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(yíng) 257091; 2.山東省采油裝備技術(shù)創(chuàng)新中心,東營(yíng) 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(guò)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(shì),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(shí),粉末輸送的均勻性、穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性對(duì)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(huì)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(dòng)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(dòng)力學(xué)和機(jī)械力學(xué)等[9]。

李慧等[10]針對(duì)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(dòng)情況,發(fā)現(xiàn)隨著轉(zhuǎn)速的增加,內(nèi)部氣體流動(dòng)整體增加,對(duì)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(guò)程。顏瑞峰等[11]建立了激光熔覆同軸送粉過(guò)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(huì)影響粉末流的匯聚狀況。郭崗崗等[12]設(shè)計(jì)了一種熱噴涂用螺桿式送粉器,可滿足復(fù)合噴涂工藝對(duì)送粉器的功能要求。通過(guò)大量文獻(xiàn)分析發(fā)現(xiàn),目前針對(duì)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(jì)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(jì)。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(jì)研究具有重要意義。

針對(duì)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(wèn)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(chǎng)所等特點(diǎn),基于轉(zhuǎn)盤式送粉器原理,設(shè)計(jì)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(jì)和機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。氣路設(shè)計(jì)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(jì)是零部件的設(shè)計(jì),主要包括轉(zhuǎn)盤、料筒、進(jìn)出料口、進(jìn)氣口、腔體、傳動(dòng)系統(tǒng)、攪拌系統(tǒng)等。

1 設(shè)計(jì)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(jì)可分為兩部分:一部分是氣路,氣路設(shè)計(jì)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(jì),主要包括轉(zhuǎn)盤、料筒、進(jìn)出料口、進(jìn)氣口、腔體、傳動(dòng)系統(tǒng)、攪拌系統(tǒng)八大部分的設(shè)計(jì)。送粉器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2所示。

圖1 工作流程圖

圖2 送粉器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

2 氣路設(shè)計(jì)

2.1 整體氣路設(shè)計(jì)

氣體從空氣壓縮機(jī)出來(lái)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(gè)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(gè)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?gòu)霓D(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(jì)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(jì)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(guò)大也不能過(guò)小,初次取固氣比λ=10。輸送管徑的計(jì)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(dòng)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(dòng)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(dòng)力黏性系數(shù)μ難以找到一個(gè)確定的數(shù)值代入計(jì)算,所以輸送管徑D的數(shù)值使用經(jīng)驗(yàn)值,取D=4 mm?？倝毫p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(jì)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(zhǎng)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(jì)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(dòng)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(jì)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(duì)與螺旋泵來(lái)說(shuō):C=100,Kq=7;對(duì)于倉(cāng)式泵來(lái)說(shuō):C=200～300,Kq=7。

3 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

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(dòng)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(gè)攪拌裝置。

3.1 轉(zhuǎn)盤的設(shè)計(jì)

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(dòng)軸配合,在傳動(dòng)軸的帶動(dòng)下,將粉末由進(jìn)料口處輸送至出料口處。單位時(shí)間內(nèi)送粉量的計(jì)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(jì)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(gè)內(nèi)六角圓柱頭螺釘將轉(zhuǎn)盤固定在傳動(dòng)軸上,軸向通過(guò)軸肩、軸端擋板對(duì)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(hào)為 GB/T M2×20的內(nèi)六角圓柱頭螺釘。螺釘性能等級(jí)選取8.8級(jí),材料選擇普通含錳量鋼,牌號(hào)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(dòng)平穩(wěn),凹槽大徑、小徑的公差等級(jí)為七級(jí),凹槽同軸度的公差等級(jí)為七級(jí),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(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

根據(jù)送粉器原理,設(shè)計(jì)其傳動(dòng)系統(tǒng),送粉器要求送粉過(guò)程穩(wěn)定性好,所以帶動(dòng)轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)的傳動(dòng)軸工作要平穩(wěn)。傳動(dòng)系統(tǒng)主要由傳動(dòng)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(dòng)系統(tǒng)

送粉器對(duì)傳動(dòng)軸的轉(zhuǎn)速、載荷要求不高,因此傳動(dòng)軸材料選用45號(hào)碳素鋼。根據(jù)傳動(dòng)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(dòng)軸結(jié)構(gòu)形式與尺寸大小,如圖6所示。

圖6 傳動(dòng)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(dòng)軸上各處圓角與倒角尺寸的大小。其中,傳動(dòng)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(dòng)軸受力不大,主要承受比較小的轉(zhuǎn)矩。由圖4可知,危險(xiǎn)部分是軸端螺栓聯(lián)接部分,對(duì)螺栓強(qiáng)度進(jìn)行校核計(jì)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(gè)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€(gè)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(jì)算對(duì)象受壓高度,mm;Fr為螺栓所受橫向力,mm(Fr=Fs)。

經(jīng)計(jì)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?？傻?τ<[τ]、σp<[σp],所以螺栓符合使用要求。

為使轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)更平穩(wěn),需在傳動(dòng)軸上安裝軸承。工作環(huán)境屬于低速、輕載場(chǎng)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(hào)為16008,其基本額定動(dòng)載荷CR=12.6 kN,基本額定靜載荷C0=9.6 kN,脂潤(rùn)滑極限轉(zhuǎn)速10 000 r/min,油潤(rùn)滑極限轉(zhuǎn)速10 000 r/min。

