超硬材料混料裝置的研制及其混料工藝關鍵技術分析

張 濤，盧燦華，竇 明，劉俊濤，宋子衡，朱 培

（豫西工業集團中南鉆石有限公司，河南 南陽 473264）

大多數超硬工具都是用超硬材料與結合劑形成的特殊復合材料［1］。在超硬材料燒結體生產過程中，將制好的超硬材料粉末與結合劑粉末混合并保持其粒度組成、化學成分不變是至關重要的，為此必須具備一種理想的混料裝置和合適的混料工藝［2］。過去人們通常采用手工瑪瑙研缽進行混料，其方法為：將超硬材料粉末置入瑪瑙研缽內，用手攪動瑪瑙棒對其粉末料進行攪拌混合，這種方法的主要缺點有：一是勞動強度大，二是混料效果差。混料質量得不到保證，制約了超硬材料燒結體的開發及其產品性能的提高，是生產高品級超硬材料燒結體的技術障礙。近期，中南公司模擬手工瑪瑙研缽混料的實際操作狀態，研制出一種超硬材料混料裝置，實現了超硬材料混料的自動化操作。

1 裝置的開發與設計

1.1 設計目的

針對手工瑪瑙研缽混料存在的不足，通過模擬手工瑪瑙混料的實際操作狀態，設計一種自動化程度高、混料效果好的超硬材料混料裝置。

1.2 工作原理

根據電機的正反轉原理，通過絲杠在絲母內上下的螺旋運動，帶動攪拌頭在研缽內腔表面上旋轉下降、上升運動，模擬手工瑪瑙研缽混料的實際操作狀態，實現超硬材料混料的自動化操作。

1.3 主要結構

混料裝置主要由攪拌系統、浮動機構、振料機構、支筒部件、電控裝置系統及其他輔助部件等組成。其結構如圖1所示。

圖1 混料裝置基本結構示意圖Fig.1 The diagram of the mixing device1.底座 2.支筒 3.蓋板 4.研缽 5.研缽內腔球面 6.絲母 7.絲杠 8.旋轉支板 9.上鉸鏈 10.下鉸鏈 11.攪拌頭12.電機 13.電機支板 14.導套 15.防轉導桿 16.電磁振動器 17.振動柱 18.彈性壓板 19.固定套 20.彈簧 21.浮動限位釘 22.夾緊螺釘 23.開關支架 24.上行程開關 25.下行程開關 26.感應鐵 27.電控裝置

1.4 主要結構設計

1.4.1 攪拌系統

攪拌系統由旋轉支板、絲杠、絲母、電機、電機支板、導套、防轉導桿、上鉸鏈、下鉸鏈、彈性壓板、研缽、攪拌頭以及蓋板等組成。旋轉支板安裝在絲杠底端，旋轉支板向下固定連接有上鉸鏈，上鉸鏈向下鉸接有下鉸鏈，下鉸鏈通過浮動機構連接攪拌頭；絲杠頂端與電機相連，電機的底端與電機支板連接，電機支板的一側連接有導套，導套的通孔內滑動穿設有防轉導桿，防轉導桿的底端固定連接在蓋板頂端；絲桿通過絲母固定在蓋板上。

其攪拌過程為：電機反向轉動帶動攪拌頭沿研缽內腔表面旋轉向下運動，當到達研缽底部極限位置時，下行程開關發出信號，電機變為正向轉動帶動攪拌頭沿研缽內腔表面旋轉向上運動，當上升運動到研缽口部極限位置時，上行程開關發出信號，電機又變為反向轉動，連續循環上述動作，實現攪拌混料的自動化操作。

混料均勻效果主要取決攪拌頭在研缽內腔表面上的旋轉運動軌跡、物料間的相互作用時間和攪拌頭的旋轉運動速度［3－4］。一般在不影響混料效率的前提下，若要獲得理想的混料狀態或效果，應使攪拌頭在研缽內腔表面上的旋轉運動軌跡復雜，延長攪拌頭與物料間相互作用的時間，保持合適的攪拌頭旋轉運動速度。因此攪拌頭和研缽結構形狀及攪拌頭旋轉運動速度的可變化性是混料系統設計的一個關鍵。

研缽是物料進行混料的場所，由于所混合的物料為超硬材料，具有極高的硬度和耐磨性，為了減少物料與研缽和攪拌頭摩擦造成對物料的污染以及防止研缽與攪拌頭自身的磨損造成對物料的污染，研缽和攪拌頭選用了硬度高、耐磨性好的硬質合金材料制作。根據攪拌頭在研缽內的旋轉運動軌跡的設計要求，研缽內腔結構設計成碗狀弧面型、攪拌頭外形結構設計成半球型，如圖2所示。

圖2 研缽與攪拌頭示意圖Fig.2 Diagram of the mortar and the mixing head

絲杠帶動絲母螺旋上升下降運動，決定了攪拌頭在研缽內的旋轉運動軌跡必定是一條三維空間的曲線，絲杠螺距的大小決定了攪拌頭在研缽內腔弧面旋轉運動軌跡的疏密程度，一般在不影響混料效率的前提下，絲杠螺距越小，攪拌頭的旋轉運動軌跡越密集，混料效果也越好。攪拌驅動電機由變頻器無級變速，能根據不同物料和性能設計的混料工藝要求改變其輸出轉速，從而實現攪拌頭轉速連續無極可調，滿足不同粒度物料混料的工藝要求。

