等離子旋轉(zhuǎn)電極霧化制粉高速旋轉(zhuǎn)驅(qū)動機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與分析*

孫浩智

(鄭州機(jī)械研究所有限公司，河南 鄭州 450052)

0 引 言

增材制造技術(shù)作為一種快速成型技術(shù)，能夠利用材料逐層累積制造所設(shè)計(jì)的三維實(shí)體，已成為當(dāng)前備受關(guān)注的先進(jìn)制造技術(shù)之一。作為增材制造技術(shù)的原材料，高品質(zhì)金屬細(xì)粉在國內(nèi)的需求日益旺盛，但國內(nèi)高品質(zhì)金屬細(xì)粉的生產(chǎn)能力有限，仍需從國外進(jìn)口[1-2]。

等離子旋轉(zhuǎn)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(wèi)星粉率低、雜質(zhì)元素含量低等優(yōu)點(diǎn)，如可以用于航空航天領(lǐng)域的高溫合金粉末、生物醫(yī)學(xué)及航空航天領(lǐng)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(xì)粉的產(chǎn)粉率，需要在設(shè)備能夠承受的極限轉(zhuǎn)速以下盡可能的提升驅(qū)動母材旋轉(zhuǎn)的高速旋轉(zhuǎn)驅(qū)動機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)速，并確保制粉過程能夠安全平穩(wěn)的進(jìn)行[3]。

現(xiàn)有的高速旋轉(zhuǎn)驅(qū)動機(jī)構(gòu)主要為以下幾種：①由電機(jī)直接驅(qū)動，將棒料通過聯(lián)軸器與電機(jī)連接，電機(jī)直接帶動母材圓棒旋轉(zhuǎn)，由等離子槍軸向移動熔化母材[4]；②由輥輪驅(qū)動，采用三個(gè)或者四個(gè)輥輪組，將母材圓棒夾持在輥輪組的幾何中心，通過電機(jī)驅(qū)動水平分布的兩個(gè)輥輪組，并帶動母材旋轉(zhuǎn)，由推料裝置推動母材軸向移動[5]；③由中空電機(jī)驅(qū)動，母材圓棒從中空電機(jī)的心部穿過，通過端部裝卡與電機(jī)轉(zhuǎn)子的內(nèi)壁傳遞扭矩，從而驅(qū)動母材旋轉(zhuǎn)[6]。這三種方法在一定程度上均存在一些缺點(diǎn)：對于電機(jī)直接驅(qū)動，母材遠(yuǎn)離電機(jī)端的撓度較大,旋轉(zhuǎn)過程中隨著轉(zhuǎn)速的提升，母材的振動會越來越劇烈，有可能會導(dǎo)致設(shè)備的損壞，從而在一定程度上制約了轉(zhuǎn)速。對于輥輪驅(qū)動，輥輪組依靠壓力約束母材，但母材高速旋轉(zhuǎn)時(shí)的機(jī)械振動會導(dǎo)致母材與輥輪組的接觸母線瞬間脫開，從而發(fā)生軸向竄動，因此在實(shí)際制粉過程中推料桿是頂住母材的，并且在母材旋轉(zhuǎn)的過程中一直跟母材發(fā)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(jī)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(zhuǎn)速。對于中空電機(jī)驅(qū)動，母材端部裝卡，無法保證整根母材與驅(qū)動旋轉(zhuǎn)中心重合，隨著轉(zhuǎn)速提高，機(jī)械振動明顯增加，因此也在一定程度上制約轉(zhuǎn)速。在制粉時(shí)用以上方式驅(qū)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(fèi)，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(xù)送料機(jī)構(gòu)，能夠在一定程度上減少裝卡對母材造成的浪費(fèi)，并且提高母材和電機(jī)轉(zhuǎn)子的同軸度，降低機(jī)械振動，從而提升母材轉(zhuǎn)速，進(jìn)而提高細(xì)粉的制取比例[7]。同時(shí)對該機(jī)構(gòu)的脹套和錐柄進(jìn)行受力分析和強(qiáng)度分析，驗(yàn)證機(jī)構(gòu)能夠安全平穩(wěn)的運(yùn)行[8]。

