轉(zhuǎn)盤式雙筒激光熔覆送粉器的結(jié)構(gòu)設(shè)計及應(yīng)用

譚帥,朱建,*,魯克鋒,徐傳娟

(1.山東高原油氣裝備有限公司,東營 257091; 2.山東省采油裝備技術(shù)創(chuàng)新中心,東營 257091; 3.山東理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,淄博 255000; 4.山東省精密制造與特種加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,淄博 255000)

激光熔覆利用高能量密度激光束將粉末與基材表面熔凝,使粉末與基材實(shí)現(xiàn)冶金結(jié)合,形成熔覆層。通過熔覆材料的選擇,熔覆層可實(shí)現(xiàn)耐磨、耐蝕、抗疲勞和抗氧化的功能。激光熔覆不僅具有快熔急凝、熱影響區(qū)小、稀釋率低、熔覆層組織均勻細(xì)小、熔覆材料選擇范圍廣等優(yōu)點(diǎn),還呈現(xiàn)出操作方便、經(jīng)濟(jì)實(shí)用等優(yōu)勢,因此被廣泛應(yīng)用于、航空航天、礦山與工程機(jī)械、石油化工及武器裝備等關(guān)鍵部件的表面強(qiáng)化和修復(fù)[1-3]。

激光熔覆時,粉末輸送的均勻性、穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性對熔覆層質(zhì)量起著至關(guān)重要作用[4-5]。送粉器負(fù)責(zé)粉末的定量輸送和定點(diǎn)輸送,是將粉末按照一定的速率、密度送到熔覆部位的裝置。送粉器需按照工藝要求為熔覆提供連續(xù)、均勻、穩(wěn)定的粉末輸送,送粉器性能差會造成熔覆層質(zhì)量低及厚度不均勻等缺陷,進(jìn)而影響工件的尺寸精度和使役性能[6]。目前,送粉器主要可以分為:螺旋式、轉(zhuǎn)盤式、刮板式、毛細(xì)管式、鼓輪式、電磁振動式和沸騰式送粉器,其中轉(zhuǎn)盤式粉末輸送較為穩(wěn)定、送粉速率易調(diào),因此較為常用[7-8]。上述送粉器的工作原理包括:重力、氣體動力學(xué)和機(jī)械力學(xué)等[9]。

李慧等[10]針對GTFA-TIG(gas transfer flux activationg-tungsten intert gas)焊接方法,利用數(shù)值模擬,研究不同轉(zhuǎn)速下送粉器內(nèi)部氣體流動情況,發(fā)現(xiàn)隨著轉(zhuǎn)速的增加,內(nèi)部氣體流動整體增加,對流也更加強(qiáng)烈,局部位置的速度改變并在內(nèi)部形成渦流,影響送粉過程。顏瑞峰等[11]建立了激光熔覆同軸送粉過程的兩相流模擬模型,仿真結(jié)合實(shí)驗(yàn)分析,發(fā)現(xiàn)在氣體流量恒定的情況下,送粉速率會影響粉末流的匯聚狀況。郭崗崗等[12]設(shè)計了一種熱噴涂用螺桿式送粉器,可滿足復(fù)合噴涂工藝對送粉器的功能要求。通過大量文獻(xiàn)分析發(fā)現(xiàn),目前針對送粉系統(tǒng)的研究多以送粉器內(nèi)部流體的仿真模擬為主,關(guān)于送粉器結(jié)構(gòu)設(shè)計的文獻(xiàn)鮮有,尤其是激光熔覆轉(zhuǎn)盤式送粉器的結(jié)構(gòu)設(shè)計。因此,在激光熔覆技術(shù)迅速發(fā)展的大背景下,開展激光熔覆送粉器的結(jié)構(gòu)設(shè)計研究具有重要意義。

針對傳統(tǒng)激光熔覆送粉器結(jié)構(gòu)復(fù)雜、易堵塞、送粉效率低、送粉率不穩(wěn)定等問題,綜合考慮各類送粉器的結(jié)構(gòu)、工藝適配性、經(jīng)濟(jì)性、安全性、應(yīng)用場所等特點(diǎn),基于轉(zhuǎn)盤式送粉器原理,設(shè)計一款即可以輸送粉末粒度較小的粉末,也可輸送普通粒度粉末的激光熔覆雙筒送粉器。利用繪圖軟件進(jìn)行氣路設(shè)計和機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計。氣路設(shè)計是送粉裝置中氣體輸送管道大小的確定和管道位置的安排,機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計是零部件的設(shè)計,主要包括轉(zhuǎn)盤、料筒、進(jìn)出料口、進(jìn)氣口、腔體、傳動系統(tǒng)、攪拌系統(tǒng)等。

