全面探討:礦機(jī)易損設(shè)備3D打印修復(fù)技術(shù)的應(yīng)用

lydiazhang   2017-07-06 10:19:11

煤礦井下工程大型礦機(jī)造價昂貴、缺少備件、維修成本巨大,一旦出現(xiàn)損壞,會使生產(chǎn)線中斷,造成重大的經(jīng)濟(jì)損失。據(jù)不完全統(tǒng)計,我國每年用于修復(fù)煤礦大型裝備的費(fèi)用高達(dá)數(shù)百億元人民幣。因此,開展重大裝備修復(fù),發(fā)展快速、高效、精密的修復(fù)技術(shù)不僅具有廣闊的市場需求,而且具有重大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。 展望3D打印技術(shù)的應(yīng)用趨勢和對人類未來生產(chǎn)生活方式的影響,據(jù)美國市場研究機(jī)構(gòu)ReportsnReports發(fā)布的《2017年全球3D打印市場》報告顯示,全球3D打印市場需求將以每年20%以上的速度增長,并將在2017年達(dá)到50億美元的規(guī)模  。

《國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(863計劃)、國家科技支撐計劃制造領(lǐng)域2014年度備選項(xiàng)目征集指南》中“面向復(fù)雜零部件模具制造的大型激光燒結(jié)成型裝備研制及應(yīng)用”的表述為 ,“針對復(fù)雜零部件模具快速制造的需求,研制適合制造蠟?zāi)?、蠟型、砂型制造,以及尼龍等塑料零件制造的大型激光燒結(jié)成型裝備,制件精度控制在±0.1%以內(nèi),堆積效率達(dá)1000cm3 /h,并制訂相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn) ”,國家傳遞 出3D打印技術(shù)在國內(nèi)的強(qiáng)勁發(fā)展趨勢。 


接下來我們探討將3D打印激光修復(fù)技術(shù)應(yīng)用于礦機(jī)易損設(shè)備的維修應(yīng)用及前景,推動實(shí)現(xiàn)快速恢復(fù)生產(chǎn)、節(jié)約經(jīng)濟(jì)成本的目標(biāo)。 


2.3D打印激光成形技術(shù) 


3D打印激光成形修復(fù)技術(shù)與以往修復(fù)技術(shù)不同,它是 以金屬粉末為材料,在CAD/CAM軟件支持下,CNC(計算機(jī)數(shù)控)控制激光頭,送粉嘴和機(jī)床按指定空間軌跡運(yùn)動,在修復(fù)部位逐層熔敷/堆積,最后生成與原零件近形的三維實(shí)體。3D成形修復(fù)技術(shù)的核心在于修補(bǔ)體的三維模型,以及修補(bǔ)體的激光三維立體成形。修補(bǔ)體三維模型一般通過CAD模型處理軟件進(jìn)行布爾運(yùn)算獲得。 


3D成形修復(fù)技術(shù)利用金屬學(xué)的一些合金化、本體淬硬、添加增強(qiáng)相等方法使熔覆層金屬具有一定的強(qiáng)度/硬度、耐磨、耐腐蝕、耐高溫等性能,滿足表面的特殊需要,解決應(yīng)用中的一些裝配貼合面的缺損修補(bǔ)問題,也可以彌補(bǔ)金屬加工過程中的尺寸超差問題。3D成形修復(fù)技術(shù)彌補(bǔ)了激光熔覆技術(shù)在成形方面的缺陷,突破了激光熔覆技術(shù)僅能在平面或圓柱等規(guī)則曲面上涂覆單層或多層熔合層的技術(shù)局限性,實(shí)現(xiàn)了在表面凹凸不平或復(fù)雜/異形結(jié)構(gòu)零件上自由成形修復(fù)/修補(bǔ),最終實(shí)現(xiàn)仿形精確修復(fù)  。 


