固體混合粉末均勻落料鋪平裝置的設計與實驗驗證

李曉維　程煉兵　劉富林　席明龍

(三峽大學 機械與動力學院， 湖北 宜昌　443002)

?

固體混合粉末均勻落料鋪平裝置的設計與實驗驗證

李曉維程煉兵劉富林席明龍

(三峽大學 機械與動力學院， 湖北 宜昌443002)

摘要：針對在NAO剎車片成形過程中多種混合粉末均勻鋪粉的技術難題，依靠機械剪切力的作用落料鋪粉，設計并制備了一種適用于固體混合粉料定量輸送鋪平裝置；通過建立混合粉料定量輸送鋪平裝置運動參數的理論模型，得出鋪粉厚度與料斗出口間隙、下落高度、粉料輸送皮帶速度之間的定量關系；通過對各層粉量的均勻性實驗和單層各區域的均勻性實驗，驗證了自行開發的混合粉料定量輸送鋪平裝置的穩定性和精確性．結果表明：該裝置運行可靠，可實現均勻鋪粉，平均每層粉末厚度為0.15 mm．

關鍵詞：NAO剎車片；固體混合粉末；均勻落料鋪粉；裝置設計；實驗驗證

在NAO剎車片制備過程中，如何將多種不同粒徑大小的混合粉末均勻鋪粉是一個技術難題，鋪粉工藝作為剎車片制備工藝的基礎，其鋪粉裝置的好壞對NAO剎車片的制備效率、成形精度和性能具有舉足輕重的影響[1]．比如鋪粉精度影響著鋪粉層的厚度、均勻性和密度大小，進而直接影響NAO型剎車片層單元的成形質量及剎車片的物理性能和摩擦磨損性能[2-3]．

當前，在3D打印鋪粉領域，常用的鋪粉工具有輥子式、刮板式、移動料斗式等[4]，其原理如圖1所示．其優缺點見表1．

圖1　4種現有鋪粉裝置

以上4種鋪粉機構鋪粉效果都存在一定的問題而使得成形實驗無法持續進行，NAO型剎車片鋪粉需要不平整的表面進行混合粉末均勻無缺陷地鋪粉，因此開發更加可靠的鋪粉方式對于保證剎車片層單元的成形質量，進而保證NAO型剎車片的制造質量和穩定性能是非常重要的．本文依據機械剪切力的作用落料鋪粉，提出一種適用于固體混合粉料定量輸送鋪平裝置的設計方案，并對其鋪粉試驗研究方案進行詳細論述．

表1　現有鋪粉裝置分類及優缺點

1混合粉料定量輸送鋪平裝置原理

圖2為混合粉料定量輸送鋪平裝置的原理圖．該裝置主要由粉料分散(兩個高速同步大針軸)、防堵塞(小針軸)、粉料輸送(低速同步皮帶輪)和粉料鋪平4個子功能組件組成．

1.支架；2.粉料；3.料倉；4.大針軸；5.皮帶輪；6.小針軸；7.弧形擋板；8.水平工作臺；9.皮帶；10.皮帶輪圖2　混合粉料定量輸送鋪平裝置原理圖

1)粉料輸送組件．粉料輸送部件由兩個對稱布置且低速同步轉動的皮帶輪對5、5′組成，其主軸分別固定在料倉前后壁面的軸承滑塊連接件上，將混合粉料定量的向料斗出口傳送．軸承滑塊連接件可以在左右壁面導軌上滑動，皮帶輪對隨著軸承滑塊的滑動而滑動，進而調整出口間隙．調整料倉3的出口間隙以及同步皮帶輪對5、5′的速度可以實現對粉料的定量供給．

2)粉料分散組件．粉料分散組件由固定在料倉3前后壁面中間位置的兩個相向旋轉的大針軸4、4′組成，兩個大針軸分別由主軸對稱安裝于料倉前后壁面的軸承孔內，經相向旋轉后對混合粉料進行梳理、分散．其中，大針軸為設有多根雙向螺旋分布的針齒的針齒軸，針齒長為10～30 mm，雙向螺旋針齒軸在高速運轉時，粉末由中間推向兩邊．

3)防堵塞組件．防堵塞組件為固定在料倉出口處的低速旋轉小針軸6，小針軸經主軸安裝在料倉前后壁面軸承孔內，通過旋轉小針軸防止混合粉料堵塞，其針齒長為3～5 mm．

4)粉料鋪平組件．粉料鋪平組件包括設置在料倉下的水平工作臺8和水平工作臺下面的皮帶9，水平工作臺隨著皮帶的移動而移動，皮帶經皮帶輪10帶動．通過控制出粉口下方的水平工作臺的移動速度及料倉3出口高度來實現不同厚度的均勻鋪粉．