1 設(shè)計思路

首先,根據(jù)轉(zhuǎn)盤式送粉原理圖制定送粉器工作流程,如圖1所示。再擬定送粉器大體結(jié)構(gòu),送粉器結(jié)構(gòu)設(shè)計可分為兩部分:一部分是氣路,氣路設(shè)計是送粉裝置中氣體輸送管道直徑大小的確定和管道位置安排;另一部分是機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計,主要包括轉(zhuǎn)盤、料筒、進(jìn)出料口、進(jìn)氣口、腔體、傳動系統(tǒng)、攪拌系統(tǒng)八大部分的設(shè)計。送粉器的結(jié)構(gòu)簡圖如圖2所示。

圖1 工作流程圖

圖2 送粉器結(jié)構(gòu)簡圖

2 氣路設(shè)計

2.1 整體氣路設(shè)計

氣體從空氣壓縮機(jī)出來主要分成兩路,一路氣體通入料筒,另一路氣體通入轉(zhuǎn)盤腔體。通入料筒的氣體又可分為兩個支路,一路從料筒頂部的筒肩位置通入,另一路從料筒底部的料筒底座通入,通入這兩個支路氣體的目的是為了平衡腔體內(nèi)部氣壓,防止轉(zhuǎn)盤腔體內(nèi)部氣壓高于料筒內(nèi)部氣壓太多而影響粉末順利落入轉(zhuǎn)盤凹槽。通入轉(zhuǎn)盤腔體的氣體只有一路,這一路氣體直接通入轉(zhuǎn)盤腔體,再從轉(zhuǎn)盤腔體通出,作用是將轉(zhuǎn)盤凹槽里的粉末輸送到激光加工區(qū)域。

2.2 氣路設(shè)計理論

此裝置的粉末運(yùn)輸屬于稀相運(yùn)輸,氣體輸送流速應(yīng)大于粉末輸送速度,也要大于臨界氣速。此處選擇大于臨界氣速20%的氣體流速值,取氣體輸送流速V0=16 m/s。固氣比是指氣體攜帶的固體質(zhì)量與相應(yīng)氣體質(zhì)量的比值,其計算公式為

λ=Mp/Mf

(1)

式(1)中:λ為固氣比;Mp為固體質(zhì)量,g;Mf為氣體質(zhì)量,g。固氣比不應(yīng)過大也不能過小,初次取固氣比λ=10。輸送管徑的計算公式為

D=0.5Mp/(7.9ρfμ)

(2)

式(2)中:D為輸送管內(nèi)徑,m;Mp為被輸送粉末質(zhì)量流量;ρf為輸送氣體密度,kg/m3;μ為流體動力黏性系數(shù),Pa·s。取被輸送粉體的質(zhì)量流量Mp=10;輸送氣體密度ρf大小取決于使用的氣體種類,可取ρf=1 g/mm3;流體動力黏性系數(shù)μ的大小受粉末種類、氣體種類、固氣比ω的影響,因此,流體動力黏性系數(shù)μ難以找到一個確定的數(shù)值代入計算,所以輸送管徑D的數(shù)值使用經(jīng)驗(yàn)值,取D=4 mm。總壓力損失為

ΔP總=ΔPx+ΔPy+ΔPa+ΔPb

(3)

式(3)中:ΔP總為總壓力損失,Pa;ΔPx為水平管道的壓力損失 Pa;ΔPy為垂直管道壓力損失,Pa;ΔPa為管件連接處壓力損失,Pa。ΔPb為物料加速壓力損失、發(fā)送泵壓力損失,Pa。

水平管道壓力損失ΔPx的計算公式為

ΔPx=ΔPff+ΔPfp

(4)

ΔPff=λfLeUfρf/D

(5)

ΔPfp=λpLeUpρp/D

(6)

式中:ΔPff為水平管道氣體摩擦阻力損失,Pa;ΔPfp為水平管道粉末摩擦阻力損失,Pa;λf為氣體摩擦系數(shù),Pa;Le為管道當(dāng)量長度,m;Uf為氣體的平均流速,m/s;ρf為空氣平均密度,kg/m3;λp為粉末摩擦系數(shù),Pa;Up為粉末平均流速,m/s;Pp為粉末平均密度,kg/m3。

垂直管道壓力損失ΔPy的計算公式為

ΔPy=ΔPff+ΔPfp+ΔPhs

(7)

ΔPff=λfHUfρf/D

(8)

ΔPfp=λpHUpρp/D

(9)