激光立體成形修復(fù)技術(shù)不僅可以實(shí)現(xiàn)修補(bǔ)零件的目的,還可以滿足修復(fù)區(qū)強(qiáng)化的需要。礦用設(shè)備零部件結(jié)構(gòu)復(fù)雜,表面要求高強(qiáng)耐磨,心部要求高柔韌性。目前部分礦用設(shè)備采用的激光熔覆技術(shù)沒有造形功能,因此無法修復(fù)礦用設(shè)備易損零部件待修復(fù)區(qū)的結(jié)構(gòu)原形,僅能簡單涂覆。3D打印激光成形修復(fù)技術(shù)解決了激光熔敷技術(shù)在成形方面的缺陷,綜合了表面強(qiáng)化技術(shù)與三維成形的特長,適合用于解決礦用設(shè)備的修復(fù)問題  。雖然3D打印激光成形技術(shù)發(fā) 展?jié)摿薮?,但是在礦用設(shè)備修復(fù)方面應(yīng)用實(shí)例較少。 


3礦用易損設(shè)備3D打印激光修復(fù)應(yīng)用 


礦用設(shè)備易損零部件大致可概括為直接工作件類、結(jié) 構(gòu)件類型、傳動系統(tǒng)件類三種類型,這三類零部件對于使用性能與工礦環(huán)境的要求具有巨大差別,以上三類零部件的維修是目前礦井正常生產(chǎn)維護(hù)的最主要的部分,本文主要針對以下三類設(shè)備件的3D打印激光修復(fù)應(yīng)用進(jìn)行探討。 


3.1礦機(jī)易損直接工作件類3D打印激光修復(fù) 


礦用設(shè)備的易損零部件為的直接工作件,如掘進(jìn)機(jī)、 采煤機(jī)的截齒,刮板輸送機(jī)的刮板、刮板鏈、鏈輪,以及掘進(jìn)機(jī)、聯(lián)采機(jī)的履帶板、履帶輪,破碎機(jī)的齒板、齒環(huán)等。這類受磨損零部件特點(diǎn)在于工況極其惡劣,經(jīng)常受到強(qiáng)烈刮擦,經(jīng)受猛烈的撞擊,易損形式一般為表面磨損或內(nèi)部產(chǎn)生裂紋。


這類零部件屬于礦用設(shè)備的損耗件,磨損嚴(yán)重,更換頻繁。如掘進(jìn)機(jī)的截割頭、截齒座等采用經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理的ZG35CrMnSi、ZG40CrNiMo等鑄鋼材料,一般齒體表面及近表面硬度HRC49~HRC54,結(jié)構(gòu)具有一定的圓弧外觀形狀,利用激光熔覆技術(shù)可以表面實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化,但是截齒或齒座經(jīng)常會發(fā)生偏磨,形成不規(guī)則的幾何外觀形貌,激光熔覆技術(shù)無法修復(fù)或者修復(fù)后還需要及加工,而激光立體成形修復(fù)技術(shù)不僅可以實(shí)現(xiàn)尺寸精度較高的外觀形貌,而且可以滿足截齒的鎢鈷合金強(qiáng)化與無火花的需要。


如刮板輸送機(jī)鏈輪,一般材質(zhì)為40Cr等淬透性較好的材料,經(jīng)調(diào)質(zhì)處理。鏈輪鏈窩處厚大,熱處理過程中容易產(chǎn)生淬裂或未淬透等問題,因此鏈輪硬度只能限制在HRC45~HRC50范圍,而激光立體成形修復(fù)技術(shù)可以使鏈輪鏈窩修復(fù)處硬度達(dá)到HRC50以上。


3.2礦機(jī)易損機(jī)構(gòu)件類3D打印激光修復(fù)