2鋪粉裝置關鍵組件設計

2.1粉料箱的結構設計

研究發現，粉料的下滑過程主要與粉料箱的外形和傾斜角度相關，粉料箱的外形一般設計成圓錐形和梯形兩大類[5-6]，其示意圖如圖3所示．

圖3　各種料斗形狀圖

見圖4，設粉料箱斜面長度為l，傾角為α，單個粉末顆粒的質量為m，重力G(G=mg)，摩擦力f，粉末顆粒同粉料箱傾斜表面的摩擦系數為μ，則

圖4　料斗斜面分析

根據牛頓第二定律：

其中，a=(sinα-μ·cosα)·g，a為粉末顆粒沿粉料箱斜面下滑時的加速度，若取V0=0，則

式中，μ、d、g均為常量，若使t較小，即粉料容易下滑，則可使sin(2α-χ)極大，即

由式(10)可知，摩擦角的存在使粉料箱的傾斜角度α>45°，但是α不能太大，否則，在粉料箱的容積保持不變時，增加粉料箱的高度會使料箱高度增加，加料不便，粉塵飛揚．因此，考慮摩擦角α、加料及料斗振動等因素，常取48°<α<75°．

當料斗的傾斜角度α1=α2(如圖3c)時，粉料從各個方向下滑的的速度一致使得在出粉口處堵塞或發生搭橋現象．為防止產生這種情況，粉料箱應取不同傾角，本文選擇左右兩側面的傾斜角度分別為55°和65°，如圖5所示．采用的傾斜落料箱，與傳統落料箱相比，增加了粉末順向流動性，避免了粉末結團．

圖5　料斗組件三維效果圖

2.2粉料分散組件及防堵塞組件

粉料分散主要為兩個同步高速大針軸，其作用主要是對料箱里面的混合粉料梳理分散．防堵塞組件為靠近料斗出口的小針軸，在低速下轉動可防止混合粉料堵塞出口．以小針軸為例，如圖6所示，小針齒軸(6)上設有多根成雙向螺旋分布的針齒(61)，以使小針齒軸在運轉時將團狀粉末由中間推向兩邊．其中，針齒直徑為3～5 mm，大針齒沿軸向分布的間距為10～30 mm，小針齒沿軸向分布的間距為10～15 mm，針齒沿圓周分布為8～16根/360°．

圖6　針軸二維圖

上述結構具有以下優點：采用針徑很細的針齒軸，在緩慢順向運轉時，可輕輕分開結團的粉末，不至于破壞均勻混合的粉末，影響最終產品的質量．采用的針齒軸，在緩慢運轉時，針齒的表面積小，在空氣中阻力小，不會攪動空氣流，也就不會導致極輕的粉末飛揚．

2.3混合粉料定量輸送鋪平裝置三維圖

如圖7所示為最終裝配成形的混合粉料定量輸送鋪平裝置三維效果圖，其組件包括料箱、底板、皮帶輸送組件、底座組件、粉料分散及防堵塞針軸、步進電機等．

1.料箱；2.皮帶輸送組件；3.底座組件；4.底板；5.粉料分散及防堵塞；6.步進電機圖7　混合粉料定量輸送鋪平裝置三維效果圖

3混合粉料定量輸送鋪平裝置的驗證

3.1混合粉料定量輸送鋪平裝置運動參數的確定

據設計要求理論鋪粉厚度范圍為0～2 mm．為了實現這一設計目的，模擬粉料下落過程如圖8所示．據微元積分思想，垂直下落的粉料連續有序堆積地落在水平工作臺上．

圖8　粉料下落模擬圖

圖8中相關參數V0為粉料下落的初速度(即粉料輸送皮帶的速度)，V0為粉料剛落到工作臺上的速度(即粉料在垂直方向上的末速度)，V1為水平工作臺的移動速度，L為料斗開口間隙，a為水平工作臺上的鋪粉厚度，H為料斗口到水平工作臺的高度，t為粉料從料斗開口到粉料剛落至水平工作臺上的時間，Δt為粉料在工作臺上的粉料厚度累積時間．上述各參數存在以下物理關系：

因為粉料在工作臺上的鋪粉厚度a很小，近似認為粉料在鋪粉厚度a這段距離做速度為V2的勻速直線運動．Δt為粉料在工作臺上的粉料厚度累積時間，即水平工作臺同一位置通過料斗開口間隙L所用時間．

據設計要求，初步選取鋪粉厚度a為1 mm，料斗口到水平工作臺的高度H為10 mm，水平工作臺移動速度V1為1 m/s，料斗開口間隙L為2 mm．將這組數據帶入上面各式，得粉料下落的初速度V0(即粉料輸送皮帶的速度)為0.2 m/s．

通過以上分析，得出鋪粉厚度與料斗出口間隙、下落高度，粉料輸送皮帶速度之間的定量關系，為該裝置定量輸送鋪平奠定了理論基礎．

3.2均勻鋪粉裝置的流動模擬圖

選用顆粒大小范圍在300～350目、密度在0.8～4.0 g/cm3的15種制造高檔剎車片的混合粉末作為試驗樣品，在成形區域為200 mm×200 mm的鋪粉水平工作臺上進行驗證試驗．其中，圖9為基于FLUENT多種固體混合粉末下落模擬圖，圖10為使用多種不同顆粒大小的白色粉末混合鋪粉的效果圖．