ΔPhs=ρmgh

(10)

式中:ΔPff為垂直管道氣體摩擦阻力損失,Pa;ΔPfp為垂直管道粉末摩擦阻力損失,Pa;ΔPhs為使粉末做上升運(yùn)動的附加壓力損失,Pa;H為垂直管有效高度,m;ρm為氣體和粉末混合物密度,kg/m3;管件連接處壓力損失ΔPhp,取決于管件之間的密封性能。

物料加速壓力損失、發(fā)送泵壓力損失ΔPb,計算公式為

ΔPb=(C+Kqλ)Ufρf

(11)

式(11)中:C為氣體發(fā)送設(shè)備相關(guān)系數(shù);Kq為與粉末加速相關(guān)的系數(shù);其中,對與螺旋泵來說:C=100,Kq=7;對于倉式泵來說:C=200～300,Kq=7。

3 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計

送粉器機(jī)械結(jié)構(gòu)主要包括轉(zhuǎn)盤、料筒、進(jìn)料口、出料口、進(jìn)氣口、腔體、傳動系統(tǒng)、攪拌系統(tǒng)八大部分。此送粉器要滿足普通送粉、超細(xì)送粉的要求,考慮到經(jīng)濟(jì)效益、產(chǎn)品質(zhì)量,設(shè)置兩路送粉通道。兩路送粉通道結(jié)構(gòu)基本相同,超細(xì)送粉通道比普通送粉通道多一個攪拌裝置。

3.1 轉(zhuǎn)盤的設(shè)計

轉(zhuǎn)盤位于腔體內(nèi)部,是圓形零件,設(shè)有一定深度、寬度的凹槽。中心開孔與傳動軸配合,在傳動軸的帶動下,將粉末由進(jìn)料口處輸送至出料口處。單位時間內(nèi)送粉量的計算公式為

M=ρω(R2-r2)

(12)

式(12)中:M為送粉速度,g/s;ρ為粉末密度,g/mm3;ω為轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速,r/s;R和r為凹槽大徑和小徑,mm。

設(shè)定轉(zhuǎn)速控制為0～20 r/min、送粉量為15～300 g/min,設(shè)定凹槽大徑R=50 mm,凹槽小徑r=40 mm,凹槽厚度h=2 mm,取轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速ω=20 r/min代入式(12),則M=2 160 000ρ。常用粉末密度為6×10-6～10×10-6g/mm3。經(jīng)計算,凹槽的尺寸符合要求。轉(zhuǎn)盤的結(jié)構(gòu)尺寸如圖3所示。

圖3 轉(zhuǎn)盤

轉(zhuǎn)盤與軸的聯(lián)接采用螺釘與軸端擋板的聯(lián)接方式,周向使用三個內(nèi)六角圓柱頭螺釘將轉(zhuǎn)盤固定在傳動軸上,軸向通過軸肩、軸端擋板對轉(zhuǎn)盤進(jìn)行定位,如圖4所示。其中,根據(jù)GB/T 70.1—2008,初次選擇代號為 GB/T M2×20的內(nèi)六角圓柱頭螺釘。螺釘性能等級選取8.8級,材料選擇普通含錳量鋼,牌號為10。

圖4 轉(zhuǎn)盤的固定方式

由于凹槽中粉末量較少,重量很小,轉(zhuǎn)盤所受的旋轉(zhuǎn)力矩很小。因此,轉(zhuǎn)盤的材料選擇QT800-2。為使轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動平穩(wěn),凹槽大徑、小徑的公差等級為七級,凹槽同軸度的公差等級為七級,凹槽表面粗糙度上限值為0.1 μm。轉(zhuǎn)盤上表面與軸端擋板配合,轉(zhuǎn)盤下表面與軸肩配合,這兩處的配合表面位于腔體之中,為防止粉末進(jìn)入縫隙,采用研合面密封的方式,表面粗糙度上限值為3.2 μm。

3.2 傳動系統(tǒng)的設(shè)計

根據(jù)送粉器原理,設(shè)計其傳動系統(tǒng),送粉器要求送粉過程穩(wěn)定性好,所以帶動轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動的傳動軸工作要平穩(wěn)。傳動系統(tǒng)主要由傳動軸、軸承、聯(lián)軸器、步進(jìn)電機(jī)、軸端固定板、軸肩擋環(huán)、法蘭、調(diào)整墊片、軸承端蓋、四氟套、毛氈、墊環(huán)組成。如圖5所示。

圖5 傳動系統(tǒng)