礦機(jī)易損的設(shè)備包括機(jī)械結(jié)構(gòu)件類,該類零部件一般 需要滿足設(shè)備自身的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度外,還需要具有一定的抵抗磨損、沖擊等作用。該類零部件一般受破壞強(qiáng)度適中,更換頻率較低。但是,進(jìn)口的一些大型礦用設(shè)備零部件配件供貨周期長,價格昂貴。零部件易損后,3D打印激光修復(fù)不僅可以在短時間內(nèi)使設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn),而且可以節(jié)約大量的設(shè)備維修成本。這類零部件的材質(zhì)一般為普通的高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼、耐磨鋼等鋼材,也有一些結(jié)構(gòu)需要用到鑄鐵、鑄鋼件。 


礦用設(shè)備易磨損件一般要求強(qiáng)度/硬度高,耐磨性好,兼具有一定的韌性。激光成形修復(fù)技術(shù)因?yàn)槟芰考?,熱影響區(qū)小,內(nèi)部晶粒細(xì)小,組織均勻,性能優(yōu)越。另外,激光成形修復(fù)技術(shù)可以在CAD/CAM軟件支持下,利用CNC(計算機(jī)數(shù)控)技術(shù)成形出與原零件相同結(jié)構(gòu)的外形,達(dá)到近凈成形的效果。利用這種技術(shù)修復(fù)出來的零件,不僅外觀質(zhì)量平整光滑,結(jié)構(gòu)變形小,而且力學(xué)性能可以達(dá)到傳統(tǒng)鍛件水平,遠(yuǎn)高于普通電弧焊、氬弧焊等方式修復(fù)件性能水平。 


3.3礦機(jī)易損機(jī)械傳動類3D打印激光修復(fù) 


另外一部分礦機(jī)易損零部件是機(jī)械傳動系統(tǒng)類零部件, 如齒輪、花鍵、軸等,該類零部件失效形式一般為斷齒、磨損等形式,更換頻率相對于第一、第二類低。齒輪、花鍵類零件一般采用滲碳/滲氮鋼,軸類零件一般采用淬透性較好的40Cr、35CrMo、40CrNiMo等,這類零部件一般價格昂貴,加工尺寸精度要求較高,稍有碰傷即無法使用。尤其是進(jìn)口的礦用大型煤炭設(shè)備,沒有可供更換的零部件,這類零部件一旦損壞設(shè)備就無法繼續(xù)工作。 


3.43D激光打印修復(fù)技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢 


1)數(shù)字制造:借助CAD等軟件將產(chǎn)品結(jié)構(gòu)數(shù)字化,驅(qū)動機(jī)器設(shè)備加工制造成器件;數(shù)字化文件還可借助網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳遞,實(shí)現(xiàn)異地分散化制造的生產(chǎn)模式。


2)降維制造(分層制造):即把三維結(jié)構(gòu)的物體先分解成二維層狀結(jié)構(gòu),逐層累加形成三維物品。因此,原理上3D打印技術(shù)可以制造出任何復(fù)雜的結(jié)構(gòu),而且制造過程更柔性化。


3)堆積制造:“從下而上”的堆積方式對于實(shí)現(xiàn)非勻致材料、功能梯度的器件更有優(yōu)勢。


4)直接制造:任何高性能難成型的部件均可通過“打印”方式一次性直接制造出來,不需要通過組裝拼接等復(fù)雜過程來實(shí)現(xiàn)。


5)快速制造:3D打印制造工藝流程短、全自動、可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場制造,因此,制造更快速、更高效。


3.5礦用設(shè)備維修3D打印激光修復(fù)的應(yīng)用展望


3D打印技術(shù)通過材料的堆疊來完成立體實(shí)物的加工,進(jìn)而最大程度的節(jié)省了材料。礦機(jī)易損零部件的維修是在悄無聲息的環(huán)境下完成的,對環(huán)境基本實(shí)現(xiàn)了零污染,同時也節(jié)約了能源。國家已認(rèn)識到3D打印技術(shù)的重要性,這也為3D打印激光修復(fù)技術(shù)在礦機(jī)易損部件修復(fù)的發(fā)展提供了契機(jī)。