圖9　粉料下落模擬圖

圖10　不同顆粒大小的粉末混合鋪粉的效果圖

3.3各層總鋪粉量的均勻性實驗

采用上述多種混合粉末進行鋪粉均勻性實驗：定量輸送鋪平裝置料倉出口間隙控制在0～5.0 mm之間，料倉出口高度控制在5.0～15.0 mm，同步運行的皮帶輪對的移動速度為0.10～0.50 m/s，水平工作平臺移動速度為1.00～1.50 m/s，小針軸旋轉速度為30～60 rad/s，大針軸對旋轉速度為10～30 rad/s，將鋪粉區域劃分為36個小區域，保證粉料箱中的混合粉料的質量在450～550 g之間．在相同條件下，運行同一個鋪粉流程15次，其測試結果如圖11所示．由圖11可知，在同一條件下，15次鋪粉量曲線基本平穩，經計算可得，其平均值與方差分別為20.15和1.96，因此，在相同鋪粉區域內，鋪粉的層厚度基本穩定．保證粉倉中的粉末質量在450～550 g的范圍內，采用不同的實驗參數，進行一系列的鋪粉量測定實驗，其結果表明鋪粉厚度與料斗出口間隙、下落高度，粉料輸送皮帶速度之間存在定量關系．

圖11　鋪粉篩鋪粉量的測量值

3.4各區域鋪粉量的均勻性實驗

為驗證鋪粉過程中各區間鋪粉量的均勻性，將水平工作面劃分為的36個小方格區域．保證定量輸送鋪平裝置各物理參數及粉料的質量不變，進行10次鋪粉實驗，然后測量小方格區域內粉料的質量，其測量結果見表2．

表2　成形區域內個方格內粉末的質量

按照表2的數據繪出36個小方格區域的鋪粉量分布三維圖如圖12所示．

圖12　成形區域內36個方格內粉末的質量分布

由表2及圖12，經計算可得，在同一條件下鋪粉10次所得的36個小方格區域內粉料量平均值、方差、最大差值分別為5.28、0.74、0.11，平均每層粉末厚度為0.15 mm，從而驗證了鋪粉裝置的穩定性和精確性，通過改進鋪粉工藝還可以提高各區域粉末的均勻性．

4結論

1)由于鋪粉方式為落料鋪粉，因此對于存在凹凸不平等缺陷的工作平面時依然能完成鋪粉．同時，對流動性差的粉料能通過輸送帶的運動和出粉口防堵塞針軸的旋轉，可以打破搭橋現象從而順利進行鋪粉．

2)由于依靠機械剪切力的作用落料鋪粉，從而避免了由于振動引起的多種混合固體粉末分層的現象．

3)通過控制料斗出口間隙、下落高度，粉料輸送皮帶速度等運動參數可以實現不同厚度的均勻鋪粉，特別是在非平整表面實現薄層鋪粉時更具有顯著的效果．

參考文獻：

[1]姚純，胡進，史建軍．改進刮板式送粉器用于激光直接金屬沉積成形[J]．機械制造，2006，44(8)：26-28．

[2]梁朝罡，鄧琦林．激光熔覆制造致密金屬零件送料方式的分析和比較[J]．電加工與模具，2003，23(5)：26-28．

[3]劉偉軍，魏華凱，尚曉峰．鋪粉器[P]．中國專利，03213749．4，2004-06-30．

[4]晏耐生，林峰．電子束選區熔化技術中可控振動落粉鋪粉系統的研究[J]．中國機械工程，2010，21(19)：2379-2382．

[5]胡福生，高繼偉．方形料倉及漏斗最小下料傾角的確定[J]．機械設計，1997，10(17)：48．

[6]李波．料倉結構設計及其試驗研究[J]．遼寧科技學院學報，2009，11(2)：27-28．

[責任編輯張莉]

Design and Experimental Verification of a Device for Mixed

Solid Powder’s Evenly Dropping and Paving

Li XiaoweiCheng LianbingLiu FulinXi Minglong

(College of Mechanical & Power Engineering, China Three Gorges Univ. , Yichang 443002, China)

AbstractAiming at the problem how to evenly spread the mixed powder in the forming process of the NAO brake pads , a device suitable for quantitatively conveying and paving mixed solid powder material is designed and fabricated on the basis of the function of mechanical shear force. A theoretical model of motion parameters of the device is established to obtain the quantitative relationship between the thickness of the powder and the hopper outlet gap, the drop height and the belt speed. The stability and accuracy of the hybrid powder feeding device is verified from the device of the uniformity of different layers and the different areas uniformity of the single layer. The results show that the device is reliable; and can get an evenly powder spreading, and the average powder thickness is 0.15mm.

KeywordsNAO brake pads；mixed solid powder；evenly spread powder；device design；experimental verification

基金項目：校企合作項目(SDHZ2013055)

中圖分類號：TH132.2+2

文獻標識碼：A

文章編號：1672-948X(2015)06-0095-05

DOI：10.13393/j.cnki.issn.1672-948X.2015.06.020

通信作者：李曉維(1987-)，男，碩士研究生，研究方向為機械電子工程．E-mail：weiweixiao168518@163.com

收稿日期：2015-06-14 2015-04-01