送粉器對傳動軸的轉(zhuǎn)速、載荷要求不高,因此傳動軸材料選用45號碳素鋼。根據(jù)傳動軸上零件的大小以及軸上零件與軸的裝配關(guān)系初步擬定傳動軸結(jié)構(gòu)形式與尺寸大小,如圖6所示。

圖6 傳動軸

根據(jù)GB/T 6403.4—2008,軸肩配合處圓角半徑與倒角尺寸的推薦值,確定傳動軸上各處圓角與倒角尺寸的大小。其中,傳動軸與軸承配合的兩處軸肩圓角尺寸為R0.2,與轉(zhuǎn)盤內(nèi)孔配合的軸肩處圓角尺寸為R0.6、倒角尺寸為C0.6,與軸肩擋環(huán)配合的軸段處圓角尺寸為R1,與法蘭配合的軸端處圓角尺寸為R1.6,與軸承端蓋配合的軸端處圓角尺寸為R0.6。此傳動軸受力不大,主要承受比較小的轉(zhuǎn)矩。由圖4可知,危險部分是軸端螺栓聯(lián)接部分,對螺栓強(qiáng)度進(jìn)行校核計算。此處螺栓承受旋轉(zhuǎn)力矩、剪切作用。螺栓組的受力分析如圖7所示。

Fs1、Fs2、Fs3為螺栓所受的剪力,r1、r2、r3為螺栓中心到旋轉(zhuǎn)中心的距離

忽略螺栓周到的預(yù)緊力和摩擦力,根據(jù)靜力平衡條件可得

Fs1r1+Fs2r2+Fs3r3=T

(13)

根據(jù)變形協(xié)調(diào)條件,各個螺栓的剪切變形量與其中心到旋轉(zhuǎn)中心的距離成正比。因?yàn)槿齻€螺栓的剪切剛度一樣,所以螺栓所受到的剪切力與螺栓中心到旋轉(zhuǎn)中心的距離成反比,可得

Fs1/r1=Fs2/r2=Fs3/r3

(14)

螺栓所受剪切強(qiáng)度為

τ=4Fs/(πd2m)

(15)

式(15)中:τ為剪切強(qiáng)度,Pa;d為螺栓抗剪面直徑,mm;m為螺栓抗剪面數(shù)目。

螺栓所受擠壓強(qiáng)度為

σp=Fr/(Dh)

(16)

式(16)中:σp為擠壓強(qiáng)度,Pa;H為計算對象受壓高度,mm;Fr為螺栓所受橫向力,mm(Fr=Fs)。

經(jīng)計算τ=13.27 Pa、σp=2.085 Pa。

螺栓的許用切應(yīng)力為

[τ]=σs/Ss

(17)

式(17)中:[τ]為許用切應(yīng)力,N;σs為材料的屈服極限;Ss為安全系數(shù)。

螺栓的許用擠壓應(yīng)力為

[σp]=σs/Sp

(18)

式(18)中:[σp]為許用擠壓應(yīng)力,N;Sp為安全系數(shù),鋼螺栓的Sp=1～1.25。

若取σs=205 MPa,取Sp=1.2,則[τ]=410 MPa,[σp]=170 MPa。可得,τ<[τ]、σp<[σp],所以螺栓符合使用要求。

為使轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動更平穩(wěn),需在傳動軸上安裝軸承。工作環(huán)境屬于低速、輕載場所,且只軸向受力,徑向不受力,因此選擇深溝球軸承。根據(jù)GB/T 276—2013,深溝球軸承用6000型00系列,代號為16008,其基本額定動載荷CR=12.6 kN,基本額定靜載荷C0=9.6 kN,脂潤滑極限轉(zhuǎn)速10 000 r/min,油潤滑極限轉(zhuǎn)速10 000 r/min。

送粉器的傳動軸軸向安裝空間大,因此選擇套筒聯(lián)軸器。聯(lián)軸器聯(lián)接電動機(jī)上的軸和傳動軸,使兩軸一起轉(zhuǎn)動、將轉(zhuǎn)矩傳遞下去。聯(lián)軸器位于箱體之中,軸向、徑向空間較大,綜合考慮成本,選擇使用套筒聯(lián)軸器。送粉器對轉(zhuǎn)矩要求不高,在選擇聯(lián)軸器的型號時主要考慮聯(lián)軸器尺寸的大小。聯(lián)軸器聯(lián)接的軸的尺寸為16 mm,選擇的圓錐銷套筒聯(lián)軸器。

軸肩擋環(huán)可防止四氟套在傳動軸軸向發(fā)生竄動,受力較小,可選擇普通軸肩擋環(huán)常用的35號鋼。其尺寸大小主要依據(jù)與軸肩擋環(huán)配合的軸徑尺寸、四氟套尺寸、螺釘尺寸來確定,如圖8所示。

