，從而影響鋪粉效果。圖2d所示是將梳條換成鋼刷后形成的鋪粉機構(gòu)，其顯著特點是“齒”變成了“絲”，“齒”的數(shù)量明顯增多，“齒”間的縫隙減小，其柔性比梳條要好，不易折斷，但由于鋼絲比較細(xì)，在高溫下有可能發(fā)生嚴(yán)重變形而導(dǎo)致脫落。

圖2 EBSM技術(shù)中接觸式鋪粉機構(gòu)

以上4種鋪粉機構(gòu)在鋪粉過程中與成形件直接接觸，都存在一定的問題而使得成形實驗無法持續(xù)進行。EBSM技術(shù)需在真空室中成形，鋪粉過程出現(xiàn)問題后無法進行人工干預(yù)，因此開發(fā)更加可靠的鋪粉方式顯得尤為重要。

2 可控振動落粉鋪粉原理及功能

利用料倉結(jié)拱與振動破拱的原理，本研究提出了一種全新的非接觸式的鋪粉方式：①將鋪粉改為撒落粉，撒落粉機構(gòu)不與成形件直接接觸，因而不存在遇到凸起無法越過的問題；②為了改善粉末的搭橋現(xiàn)象［10］，采用振動方式進行落粉，保證粉末輸送到位。具體原理如圖3所示：當(dāng)鋪粉篩靜止或勻速運動時，篩中的粉末因結(jié)拱不會從篩網(wǎng)中落下；鋪粉篩勻速運動到成形件上方后進行有規(guī)律地振動，篩中粉末的結(jié)拱將會被破壞，粉末從篩網(wǎng)中均勻落下至工作平臺實現(xiàn)鋪粉。針對不同大小的粉末，選擇適合目數(shù)的篩網(wǎng)即可以達到上述鋪粉功能。

圖3 可控振動落粉鋪粉原理

采用鋪粉篩進行振動落粉鋪粉具有以下優(yōu)點：①非接觸式鋪粉，表面成形質(zhì)量對鋪粉效果沒有影響；②可以控制鋪粉篩振動頻率實現(xiàn)不同厚度的鋪粉，特別是在表面具有凸起等缺陷的情況下仍可實現(xiàn)厚度約0.1mm的鋪粉；③提高了成形件的內(nèi)部質(zhì)量，厚度小的粉末層對保證成形件內(nèi)部質(zhì)量有決定性的作用；④控制鋪粉篩在特定區(qū)域內(nèi)鋪粉，當(dāng)成形小型零件時，可控制鋪粉篩在小區(qū)域內(nèi)鋪粉，提高了粉末的利用率。

3 可控振動落粉鋪粉系統(tǒng)的實現(xiàn)

3.1 可控振動落粉鋪粉篩設(shè)計與實現(xiàn)

根據(jù)可控振動落粉的原理制作鋪粉篩：采用一定厚度的金屬板材制成頂部與底部通透的方形盒，保證其具有較好的剛度，在方形盒側(cè)壁上銑出直槽，并制作出與該直槽配合的卡箍，采用一定目數(shù)的分級篩網(wǎng)將方形盒底部封住并用卡箍卡在方形盒的直槽內(nèi)，保證篩網(wǎng)的松緊程度相同，從而制成“鋪粉篩”。該鋪粉篩可根據(jù)不同大小的粉末更換分級篩網(wǎng)。

3.2 可控振動落粉鋪粉系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

鋪粉系統(tǒng)的三維效果如圖4所示：步進電機驅(qū)動同步帶輪、同步帶、光杠系統(tǒng)運動，鋪粉篩兩端分別與稱重傳感器固定，通過連接塊與同步帶相連?？刂撇竭M電機的轉(zhuǎn)動就可以控制鋪粉篩在成形平臺上運動的速度和加速度。

圖4 鋪粉系統(tǒng)三維效果圖

可控振動落粉鋪粉的實現(xiàn)過程如下：①鋪粉篩運動到儲粉箱下料口（平臺系統(tǒng)左端）處時停止，通過稱重傳感器測得篩中粉末的質(zhì)量，當(dāng)粉末質(zhì)量小于預(yù)先設(shè)定質(zhì)量數(shù)值時，送粉的步進電機轉(zhuǎn)動，驅(qū)動儲粉箱供給鋪粉篩粉末；當(dāng)粉末質(zhì)量大于預(yù)先設(shè)定質(zhì)量數(shù)值時，儲粉箱下料口關(guān)閉，停止對鋪粉篩供粉。②鋪粉步進電機勻速轉(zhuǎn)動，通過同步帶輪、同步帶系統(tǒng)驅(qū)動鋪粉篩從成形平臺左側(cè)向右側(cè)勻速運動，篩中粉末由于結(jié)拱而不會撒落。③當(dāng)鋪粉篩勻速運行到成形缸上方時，鋪粉步進電機將按照程序設(shè)定的加速度與速度進行正反向交替轉(zhuǎn)動，從而使鋪粉篩具有振動效果，篩中粉末的結(jié)拱被打破而落至成形缸上方，實現(xiàn)鋪粉。④鋪粉篩在成形缸上方完成鋪粉后勻速運動至儲粉箱下料口處。待電子束選區(qū)熔合該層粉末后再次運行上述①～④步，直至完成零件成形。