1 機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)組成及功能分析

如圖1所示，該機(jī)構(gòu)由電機(jī)定子1、中空的電機(jī)轉(zhuǎn)子2、定位電機(jī)轉(zhuǎn)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(diào)整母材與轉(zhuǎn)子同軸的定位銷6、防止錐柄在旋轉(zhuǎn)過程中脫離的防滑脫組件7、讓電機(jī)定子能夠前進(jìn)或后退的直線導(dǎo)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(xù)送料機(jī)構(gòu)裝配圖1.電機(jī)定子 2.電機(jī)轉(zhuǎn)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(dǎo)軌副 9.金屬棒料

電機(jī)定子通過直線導(dǎo)軌副連接在基座之上，可以沿著導(dǎo)軌副前進(jìn)或后退。電機(jī)轉(zhuǎn)子通過前、后端軸承安裝在電機(jī)定子內(nèi)部，電機(jī)轉(zhuǎn)子加工成中空腔，脹套穿裝在中空轉(zhuǎn)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(nèi)，依靠錐柄插入時(shí)產(chǎn)生的張緊力傳遞扭矩。錐柄的后端與穿裝在中空轉(zhuǎn)子內(nèi)的螺桿通過螺紋連接來防止錐柄在旋轉(zhuǎn)的過程中滑脫，螺桿通過電機(jī)轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子同軸旋轉(zhuǎn)。中空轉(zhuǎn)子的前端設(shè)計(jì)成錐孔，錐孔部分設(shè)計(jì)有使母材產(chǎn)生適宜徑向壓力的開口槽,母材前端穿過通孔進(jìn)入霧化室內(nèi)部，霧化室前端的導(dǎo)向孔內(nèi)安裝有可沿導(dǎo)向孔內(nèi)外移動的等離子槍。

制粉時(shí)，先將脹套穿裝在中空轉(zhuǎn)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(chǎn)生適宜的張緊力與電機(jī)轉(zhuǎn)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(jī)轉(zhuǎn)子適宜的長度；隨后電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，母材跟隨電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到10 000～30 000 r/min的轉(zhuǎn)速時(shí)，電機(jī)定子沿著直線導(dǎo)軌副向前移動，使母材進(jìn)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(zhuǎn)下被甩出，經(jīng)冷卻后成為球形粉末。當(dāng)母材燒蝕掉一定長度時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)子停止轉(zhuǎn)動，電機(jī)定子后退，更換長度更大的螺桿，再度將母材推出電機(jī)轉(zhuǎn)子適宜的長度，并進(jìn)行下一輪制粉，直到完成整根母材的制粉作業(yè)，然后更換新的母材繼續(xù)上述操作，制備金屬粉末。

由于該機(jī)構(gòu)能否正常工作很大程度上取決于脹套和錐柄配合的結(jié)構(gòu)能否正常工作，因此對脹套和錐柄的裝配體進(jìn)行了相應(yīng)的受力分析以及運(yùn)用有限元分析的方法對裝配體的強(qiáng)度進(jìn)行了分析。

2 脹套和錐柄的力學(xué)模型及受力分析

2.1 脹套的結(jié)構(gòu)

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(huán)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(jī)轉(zhuǎn)子緊壓在一起，靠靜摩擦力驅(qū)動旋轉(zhuǎn)。

圖2 圓柱體脹套的結(jié)構(gòu)

2.2 脹套及錐柄的力學(xué)模型

圖3所示為圓柱體脹套和錐柄的力學(xué)模型，圖中F1為脹套的推緊力，F(xiàn)2為錐柄的推緊力，F(xiàn)1和F2共同為脹套和錐柄提供預(yù)緊力，N1為電機(jī)轉(zhuǎn)子與脹套間的正壓力，F(xiàn)f1為電機(jī)轉(zhuǎn)子與脹套間由于正壓力產(chǎn)生的摩擦力，F(xiàn)t1為轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)脹套受到的切向摩擦力，N2為脹套與錐柄間的正壓力，F(xiàn)f2為脹套與錐柄間由于正壓力產(chǎn)生的摩擦力，F(xiàn)t2為轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)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(xué)模型