圖8 軸肩擋環(huán)

使用兩個螺栓將其進(jìn)行固定在腔體底座上,與傳動軸之間存在間隙,如圖9所示。根據(jù)GB/T 5783—2016六角頭螺栓-全螺紋,選擇代號為 GB/T M1.6×6的螺栓。

圖9 軸肩擋環(huán)的裝配

腔體底座與傳動軸之間的相對運(yùn)動是旋轉(zhuǎn)運(yùn)動,密封屬于旋轉(zhuǎn)密封。腔體內(nèi)部有氣壓存在,要有氣體密封功能。設(shè)置一個四氟套套在傳動軸上,起防塵功能,與傳動軸之間是過盈配合,軸向由法蘭和軸肩擋圈固定。鑒于四氟套與傳動軸之間是過盈配合,可能發(fā)生相對旋轉(zhuǎn),在四氟套內(nèi)部開槽,其結(jié)構(gòu)尺寸如圖10所示。

圖10 四氟套

軸承端蓋用于軸承的軸向定位,無特殊力學(xué)性能要求,材料可選擇9Cr18。使用四個螺栓將軸承端蓋、調(diào)整墊圈、腔體底部零件聯(lián)接。根據(jù)GB/T 5782—2016六角頭螺栓,選擇代號為 GB/T M2×20的六角頭螺栓,整個機(jī)械結(jié)構(gòu)需要8個這種型號的螺栓。軸承端蓋與傳動軸之間留有間隙,且在軸承端蓋與傳動軸之間設(shè)置一個毛氈圈和脂潤滑,防止轉(zhuǎn)動過程中不必要的噪聲、震動,減小傳動軸損害,提升壽命,防止空氣中的雜質(zhì)進(jìn)入軸承腔體。軸承端蓋的尺寸主要根據(jù)與其配合的傳動軸、軸承、法蘭的尺寸確定。其結(jié)構(gòu)尺寸如圖11所示。

圖11 軸承端蓋

在軸承端蓋與法蘭之間設(shè)置一個調(diào)整墊片以調(diào)整軸向間隙,起緩沖、預(yù)留變形伸縮量作用。調(diào)整墊片外徑為98 mm,內(nèi)徑為68 mm,材料選擇304不銹鋼。

3.3 進(jìn)料口、進(jìn)氣口、出料口的設(shè)計

進(jìn)料口的結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖12所示。

圖12 進(jìn)料口

腔蓋、料筒底座與進(jìn)料口之間需靜密封,以防氣為主,防塵為輔,所以選擇使用兩個O形密封圈進(jìn)行密封。根據(jù)GB/T 3452.1—2005,選擇代號為56×2.25-G-S-GB/T 342.1—2005的密封圈,密封材料選擇硅橡膠(SIL)。粉末因自重作用從料筒經(jīng)過進(jìn)料口進(jìn)入粉腔,為保證粉末經(jīng)過進(jìn)料口直接落入凹槽,防止粉末透過進(jìn)料口與進(jìn)料口導(dǎo)料板之間的間隙進(jìn)入腔體,在進(jìn)料口與進(jìn)料口導(dǎo)料板之間設(shè)置一個O形密封圈,根據(jù)GB/T3452.1—2005,選擇代號為17×2.25-G-S-GB/T 342.1—2005的密封圈。

進(jìn)料口只承受帶動進(jìn)料口導(dǎo)料板運(yùn)動的力,進(jìn)料口導(dǎo)料板的材料是塑料,且進(jìn)料口導(dǎo)料板與轉(zhuǎn)盤之間的摩擦力也很小,所以進(jìn)料口受力很小,其材料選擇Q235即可滿足強(qiáng)度要求。進(jìn)氣口的結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計如圖13所示。

圖13 進(jìn)氣口

進(jìn)氣口與氣管的連接采用管接頭,管接頭選擇QJCR系列的直通終端管接頭,型號為拆裝方便的QJCR-2J1-Z3。進(jìn)氣口與腔蓋的聯(lián)接采用螺釘聯(lián)接,使用3個螺釘將其固定在腔蓋上,根據(jù)GB/T 70.1—2000內(nèi)六角圓柱頭螺釘,選擇代號為 GB/T M2×16的螺釘。進(jìn)氣口與腔蓋之間放置密封圈以達(dá)到密封要求。根據(jù)GB/T 3452.1—2005,選擇代號為18×2.25-G-S-GB/T 342.1—2005密封圈。出料口結(jié)構(gòu)如圖14所示。