4 可控振動落粉鋪粉裝置的驗證

選用質(zhì)量分別占60%和40%的100～250目氣霧化法Ti－6Al－4V合金粉末和150～325目氫化脫氫法Ti－6Al－4V合金粉末組成混合粉末，此粉末流動性適中。

4.1 鋪粉層表面平整性實驗

采用60目的鋪粉篩進行可控振動落粉鋪粉，效果如圖5所示。鋪粉篩振動時篩子不與成形表面接觸，成形表面的狀態(tài)不會影響鋪粉篩的運動。金屬粉末從鋪粉篩落至成形表面后一部分粉末會彈起，特別是落至凸起區(qū)域的粉末會滾至周圍相對凹陷的區(qū)域，使得凸起處幾乎沒有金屬粉末，說明本機構(gòu)具有一定的粉末鋪平自動補償效果。

圖5 成形表面存在不平整時鋪粉效果

另外，由于設(shè)備自身機械泵的持續(xù)運轉(zhuǎn)，平臺會具有微小的平穩(wěn)振動，使得原本不平整的鋪粉區(qū)域在平臺的振動下變得更加平整和緊實，所以本鋪粉方式對電子束掃描前后的鋪粉密度和熔化層密度不會造成太大的影響。

4.2 各層總鋪粉量的均勻性實驗

采用上述鈦合金粉末進行鋪粉均勻性實驗：保證鋪粉篩中的粉末質(zhì)量在480～520g的范圍內(nèi)，運行同一個鋪粉程序14次，測量每次下粉量，結(jié)果如圖6所示。

圖6 鋪粉篩鋪粉量的測量值

由圖6可見，每次鋪粉量基本穩(wěn)定，其平均值為36.5g，方差為1.96，由于每次鋪粉區(qū)域相同，因此可以得出粉末層厚度基本穩(wěn)定。保證鋪粉篩中的粉末質(zhì)量在480～520g的范圍內(nèi)，采用不同的步進電機加速度，進行一系列的鋪粉量測定實驗，結(jié)果如圖7所示。兩組數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)絕對值為0.98，可見鋪粉量y與步進電機的加速時間t緊密相關(guān)，圖中曲線為擬合的曲線，擬合公式為y＝684 775e－0.1594t。步進電機加速時間越短，加速度越大，鋪粉量就越大，即粉末層厚度越大。

圖7 鋪粉量與步進電機加速時間的關(guān)系

4.3 各區(qū)域鋪粉量的均勻性實驗

為驗證各區(qū)域鋪粉量的均勻性，將成形區(qū)域分成36個小區(qū)域，如圖8所示。保證鋪粉篩中的粉末質(zhì)量在480～520g的范圍內(nèi)，運行同一鋪粉程序10次，測量成形區(qū)域內(nèi)36個方格內(nèi)粉末的質(zhì)量，結(jié)果如表1所示。

圖8 成形區(qū)域分割圖

表1 成形區(qū)域內(nèi)36個方格內(nèi)粉末的質(zhì)量 g

由表1可以看出，各區(qū)域的粉末質(zhì)量基本相同，根據(jù)表1繪出的成形區(qū)域內(nèi)各小區(qū)域的鋪粉量分布圖如圖9所示。

圖9 成形區(qū)域內(nèi)36個方格內(nèi)粉末的質(zhì)量分布

由表1及圖9可知各區(qū)域鋪粉量平均值為10.78g，方差為0.74，粉末量與均值的最大差值為2.02g，基本上實現(xiàn)了各區(qū)域的均勻鋪粉，平均每層粉末熔化后的厚度為0.14mm。通過改進鋪粉程序與鋪粉篩還可以提高各區(qū)域粉末的均勻性。

5 結(jié)論

（1）可控振動落粉鋪粉系統(tǒng)不與成形件相接觸，遇到成形件表面存在凸起甚至翹曲等缺陷時能順利完成鋪粉工作，對流動性差的粉末能通過振動打破粉末中的搭橋現(xiàn)象從而順利進行鋪粉。

（2）可控振動落粉鋪粉系統(tǒng)可以根據(jù)不同種類、目數(shù)、流動性的粉末選擇合適的鋪粉篩篩網(wǎng)，并通過實驗選擇合適的鋪粉參數(shù)，具有廣泛的適用性。

（3）當(dāng)鋪粉篩內(nèi)粉末穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)時，每次鋪粉量穩(wěn)定程度高。通過改進鋪粉機構(gòu)的加速度可以改變鋪粉篩的振動大小，從而改變鋪粉量。

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