精密熱噴涂送粉器的設(shè)計(jì)與功能實(shí)現(xiàn)

郭崗崗，何富君，解 芳，翟長生

(1.東北石油大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163318) (2.南陽理工學(xué)院智能制造學(xué)院，河南 南陽 473004) (3.河南漢工機(jī)械再制造技術(shù)有限公司，河南 南陽 473131)

所謂熱噴涂技術(shù)，就是利用熱源將噴涂材料加熱到液態(tài)或半液化狀態(tài)，并將其熔融物經(jīng)過霧化后以較高的速度噴射到預(yù)先處理好的金屬基體表面，從而形成具有一定結(jié)合強(qiáng)度的涂層技術(shù)[1-2]。其中送粉器是熱噴涂系統(tǒng)的核心裝置，其主要功能是按工藝要求定量地向噴涂槍輸送粉末材料，送粉過程的精密性、連續(xù)性直接影響到噴涂過程的均勻性、穩(wěn)定性，乃至噴涂層的質(zhì)量。由于待噴涂的粉末材料不同，因此對應(yīng)的熱噴涂工藝方法也不盡相同。筆者通過對熱噴涂送粉器進(jìn)行大量的研究，提出螺桿式和沸騰床式復(fù)合型精密熱噴涂送粉器，它將兩種類型送粉器的優(yōu)點(diǎn)充分發(fā)揮出來，工作時(shí)通過螺桿控制出粉量，然后再由沸騰床式送粉器送粉[3-5]，能夠輸送各種類型的粉末。

1 精密熱噴涂送粉器的設(shè)計(jì)

該精密送粉器是基于主動輸粉和壓差設(shè)計(jì)的新型螺桿式送粉器，其中螺桿主動送粉是達(dá)到送粉要求的核心。這個設(shè)計(jì)主要涉及到兩個方面的理念基礎(chǔ)：一是螺旋輸送機(jī)理，二是氣固兩相流理論，基于此實(shí)現(xiàn)連續(xù)、穩(wěn)定的精密送粉。

1.1 送粉螺桿的設(shè)計(jì)及關(guān)鍵參數(shù)計(jì)算

螺桿是精密送粉器的核心部件，是實(shí)現(xiàn)精密送粉的關(guān)鍵。在對常用的梯形螺紋、矩形螺紋和鋸齒形螺紋分析比較后，確定本文設(shè)計(jì)的螺桿選用單頭鋸齒形螺紋結(jié)構(gòu)，其截面為不等腰三角形。如圖1所示，一側(cè)牙形斜角為6°，另一側(cè)牙形斜角為40°，工作時(shí)電機(jī)將扭矩傳遞給螺桿，產(chǎn)生徑向力和軸向力，軸向力將對粉末產(chǎn)生推力，從而將粉末輸送出去[6]，能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)、穩(wěn)定送粉。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2、圖3所示，電機(jī)通過與螺桿前端連接，在將動力傳動給送粉螺桿的同時(shí)，還能實(shí)現(xiàn)送粉螺桿的軸向定位，防止送粉螺桿軸向竄動。送粉螺桿兩端使用O型密封圈防止粉末外漏。

圖1 鋸齒形螺紋示意圖

圖2 送粉螺桿及其附屬配件示意圖

圖3 送粉螺桿三維圖

精密送粉器的關(guān)鍵參數(shù)是達(dá)成量化、精密、連續(xù)送粉的基礎(chǔ)，其中對送粉螺桿的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行估算和優(yōu)化尤其重要。本文依據(jù)單位時(shí)間內(nèi)的最大輸送量、螺桿最大轉(zhuǎn)速、螺桿外徑、螺距、螺桿軸徑等主要參數(shù)，確定送粉螺桿的關(guān)鍵參數(shù)。

輸送量的計(jì)算公式為：

(1)

式中：Q為輸送量，g/min；ρ為粉末的單位容積質(zhì)量，g/cm3；φ為填充系數(shù)，取0.5；D為螺桿外徑，cm；S為螺矩，cm；n為螺桿轉(zhuǎn)速，r/min。

由式(1)可知，輸送量Q與螺桿外徑D、螺距S、螺桿轉(zhuǎn)速n以及填充系數(shù)φ有關(guān)，當(dāng)輸送量Q確定后，通過分別調(diào)整幾個參數(shù)就能滿足對Q的要求。

螺桿最大轉(zhuǎn)速的計(jì)算公式為：

(2)