圖14 出料口

出料口與腔蓋的聯(lián)接采用螺釘聯(lián)接,使用四個螺釘將出料口固定在腔蓋上。根據(jù)GB/T 70.1—2000內(nèi)六角圓柱頭螺釘,選擇代號為 GB/T M2×16的螺釘。為防止出料口與腔蓋間縫隙發(fā)生漏氣和粉末進(jìn)入,設(shè)置一個密封圈,放置密封圈的凹槽開在出料口上。根據(jù)GB/T 3452.1—2005,選擇代號為36×2.25-G-S-GB/T 342.1—2005密封圈。出料口與出粉管之間設(shè)置一個管接頭,選擇型號為QJCR-2J1-Z3。底部凸臺形狀與刮板形狀相配合。出料口底部45°傾斜面與出料口導(dǎo)料板的傾面之間留有縫隙,凸臺最底面與出料口導(dǎo)料板相接觸,為防止粉末透過出料口與出料口導(dǎo)料板之間的間隙進(jìn)入腔體,在出料口與出料口導(dǎo)料板之間接觸的部分設(shè)置密封圈,放置密封圈的凹槽開在出料口上。根據(jù)GB/T 3452.1—2005,選擇代號為10×2.25-G-S-GB/T 342.1—2005的密封圈。

3.4 整個腔體的設(shè)計

腔體由腔蓋、腔壁、腔底構(gòu)成。腔體需要較好的密封性,組成腔體的零件與零件之間有密封要求。腔蓋與進(jìn)氣口、進(jìn)料口、出料口、腔壁之間,腔蓋與腔壁之間、腔壁與腔底之間均屬于靜密封,防氣為主,防塵為輔,每處接觸面之間均設(shè)置密封圈。為方便在完成一次送粉作業(yè)后將腔內(nèi)清理殘余的粉末清理干凈,腔蓋與腔壁之間要便于拆裝。

腔蓋確定了進(jìn)氣口、進(jìn)料口、出料口的相對位置,同時,在腔蓋上的其余部位開口安裝可視塑料,這樣可以在送粉器工作時看到轉(zhuǎn)盤上粉末狀況。為便于清理上一次作業(yè)殘留下的粉末,腔蓋與腔壁的聯(lián)接采用螺釘聯(lián)接,且腔蓋底部的外緣是階梯結(jié)構(gòu),使用三個螺釘將腔蓋固定在腔壁上。如圖15所示,這種帶有階梯、采用螺栓聯(lián)接方式的結(jié)構(gòu)組合,在拆裝上是很方便的。根據(jù)GB/T 70.1—2008內(nèi)六角圓柱頭螺釘,選擇代號為GB/T M6×25的螺釘。根據(jù)腔蓋與進(jìn)氣口、進(jìn)料口、出料口的配合關(guān)系,在腔蓋上可設(shè)置兩處可視窗口,可視塑料與腔蓋的聯(lián)接采用螺釘聯(lián)接螺釘,小一點(diǎn)的塑料使用三個螺釘將其固定在腔蓋上,大一點(diǎn)的塑料使用四個螺釘將其固定在腔蓋上。根據(jù)GB/T 70.1—2008內(nèi)六角圓柱頭螺釘,選擇代號為 GB/T M1.6×6的螺釘。可視塑料的材料選擇聚碳酸酯,此類材料透明度高,強(qiáng)度、尺寸穩(wěn)定性良好。為保證腔體的密封性,可視塑料與腔蓋的接觸面之間采用研合面密封,腔蓋相應(yīng)位置的粗糙度上限值為0.3 μm。腔蓋的材料可選擇QT400-15。腔蓋的結(jié)構(gòu)尺寸如圖16所示。

圖15 腔蓋與腔壁的聯(lián)接

圖16 腔蓋

腔壁的結(jié)構(gòu)如圖17所示,腔壁與腔體底部、腔體支承板的采用螺釘聯(lián)接,三個螺釘將腔壁與腔底固定在腔體支承板上,如圖18所示。根據(jù)GB/T 70.1—2008,選擇代號為GB/T M6×25的螺釘。

圖17 腔壁

圖18 腔壁與腔體底部、腔體支承板的聯(lián)接

腔蓋與腔壁之間、腔壁與腔底之間設(shè)有密封圈。這兩處放置密封圈的槽都開在腔壁上,槽的兩側(cè)高度不是相同的,槽與腔壁內(nèi)側(cè)部分比槽與腔壁外側(cè)部分高度相差0.2 mm,這樣使得加工過程更方便,很大程度上降低加工難度。0.2 mm的高度差也保證在剛通入氣體時O形圈不會被氣體沖出凹槽。凹槽表面的粗糙度值可取6.3 μm。這兩處的密封圈均選擇代號為160×7-G-S-GB/T 342.1—2005的密封圈。腔壁的材料選擇QT400-15。