送粉器的傳動(dòng)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(dòng)機(jī)上的軸和傳動(dòng)軸,使兩軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)、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(duì)轉(zhuǎn)矩要求不高,在選擇聯(lián)軸器的型號(hào)時(shí)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(dòng)軸軸向發(fā)生竄動(dòng),受力較小,可選擇普通軸肩擋環(huán)常用的35號(hào)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(lái)確定,如圖8所示。

圖8 軸肩擋環(huán)

使用兩個(gè)螺栓將其進(jìn)行固定在腔體底座上,與傳動(dòng)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(hào)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(dòng)軸之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)是旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),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(gè)四氟套套在傳動(dòng)軸上,起防塵功能,與傳動(dòng)軸之間是過(guò)盈配合,軸向由法蘭和軸肩擋圈固定。鑒于四氟套與傳動(dòng)軸之間是過(guò)盈配合,可能發(fā)生相對(duì)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(wú)特殊力學(xué)性能要求,材料可選擇9Cr18。使用四個(gè)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(hào)為 GB/T M2×20的六角頭螺栓,整個(gè)機(jī)械結(jié)構(gòu)需要8個(gè)這種型號(hào)的螺栓。軸承端蓋與傳動(dòng)軸之間留有間隙,且在軸承端蓋與傳動(dòng)軸之間設(shè)置一個(gè)毛氈圈和脂潤(rùn)滑,防止轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中不必要的噪聲、震動(dòng),減小傳動(dòng)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(dòng)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(gè)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(jì)

進(jìn)料口的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(gè)O形密封圈進(jìn)行密封。根據(jù)GB/T 3452.1—2005,選擇代號(hào)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(guò)進(jìn)料口進(jìn)入粉腔,為保證粉末經(jīng)過(guò)進(jìn)料口直接落入凹槽,防止粉末透過(guò)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(gè)O形密封圈,根據(jù)GB/T3452.1—2005,選擇代號(hào)為17×2.25-G-S-GB/T 342.1—2005的密封圈。

進(jìn)料口只承受帶動(dòng)進(jìn)料口導(dǎo)料板運(yùn)動(dòng)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(jì)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(hào)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(gè)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(hào)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(hào)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(gè)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(hào)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(gè)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(hào)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(gè)管接頭,選擇型號(hào)為QJCR-2J1-Z3。底部凸臺(tái)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(tái)最底面與出料口導(dǎo)料板相接觸,為防止粉末透過(guò)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(hào)為10×2.25-G-S-GB/T 342.1—2005的密封圈。

3.4 整個(gè)腔體的設(shè)計(jì)

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(duì)位置,同時(shí),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(shí)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(gè)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(hào)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(gè)螺釘將其固定在腔蓋上,大一點(diǎn)的塑料使用四個(gè)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(hào)為 GB/T M1.6×6的螺釘?？梢曀芰系牟牧线x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(gè)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(hào)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(guò)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(shí)O形圈不會(huì)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(hào)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(jì)考慮了腔體底部與傳動(dòng)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(duì)高一些,粗糙度值取0.2,公差等級(jí)取七級(jí)。腔體上部分中間孔與腔體下部分中間孔的形位公差會(huì)對(duì)送粉器運(yùn)行的平穩(wěn)性、運(yùn)行過(guò)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(jí)取七級(jí)。材料選擇與腔壁、腔蓋相同的材料QT400-15。

3.5 料筒的設(shè)計(jì)

料筒位于進(jìn)料口的正上方。加料時(shí)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(shí)觀察進(jìn)料口上部的情況。兩個(gè)料筒中有一個(gè)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(gè)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(gè)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(hào)為選擇螺栓代號(hào)為 GB/T M5×12的螺栓。在安裝過(guò)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(gè)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(hào)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(wú)相對(duì)位移,為靜密封,因此采用膠密封?？梢曂脖谏喜坑兄亓肯鄬?duì)較大的筒底、筒壁、筒肩、筒蓋等零件的存在,其重量?jī)H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(gè)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(zhǎng)60 mm。這四個(gè)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(jiǎn)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(gè)雙頭螺柱將筒底、筒壁、筒肩固定。根據(jù)GB/T 901—1988等長(zhǎng)雙頭螺柱B級(jí),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(hào)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(gè)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(jì)

要想實(shí)現(xiàn)輸送較細(xì)粉末過(guò)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(jì)一個(gè)攪拌架將粉末打散,設(shè)計(jì)一個(gè)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(jì)如圖23所示。

圖23 攪拌系統(tǒng)

支承架設(shè)計(jì)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(guò)程中攪拌桿頸部圓形部分下表面與支撐架上表面會(huì)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(jì)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(gè)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(dòng)時(shí)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(dòng)時(shí)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(hào)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(dòng)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(hào)為16001的軸承。

電機(jī)工作時(shí)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(dòng)系統(tǒng)同一型號(hào)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(jì)

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(gè)角上各有一個(gè)螺紋孔,一個(gè)螺紋孔設(shè)置兩個(gè)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(jì)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(gè)粉筒運(yùn)載不同粉體同時(shí)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(dòng)力學(xué)原理,設(shè)計(jì)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(jì)主要分為氣路設(shè)計(jì)和機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)兩部分。其中,氣路設(shè)計(jì)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(jì)是零部件的設(shè)計(jì),主要包括轉(zhuǎn)盤、料筒、進(jìn)出料口、進(jìn)氣口、腔體、傳動(dòng)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(jiǎn)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(shí)也可輸送粒度較小粉末原料。