式中：nmax為螺桿最大轉(zhuǎn)速，r/min；g為重力加速度，m/s2。

當(dāng)螺桿軸轉(zhuǎn)速增大時(shí)，輸送量也會增加，但是當(dāng)螺桿軸的轉(zhuǎn)速達(dá)到一定值后，粉末會被拋起并隨螺桿軸一起做周向旋轉(zhuǎn)，沿螺桿軸向的輸送位移減小，故螺桿的轉(zhuǎn)速應(yīng)該被限制在一定范圍內(nèi)。

聯(lián)合式(1)、式(2)可得最大輸送量Qmax：

(3)

代入數(shù)據(jù)，求得螺桿的關(guān)鍵參數(shù)，見表1。

表1 送粉螺桿的關(guān)鍵參數(shù)計(jì)算值單位：mm

1.2 壓差氣路的設(shè)計(jì)

為進(jìn)一步提高送粉速的穩(wěn)定性和連續(xù)性，實(shí)現(xiàn)精密送粉，本文采用了壓差氣路設(shè)計(jì)。具體方案是：送粉氣體進(jìn)入精密送粉器后分為兩路，一路進(jìn)入送粉筒，另一路通往送粉螺桿前端的氣孔，進(jìn)入送粉螺桿(其氣體壓力小于進(jìn)入送粉筒的氣體壓力)，如圖4所示。這樣的壓差設(shè)計(jì)能確保送粉筒內(nèi)的粉末穩(wěn)定地輸入螺桿，并在螺桿前端氣體的共同作用下，與螺桿主動送粉相結(jié)合，確保送粉的連續(xù)性和一致性，實(shí)現(xiàn)精密送粉功能。

圖4 壓差設(shè)計(jì)原理圖

1.3 送粉器的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及總成設(shè)計(jì)

送粉器的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)精密送粉的基礎(chǔ)。送粉器主要由送粉桶和送粉座構(gòu)成。送粉桶是承載粉末的裝置，主要由上蓋、連接蓋、桶體三部分構(gòu)成。上蓋設(shè)置載氣孔，使送粉氣能夠進(jìn)入送粉桶，在桶內(nèi)形成主動壓力；桶底部設(shè)計(jì)為錐體形狀，用于緩沖粉末對螺桿造成的壓力；粉末在重力和壓力的雙重作用下被壓入送粉螺桿裝置，確保實(shí)現(xiàn)精密送粉，其結(jié)構(gòu)和三維圖如圖5、圖6所示。送粉座是送粉器承載主體，上連接送粉桶，內(nèi)部承載送粉螺桿，也是載氣通入和氣粉混合物進(jìn)入送粉軟管的過渡機(jī)構(gòu)，其三維結(jié)構(gòu)如圖7所示。本文對送粉桶、送粉座及其他附屬結(jié)構(gòu)進(jìn)行選型和設(shè)計(jì)，完成了整個裝配圖的總成設(shè)計(jì)，爆炸圖、三維裝配圖分別如圖8(a)、圖8(b)所示。

圖5 送粉桶結(jié)構(gòu)圖

圖6 送粉桶三維圖

圖7 送粉座三維圖

精密送粉器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)精密送粉的基礎(chǔ)，通過整個裝配圖的總成設(shè)計(jì)、加工并進(jìn)行實(shí)際連接就可以得到實(shí)際系統(tǒng)[7]。該送粉器通過可編程邏輯控制器(PLC)控制送粉氣(氮?dú)?，將粉末精確地送入噴涂槍，從而完成噴涂工作。在線復(fù)合噴涂系統(tǒng)如圖9所示。

圖8 精密熱噴涂送粉器的三維總成圖

圖9 在線智能涂層預(yù)制備系統(tǒng)框圖及實(shí)際設(shè)備及聯(lián)接

2 送粉器性能的試驗(yàn)分析

2.1 送粉器精度的測試結(jié)果及分析

送粉器的送粉均勻性是影響在線智能復(fù)合涂層預(yù)制備的重要因素，而送粉精度是衡量送粉器能否滿足均勻穩(wěn)定送粉的一個重要指標(biāo)，現(xiàn)就送粉器的送粉精度進(jìn)行測試，觀察其送粉的一致性和穩(wěn)定性[6]。實(shí)驗(yàn)材料選用Ni60粉末，粒度分布為15～45 μm，松裝比為1 g/cm3，流動性為1 s/50 g。

在實(shí)驗(yàn)前，將粉末置于烘箱中，120 ℃烘干1 h，保證粉末處于干燥狀態(tài)，然后將粉末裝入送粉桶中[6]。

實(shí)驗(yàn)：取烘干好的1 kg粉末裝入粉筒中，送粉氣壓力為0.45 MPa，螺桿轉(zhuǎn)速通過控制精密送粉器的電壓來實(shí)現(xiàn)，設(shè)置控制電壓為12 V，測量次數(shù)為5次，測得單位時(shí)間的送粉量見表2。