腔體底座結(jié)構(gòu)設(shè)計考慮了腔體底部與傳動軸之間的旋轉(zhuǎn)密封以及軸承的安裝位置。上部分中間孔的內(nèi)表面與四氟套配合,所以表面粗糙度要求、孔徑尺寸公差要求都要相對高一些,粗糙度值取0.2,公差等級取七級。腔體上部分中間孔與腔體下部分中間孔的形位公差會對送粉器運(yùn)行的平穩(wěn)性、運(yùn)行過程中噪聲的大小產(chǎn)生影響,所以腔體上部分中間孔與腔體下部分中間孔的形位公差的公差等級取七級。材料選擇與腔壁、腔蓋相同的材料QT400-15。

3.5 料筒的設(shè)計

料筒位于進(jìn)料口的正上方。加料時將筒蓋擰開,加完料再將筒蓋擰上。料筒底座與筒底之間設(shè)置可視窗口,可隨時觀察進(jìn)料口上部的情況。兩個料筒中有一個需要安裝攪拌系統(tǒng),料筒上方的內(nèi)部結(jié)構(gòu)有階梯存在,且可視筒壁上 部尺寸較大,為了便于加工,降低成本,將可視筒壁上方分成四個零件:筒蓋、筒肩、筒壁、筒底。料筒的整體結(jié)構(gòu)如圖19所示。

圖19 料筒

料筒底座與腔蓋之間的聯(lián)接采用螺栓聯(lián)接,使用三個六角頭螺栓將料筒底座固定在腔蓋上,根據(jù)GB/T 5783—2016六角頭螺栓-全螺紋,選擇代號為選擇螺栓代號為 GB/T M5×12的螺栓。在安裝過程中,需注意料筒底座上管接頭的位置,避免與出料口上的管接頭發(fā)生干涉。氣管與料筒底座的連接部分設(shè)置一個直角終端管接頭,管接頭選擇QJCR系列的直角終端管接頭,型號為QJCR-2J4-Z3。料筒底座的結(jié)構(gòu)如圖20所示。

圖20 料筒底座

為觀察進(jìn)料口上部落料情況,避免架橋現(xiàn)象,在料筒底座與筒底間設(shè)置可視筒壁,材料使用聚碳酸酯。料筒內(nèi)有氣體存在,為保證一定氣壓,可視筒壁與料筒底座、筒底之間有密封要求?？梢曂脖跒樗芰?比較薄,料筒底座、筒底為金屬,可視筒壁與料筒底座、筒底之間無相對位移,為靜密封,因此采用膠密封?？梢曂脖谏喜坑兄亓肯鄬^大的筒底、筒壁、筒肩、筒蓋等零件的存在,其重量僅靠聚碳酸酯做成的可視筒壁是難以支撐的,因此,在料筒底座與筒底之間設(shè)置四個支撐零件雙頭螺柱,螺紋旋向相反,螺紋外徑為4 mm,螺柱總長60 mm。這四個雙頭螺柱即起支撐作用,也起定位作用。

筒底的材料選擇ZG270-500。與其下方可視筒壁接觸部分采用膠密封,與其上方筒壁接觸部分采用O形圈密封。

筒壁結(jié)構(gòu)簡單,形狀為圓筒形,外徑180 mm,內(nèi)徑160 mm,高245 mm。材料選擇ZG270-500。使用2×4個雙頭螺柱將筒底、筒壁、筒肩固定。根據(jù)GB/T 901—1988等長雙頭螺柱B級,選擇螺紋規(guī)格GB901M4×240螺紋旋向相反的螺柱,如圖21所示。

圖21 筒壁

筒肩與筒蓋、筒肩與筒壁接觸部分設(shè)有密封圈,根據(jù)GB/T 3452.1—2005,選擇代號為84×2.25-G-S-GB/T 342.1—2005密封圈,放置密封圈的凹槽均開在筒肩上。筒肩與氣管之間連接設(shè)置一個管接頭,管接頭選擇為QJCR-2J1-Z3。筒肩的結(jié)構(gòu)尺寸如圖22所示。

圖22 筒肩

3.6 料筒的設(shè)計

要想實(shí)現(xiàn)輸送較細(xì)粉末過程均勻、穩(wěn)定、連續(xù),就得防止粉末在料筒中積聚現(xiàn)象的產(chǎn)生。因此設(shè)計一個攪拌架將粉末打散,設(shè)計一個擋料錐防止料筒中的粉末直接堆積在料筒底部。攪拌系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖23所示。

