等離子旋轉電極霧化制粉高速旋轉驅動機構的設計與分析*

孫浩智

(鄭州機械研究所有限公司，河南 鄭州 450052)

0 引 言

增材制造技術作為一種快速成型技術，能夠利用材料逐層累積制造所設計的三維實體，已成為當前備受關注的先進制造技術之一。作為增材制造技術的原材料，高品質金屬細粉在國內的需求日益旺盛，但國內高品質金屬細粉的生產能力有限，仍需從國外進口[1-2]。

等離子旋轉電極霧化法(PREP法)制備的金屬粉末具有粉末球形度高、粒度分布集中、空心粉和衛星粉率低、雜質元素含量低等優點，如可以用于航空航天領域的高溫合金粉末、生物醫學及航空航天領域的鈦合金粉末等。對于PREP法制粉，母材融化的線速度越高，制備的粉末粒徑越小。為了提高細粉的產粉率，需要在設備能夠承受的極限轉速以下盡可能的提升驅動母材旋轉的高速旋轉驅動機構的轉速，并確保制粉過程能夠安全平穩的進行[3]。

現有的高速旋轉驅動機構主要為以下幾種：①由電機直接驅動，將棒料通過聯軸器與電機連接，電機直接帶動母材圓棒旋轉，由等離子槍軸向移動熔化母材[4]；②由輥輪驅動，采用三個或者四個輥輪組，將母材圓棒夾持在輥輪組的幾何中心，通過電機驅動水平分布的兩個輥輪組，并帶動母材旋轉，由推料裝置推動母材軸向移動[5]；③由中空電機驅動，母材圓棒從中空電機的心部穿過，通過端部裝卡與電機轉子的內壁傳遞扭矩，從而驅動母材旋轉[6]。這三種方法在一定程度上均存在一些缺點：對于電機直接驅動，母材遠離電機端的撓度較大,旋轉過程中隨著轉速的提升，母材的振動會越來越劇烈，有可能會導致設備的損壞，從而在一定程度上制約了轉速。對于輥輪驅動，輥輪組依靠壓力約束母材，但母材高速旋轉時的機械振動會導致母材與輥輪組的接觸母線瞬間脫開，從而發生軸向竄動，因此在實際制粉過程中推料桿是頂住母材的，并且在母材旋轉的過程中一直跟母材發生摩擦，最終在母材尾端鉆出凹槽，造成原材料損失，并且在推料桿與母材摩擦的過程中會增大機械振動，振動的增加一定程度上會減少軸承的使用壽命甚至造成軸承的破壞，也在一定程度上制約轉速。對于中空電機驅動，母材端部裝卡，無法保證整根母材與驅動旋轉中心重合，隨著轉速提高，機械振動明顯增加，因此也在一定程度上制約轉速。在制粉時用以上方式驅動母材，均需保留一定長度的母材用來壓緊或裝卡，對貴重的金屬原材料造成一定的浪費，使得制粉成本增加。

針對上述問題，筆者提出一種母材中心連續送料機構，能夠在一定程度上減少裝卡對母材造成的浪費，并且提高母材和電機轉子的同軸度，降低機械振動，從而提升母材轉速，進而提高細粉的制取比例[7]。同時對該機構的脹套和錐柄進行受力分析和強度分析，驗證機構能夠安全平穩的運行[8]。

1 機構的結構組成及功能分析

如圖1所示，該機構由電機定子1、中空的電機轉子2、定位電機轉子的軸承3、帶錐形孔的圓柱體脹套4、帶固定圓盤的錐柄5、調整母材與轉子同軸的定位銷6、防止錐柄在旋轉過程中脫離的防滑脫組件7、讓電機定子能夠前進或后退的直線導軌副8以及制粉的母材金屬棒料9等組成。

圖1 母材中心連續送料機構裝配圖1.電機定子 2.電機轉子 3.軸承 4.圓柱體脹套 5.錐柄 6.定位銷 7.防滑脫組件 8.導軌副 9.金屬棒料

電機定子通過直線導軌副連接在基座之上，可以沿著導軌副前進或后退。電機轉子通過前、后端軸承安裝在電機定子內部，電機轉子加工成中空腔，脹套穿裝在中空轉子中。圓柱體脹套中心加工成錐孔并且在軸向加工有開口槽，錐柄穿裝在錐孔內，依靠錐柄插入時產生的張緊力傳遞扭矩。錐柄的后端與穿裝在中空轉子內的螺桿通過螺紋連接來防止錐柄在旋轉的過程中滑脫，螺桿通過電機轉子的軸端擋板定位。母材一端加工出合適的銷孔和螺紋孔，并通過定位銷和螺釘與錐柄前端的圓盤連接，定位銷可以保證母材與轉子同軸旋轉。中空轉子的前端設計成錐孔，錐孔部分設計有使母材產生適宜徑向壓力的開口槽,母材前端穿過通孔進入霧化室內部，霧化室前端的導向孔內安裝有可沿導向孔內外移動的等離子槍。

制粉時，先將脹套穿裝在中空轉子后端適宜的位置，然后將母材與錐柄前端的圓盤連接，再將錐柄插入脹套的錐孔之中，依靠錐柄插入產生適宜的張緊力與電機轉子傳遞扭矩，然后將螺桿與穿裝好的錐柄連接，將母材推出電機轉子適宜的長度；隨后電機轉子旋轉，母材跟隨電機轉子旋轉，當轉速達到10 000～30 000 r/min的轉速時，電機定子沿著直線導軌副向前移動，使母材進入霧化室，在等離子槍的加熱下，母材熔化，熔化的金屬液滴在母材高速旋轉下被甩出，經冷卻后成為球形粉末。當母材燒蝕掉一定長度時，電機轉子停止轉動，電機定子后退，更換長度更大的螺桿，再度將母材推出電機轉子適宜的長度，并進行下一輪制粉，直到完成整根母材的制粉作業，然后更換新的母材繼續上述操作，制備金屬粉末。