1.4.2 浮動機構

浮動機構包括固定套、彈簧以及浮動限位釘等，當浮動限位釘到達浮動限位槽的下端時，攪拌頭沿研缽內腔表面旋轉向下運動到研缽底部極限位置，攪拌頭與研缽內腔底表面間作用力最小、彈簧壓縮量也最小，這時攪拌頭在彈力的作用下向研缽內腔表面方向伸出量最大；當浮動限位釘到達浮動限位槽的上端時，攪拌頭沿研缽內腔表面旋轉上升運動到研缽口部極限位置，攪拌頭與研缽內腔表面間作用阻力最大、彈簧壓縮量也最大，這時攪拌頭在研缽內腔表面作用阻力的作用下向研缽內腔表面方向伸出量最小。這種機構可以實現攪拌頭表面與研缽內腔表面的浮動接觸，可確保攪拌頭在研缽內腔表面旋轉運動軌跡的正確性。

1.4.3 振料機構

振料機構由底座、振動柱及電磁振動器組成。電磁振動器設在底座內，通過電磁振動器的振動柱撞擊研缽底部，迫使吸附或黏附在研缽內腔表面和攪拌頭表面的物料在撞擊力的作用下脫落，達到振料目的。在混料操作中，對于不同粒度的物料，可通過電控裝置設置不同的振料頻率和時間。

1.4.4 套筒部件

套筒部件由套筒、夾緊螺釘組成，套筒上端與蓋板固定連接，套筒下端與研缽滑動連結，混料操作時，將套筒部件連同攪拌系統套裝定位在研缽上，并用夾緊螺釘夾牢，為了便于觀察混料情況，套筒材料可采用高強度透明材料制作。

1.4.5 電控裝置系統

電控裝置系統是對攪拌系統和振料機構進行調節、控制的總系統。該系統主要包括攪拌系統用的變頻器以及其它電器元件，可控制電磁振動器頻率的大小、電機啟動停止及正反轉，還可以對電機轉速進行無級連續調節控制，使攪拌頭獲得各種不同的轉速，最大程度上滿足開發和研制多種不同粒度物料混料的工藝要求。

2 混料工藝的關鍵技術分析

超硬材料在混料操作時必須根據各種物料不同的粒度特性，適時調整混料工藝參數，獲得最佳的混料效果。

2.1 適宜的混料量

對于超硬材料進行混料時，選擇適宜的混料量十分重要。混料量太少，物料不能充分與攪拌頭接觸，從而失去了對物料混合、分散的作用，混料效果差；混料量太多，物料難以充分混合，會造成物料混合得不均勻。研究表明對于所設計的混料裝置，最適宜的投料量一般為研缽容積的25%～40%。

2.2 適宜的攪拌速度

超硬材料混料時，攪拌頭的主要作用是混合與分散物料，使其混合均勻。對于不同粒度的物料，所需的攪拌頭的旋轉運動速度也不盡相同。因此合理選擇攪拌頭的旋轉運動速度，對于提高混料均勻性和混料效率有著十分重要的作用，一般混料操作時，攪拌頭的旋轉運動速度太低，混料不能充分混合與分散，混料的均勻效果變差，且效率較低；攪拌頭的旋轉運動速度太高，對物料沖擊較大，易造成物料“飛濺”現象，研究表明對于所設計的混料裝置，攪拌頭的旋轉運動速度一般為50～80r／min。

2.3 適宜的振料頻率

在混料操作過程中，混合物料是由微米級超硬材料組成的，較細的物料極易吸附或黏附在研缽內腔表面和攪拌頭表面上，若黏附的物料不能及時參與混合，將導致所混料的均勻效果變差。一般情況下，混合物料粒度越粗，黏附性能越弱，所使用的振料頻率越低；混合物料粒度越細，黏附性能越強，所使用的振料頻率越高，但過高振料頻率物料的粒度容易發生富集或偏析現象，研究表明對于所設計的混料裝置，振料頻率一般為50～100Hz。

2.4 適宜的混料時間

混料時間除了決定混料效率，還會直接影響混料效果的好壞，混料時間太長，研缽與攪拌頭自身的磨損造成對物料的污染也越嚴重，且混料效率低；混料時間太短，物料混合不均勻。對于不同粒度的物料，所需的混料時間也不盡相同，應根據實際需要確定合理的混料時間，物料粒度越細，混料時間越長；物料粒度越粗，混料時間越短，混料時間的確定，取決于物料是否混合均勻。混料時間的控制可由定時電控裝置來完成，經試驗不同物料混料時間見表1：

表1 不同物料混料時間Table 1 The mixing time of different materials

3 結 論

（1）本混料裝置結構簡單，操作簡便，混料的效果好，實現了超硬材料混料的自動化操作。

（2）該裝置能夠根據不同物料及其性能，實現變工況多參數的工藝操作，滿足開發和研制多種不同粒度超硬材料混料的工藝要求。