圖23 攪拌系統(tǒng)

支承架設(shè)計成類三角形,安放在筒肩內(nèi)部預(yù)留的階梯上。中心開孔,以支承攪拌桿,材料選擇08F。攪拌桿旋轉(zhuǎn)過程中攪拌桿頸部圓形部分下表面與支撐架上表面會發(fā)生摩擦,支承架要進(jìn)行正火、空冷處理已達(dá)到使用要求。支承架的結(jié)構(gòu)尺寸如圖24所示。

圖24 支承架

擋料錐可防止料筒中的粉末直接堆積在料筒底部,減輕攪拌架工作難度。擋料錐設(shè)計成錐形,錐部開螺紋孔,擰在攪拌桿外側(cè)擋料錐固定筒上。底部邊緣開一個小口,剛好卡在料筒內(nèi)固定在料筒底座上的支撐桿上。料錐固定筒的設(shè)置可以使攪拌桿轉(zhuǎn)動時擋料錐保持靜止?fàn)顟B(tài),支撐桿的設(shè)置可以使擋料錐與攪拌架在豎直方向上保持一定的距離,防止攪拌架轉(zhuǎn)動時與靜止的擋料錐發(fā)生干涉。擋料錐、料錐固定筒的材料選擇304號不銹鋼,支撐桿的材料選擇Q235。

軸承類型選擇深溝球軸承,軸承的大小主要根據(jù)傳動軸的尺寸而定。根據(jù)GB/T 276—2013 深溝球軸承6000型00系列,選擇代號為16001的軸承。

電機(jī)工作時電機(jī)運(yùn)行應(yīng)盡量平穩(wěn),噪聲小,且輸出轉(zhuǎn)矩不大,可選擇使用與傳動系統(tǒng)同一型號的步進(jìn)電機(jī)。電機(jī)輸出軸選擇直徑為12 mm的軸徑。

3.7 腔體支承板的設(shè)計

腔體支承板起定位、支承作用。腔體置于支承板以上,聯(lián)軸器、軸承、電機(jī)置于、電路置于支承板以下的箱體中。支承板的兩個角上各有一個螺紋孔,一個螺紋孔設(shè)置兩個管接頭,支承板上方安裝三通非中間終端管接頭,支承板下方安裝直通終端管接頭,結(jié)構(gòu)尺寸如圖25所示。

圖25 腔體支承板

基于本工作的結(jié)構(gòu)設(shè)計研究,生產(chǎn)了激光熔覆雙筒轉(zhuǎn)盤式送粉器樣機(jī)。該樣機(jī)采用載氣式送粉,粉筒容量可達(dá)6 L,轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速可調(diào)范圍為0～12.5 r/min,粉末輸送量范圍為0.4～300 g/min,輸入氣壓為0.2～0.5 MPa,送粉誤差為±(1%～3%)。采用該樣機(jī)進(jìn)行激光熔覆實(shí)驗(yàn),成形質(zhì)量良好,可實(shí)現(xiàn)多層多道成形,樣機(jī)及激光熔覆樣件如圖26所示。此外,雙筒結(jié)構(gòu)的送粉器可以進(jìn)行兩個粉筒運(yùn)載不同粉體同時送粉的熔覆實(shí)驗(yàn),可拓展激光熔覆的用途。

圖26 激光熔覆雙筒送粉器樣機(jī)及熔覆樣件

4 結(jié)論

基于機(jī)械力學(xué)原理和氣體動力學(xué)原理,設(shè)計了一款轉(zhuǎn)盤式雙料筒激光熔覆送粉器的結(jié)構(gòu)。該送粉器設(shè)計主要分為氣路設(shè)計和機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計兩部分。其中,氣路設(shè)計是送粉裝置中氣體輸送管道大小的確定和管道位置安排,機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計是零部件的設(shè)計,主要包括轉(zhuǎn)盤、料筒、進(jìn)出料口、進(jìn)氣口、腔體、傳動系統(tǒng)、攪拌系統(tǒng)八大部分。相比于傳統(tǒng)激光熔覆送粉器,該送粉器結(jié)構(gòu)簡單、不易堵塞且送粉率均勻穩(wěn)定,雙料筒結(jié)構(gòu)不僅可提升送粉效率,還能拓展激光熔覆技術(shù)的成形用途。此次,該送粉器在輸送普通粒徑粉末的同時也可輸送粒度較小粉末原料。