由于該機構能否正常工作很大程度上取決于脹套和錐柄配合的結構能否正常工作，因此對脹套和錐柄的裝配體進行了相應的受力分析以及運用有限元分析的方法對裝配體的強度進行了分析。

2 脹套和錐柄的力學模型及受力分析

2.1 脹套的結構

如圖2所示，圓柱體脹套中心加工成錐孔，在圓周上加工有軸向開口槽，且環繞中心錐孔加工有用于散熱的通孔。母材和錐柄固定后利用錐柄的錐度裝配在脹套上，脹套采用外脹與電機轉子緊壓在一起，靠靜摩擦力驅動旋轉。

圖2 圓柱體脹套的結構

2.2 脹套及錐柄的力學模型

圖3所示為圓柱體脹套和錐柄的力學模型，圖中F1為脹套的推緊力，F2為錐柄的推緊力，F1和F2共同為脹套和錐柄提供預緊力，N1為電機轉子與脹套間的正壓力，Ff1為電機轉子與脹套間由于正壓力產生的摩擦力，Ft1為轉子旋轉時脹套受到的切向摩擦力，N2為脹套與錐柄間的正壓力，Ff2為脹套與錐柄間由于正壓力產生的摩擦力，Ft2為轉子旋轉時錐柄受到的切向摩擦力，α為錐柄的錐角。

圖3 脹套及錐柄的力學模型

2.3 脹套及錐柄的受力分析

假設脹套與轉子間的摩擦因數為μ1，錐柄與脹套間的摩擦因數為μ2。根據脹套及錐柄的力學模型可以得到平衡方程如式(1)：

(1)

實際制粉過程中，為保證扭矩的可靠傳遞，則需要滿足式(2):

(2)

式中：T為電機轉子傳遞的扭矩；D為脹套直徑；d1為錐柄小端的直徑；d2為錐柄大端的直徑。

3 脹套和錐柄的強度分析

3.1 建立有限元模型

脹套的材料選取為65Mn，其抗拉強度為970MPa，屈服強度為784MPa；錐柄的材料為40Cr，其抗拉強度為980 MPa，屈服強度為785 MPa。電機轉子與脹套間的摩擦系數選取為0.14，脹套與錐柄間的摩擦系數選取為0.15，電機轉子的額定轉矩為120 N·m，脹套的總體直徑為50 mm，長為80 mm，脹套錐孔的小端直徑為26 mm，大端直徑為28 mm，錐柄的小端直徑為26 mm，大端直徑為28 mm，錐柄部分的總長為80 mm。上述脹套和尺寸均為方便建模而取。實際加工尺寸存在一定的公差。

按照上述脹套和錐柄的參數運用SolidWorks軟件進行建模，脹套的模型如圖4所示，錐柄的模型如圖5所示，脹套和錐柄裝配體的模型如圖6所示。

圖4 脹套的3D模型 圖5 錐柄的3D模型

圖6 脹套和錐柄的裝配體模型

3.2 應力分析

運用SolidWorks的Simulation功能進行有限元分析[9-10]。首先將脹套和連結方式設置成接合，然后接觸方式設置為有摩擦并且摩擦系數為0.15，然后是對脹套和錐柄按照受力分析的方式在各自端面施加壓緊力，并且對脹套圓柱面施加扭矩，然后對脹套和錐柄的非受力端面采用固定的約束方式，施加好載荷和約束方式之后，對裝配體進行網格劃分，然后運行算例，得到裝配體的應力和應變云圖。

裝配體的應力云圖如圖7所示，應變云圖如圖8所示。

圖7 脹套和錐柄裝配體的應力云圖 圖8 脹套和錐柄裝配體的應變云圖

根據應力和應變云圖可知，裝配體受到的最大等效應力為144 MPa，最大等效應變為0.000 5 mm，并且最大應力和應變均出現在脹套的開口槽的根部。

由于脹套受到的最大等效應力144 MPa小于脹套材料的屈服極限784 MPa，因此脹套和錐柄的強度均滿足制粉需求，機構可以有效地進行工作。

4 結 語

提出一種母材中心連續送料機構，針對現有的等離子旋轉電極霧化制粉高速旋轉驅動機構存在的諸如隨轉速的提高振動明顯增加從而制約制粉的工作轉速、由于裝卡和結構磨損造成的貴重金屬原材料浪費，成本增加等問題，該機構都做了相應的優化。尤其是通過定位銷調整母材與電機轉子同軸的結構，如果設計相應的模具來制備母材棒料，可以極大程度上節省貴重金屬原材料，降低制粉成本。并且將母材與錐柄通過螺釘連接，利用錐柄插入脹套產生的張緊力傳遞扭矩的結構可以消除因防止母材軸向竄動而造成的磨損消耗。制粉時母材伸出一段長度，由電機定子在導軌上向前移動將母材引向加熱用的等離子槍，可以在既確保母材棒料不會因為徑向沒有足夠的支撐而造成旋轉過程中的劇烈晃動，又可以減少因母材燒蝕變短而需要停機跟換推桿的次數，節省了制粉的時間成本。對脹套和錐柄裝配體的有限元分析，說明在工作狀態下，脹套開口槽的根部是出現最大等效應力和最大等效應變的部位，且最大等效應力144 MPa小于脹套材料的屈服極限784 MPa，說明該機構可以有效的進行工作。