2.3 脹套及錐柄的受力分析

假設(shè)脹套與轉(zhuǎn)子間的摩擦因數(shù)為μ1，錐柄與脹套間的摩擦因數(shù)為μ2。根據(jù)脹套及錐柄的力學(xué)模型可以得到平衡方程如式(1)：

(1)

實(shí)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(jī)轉(zhuǎn)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(qiáng)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(qiáng)度為970MPa，屈服強(qiáng)度為784MPa；錐柄的材料為40Cr，其抗拉強(qiáng)度為980 MPa，屈服強(qiáng)度為785 MPa。電機(jī)轉(zhuǎn)子與脹套間的摩擦系數(shù)選取為0.14，脹套與錐柄間的摩擦系數(shù)選取為0.15，電機(jī)轉(zhuǎn)子的額定轉(zhuǎn)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(shí)際加工尺寸存在一定的公差。

按照上述脹套和錐柄的參數(shù)運(yùn)用SolidWorks軟件進(jìn)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(yīng)力分析

運(yùn)用SolidWorks的Simulation功能進(jìn)行有限元分析[9-10]。首先將脹套和連結(jié)方式設(shè)置成接合，然后接觸方式設(shè)置為有摩擦并且摩擦系數(shù)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(jìn)行網(wǎng)格劃分，然后運(yùn)行算例，得到裝配體的應(yīng)力和應(yīng)變云圖。

裝配體的應(yīng)力云圖如圖7所示，應(yīng)變云圖如圖8所示。

圖7 脹套和錐柄裝配體的應(yīng)力云圖 圖8 脹套和錐柄裝配體的應(yīng)變云圖

根據(jù)應(yīng)力和應(yīng)變云圖可知，裝配體受到的最大等效應(yīng)力為144 MPa，最大等效應(yīng)變?yōu)?.000 5 mm，并且最大應(yīng)力和應(yīng)變均出現(xiàn)在脹套的開口槽的根部。

由于脹套受到的最大等效應(yīng)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(qiáng)度均滿足制粉需求，機(jī)構(gòu)可以有效地進(jìn)行工作。

4 結(jié) 語

提出一種母材中心連續(xù)送料機(jī)構(gòu)，針對現(xiàn)有的等離子旋轉(zhuǎn)電極霧化制粉高速旋轉(zhuǎn)驅(qū)動機(jī)構(gòu)存在的諸如隨轉(zhuǎn)速的提高振動明顯增加從而制約制粉的工作轉(zhuǎn)速、由于裝卡和結(jié)構(gòu)磨損造成的貴重金屬原材料浪費(fèi)，成本增加等問題，該機(jī)構(gòu)都做了相應(yīng)的優(yōu)化。尤其是通過定位銷調(diào)整母材與電機(jī)轉(zhuǎn)子同軸的結(jié)構(gòu)，如果設(shè)計(jì)相應(yīng)的模具來制備母材棒料，可以極大程度上節(jié)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(chǎn)生的張緊力傳遞扭矩的結(jié)構(gòu)可以消除因防止母材軸向竄動而造成的磨損消耗。制粉時(shí)母材伸出一段長度，由電機(jī)定子在導(dǎo)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?yàn)閺较驔]有足夠的支撐而造成旋轉(zhuǎn)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(jī)跟換推桿的次數(shù)，節(jié)省了制粉的時(shí)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(tài)下，脹套開口槽的根部是出現(xiàn)最大等效應(yīng)力和最大等效應(yīng)變的部位，且最大等效應(yīng)力144 MPa小于脹套材料的屈服極限784 MPa，說明該機(jī)構(gòu)可以有效的進(jìn)行工作。