表2 送粉精度測試數(shù)據(jù)

由表2可知，不同參數(shù)下測得的送粉精度均在2%以下，達(dá)到了規(guī)定的精度要求，可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、連續(xù)送粉的功能。

2.2 不同因素對送粉速率的影響

取烘干好的1 kg粉末裝入粉筒中，送粉氣壓力為0.45 MPa，送粉氣流量為7.5 L/min，測量次數(shù)為5次，測得不同轉(zhuǎn)速時(shí)(不同的電機(jī)電壓)單位時(shí)間的送粉量如圖10(a)所示。另外，在精密送粉器的電機(jī)電壓為12 V(反映的是螺桿轉(zhuǎn)速)、其他條件不變的情況下，測試了不同送粉氣流量的送粉速率，如圖10(b)所示。

在其他條件相同的情況下，不同的電壓(螺桿轉(zhuǎn)速)會使送粉量產(chǎn)生變化，電壓(轉(zhuǎn)速)越高，則送粉量越大，送粉速率與轉(zhuǎn)速之間具有近似線性關(guān)系，這與理論計(jì)算的結(jié)果相吻合。送粉氣流量的變化，會使送粉速率有所變動，但變動幅度較小，與送氣流量相比，螺桿轉(zhuǎn)速的影響會更大。由此可見，在螺桿結(jié)構(gòu)一定的情況下，螺桿轉(zhuǎn)速對送粉量起著決定性的作用。

2.3 涂層制備及微觀組織特性分析

實(shí)驗(yàn)以45鋼作為基體，選用Ni60粉末作為噴涂材料，粉末的主要化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))見表3。

表3 Ni60粉末的化學(xué)成分

基體為30 mm×20 mm×10 mm的45鋼板。噴涂工藝過程如下：基體表面除油、除銹、粗糙化，使其表面粗糙度Ra達(dá)到3.2～12.5 μm，噴砂完畢后進(jìn)行智能復(fù)合噴涂層的制備。噴涂層的厚度為0.5 mm，噴涂工藝參數(shù)見表4。

表4 在線智能復(fù)合噴涂工藝參數(shù)

圖10 不同因素對送粉速率的影響

待涂層金相試樣鑲嵌后，通過不同粒度的砂紙，由粗至細(xì)，將試樣磨平后，使用金剛石拋光膏拋光涂層試樣，然后通過LEXT OLS4100奧林巴斯激光共聚焦顯微鏡和蔡司Zeiss EVO HD 15 (SEM/EDS)掃描電鏡觀察、分析噴涂層的表面和斷面形貌、組織結(jié)構(gòu)。

圖11所示為Ni60噴涂層的斷面形貌。由圖可見：該噴涂層細(xì)膩，界面結(jié)合良好，僅存在少數(shù)微小的孔洞及氧化夾雜。

圖11 Ni60噴涂層斷面形貌

2.4 孔隙缺陷率測試分析

本文采用OLYCIA金相分析軟件進(jìn)行孔隙缺陷率測試。其基本原理：通過閾值分割操作，將拍攝到的金相圖片進(jìn)行二值化處理，從圖像中自動提取孔洞相，在必要的情況下進(jìn)行人工修改，然后系統(tǒng)根據(jù)選中的孔洞總面積除以被測金相圖像總面積即得到孔隙缺陷率。

根據(jù)公式(1)可以得出平均孔隙缺陷率η：

η=Sb/Se×100%

(1)

式中：Sb為涂層橫截面孔隙缺陷面積之和；Se為涂層橫截面面積。

為了確保數(shù)據(jù)的客觀性和可靠性，每種試樣取5個涂層視場進(jìn)行測試。Ni60涂層的孔隙缺陷率見表5，結(jié)果表明，Ni60噴涂層的孔隙率平均值為1.64%。

表5 Ni60噴涂層的孔缺陷率 %

3 結(jié)束語

本文將螺桿送粉原理與氣固兩相流理論相結(jié)合，通過主動送粉結(jié)構(gòu)與壓差結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，依據(jù)送粉器擬實(shí)現(xiàn)的基本功能，將精密送粉器與在線智能復(fù)合噴涂配套系統(tǒng)聯(lián)接，對精密送粉器的精度、各影響因素進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果表明，其送粉精度小于2%，送粉效率可調(diào)范圍寬，證明該精密送粉器參數(shù)達(dá)到了規(guī)定的技術(shù)指標(biāo)，滿足了在線智能復(fù)合噴涂對精密送粉器的功能要求。