目前部分礦機(jī)采用激光熔覆技術(shù)來增加使用壽命及表面涂覆,最先選用的涂層材料就是Ni基、Co基、Fe基自熔合金,這種合金系具有較好的耐磨性、耐蝕性,對各種碳鋼、不銹鋼、合金鋼、鑄鐵和多種有色金屬基體具有廣泛而良好的潤濕性能夠與基體實(shí)現(xiàn)冶金結(jié)合,從而獲得過反應(yīng)用。


激光成形3D打印技術(shù)還可以實(shí)現(xiàn)材料復(fù)合制造,利用Ni基、Co基、Fe基等自熔合金作為粘接劑,選用WC、Al2O3、ZrO2、TiC、TiN、SiC等陶瓷材料作為增強(qiáng)相經(jīng)激光立體成形修補(bǔ)至受磨損工件的易損區(qū),使工件耐磨性能成倍提高。在Ni-Cr-B-Si系自熔合金中加人WC、TiC、SiC、B4C等高熔點(diǎn)的超硬陶瓷顆粒形成復(fù)合涂層,可大大地提高涂層的硬度和耐磨性,平均硬度達(dá)HVl000~HV1400。激光成形3D打印技術(shù)以其靈活的材料選配,以及精巧的自由成形優(yōu)勢,顯示出比激光熔覆技術(shù)在礦用設(shè)備易磨損件方面更廣闊的應(yīng)用前景。

作為一種3D打印技術(shù),激光成形修復(fù)技術(shù)擁有金屬3D打印技術(shù)的自由成形能力,3D打印技術(shù)在鑄造上的應(yīng)用,集中在砂型、模具、鑄件制造及修復(fù)方面,該技術(shù)繼承了激光熔覆技術(shù)(LaserSurfaceCladding)的表面強(qiáng)化優(yōu)勢,在成形過程中可以實(shí)現(xiàn)Ni基、Co基、Fe基自熔合金與WC、TiC、TiN、SiC等陶瓷材料復(fù)合。


礦機(jī)易損零部件3D打印激光修復(fù)作為3D打印技術(shù)的一種實(shí)際應(yīng)用,激光成形修復(fù)技術(shù)彌補(bǔ)了激光熔覆技術(shù)在復(fù)雜結(jié)構(gòu)成型方面的缺陷,延襲并發(fā)展了激光熔覆技術(shù)在表面強(qiáng)化方面的技術(shù)優(yōu)勢,用于修補(bǔ)礦用設(shè)備易損零部件,不僅可以避免或減少修復(fù)后的機(jī)械加工,實(shí)現(xiàn)仿形精確修復(fù),可以修補(bǔ)出既具有復(fù)雜/異形結(jié)構(gòu),又具有高強(qiáng)耐磨的性能,而且提高了礦用設(shè)備易損件的使用壽命,是礦用設(shè)備較理想的修復(fù)方式,在礦用設(shè)備修復(fù)上具有潛在的技術(shù)優(yōu)勢和廣闊的應(yīng)用前景,具有長足的發(fā)展?jié)摿途薮蟮慕?jīng)濟(jì)效益。


探討了基于3D打印激光成形修復(fù)技術(shù)在礦機(jī)易損設(shè)備修復(fù)的應(yīng)用范圍及應(yīng)用前景, 提出在礦用設(shè)備易損零部件的直接工作件類、結(jié)構(gòu)件類型、傳動系統(tǒng)件三種類型設(shè)備的3D打印 激光修復(fù)技術(shù)應(yīng)用可行性,以及與部分礦機(jī)設(shè)備采用的激光熔覆表面強(qiáng)化技術(shù)的區(qū)別與優(yōu)勢,結(jié)果表明:3D打印激光修補(bǔ)礦用設(shè)備易損零部件,能避免或減少修復(fù)的機(jī)械加工,達(dá)到仿形精確修復(fù),提高礦用設(shè)備易損件的使用壽命。

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