壓印式涂層制備裝置的設(shè)計(jì)及其有限元分析

鄭煌華 沈佳怡 龔志強(qiáng) 林曉輝

摘要：制備耐磨涂層是提高輕量化合金耐磨性的有效方法，是輕量化合金表面改性的重要途徑。相對(duì)于熱涂層的制備方式，機(jī)械錘擊方法制備的涂層具有更多的優(yōu)點(diǎn)。鑒于此，設(shè)計(jì)了一種機(jī)械壓印式涂層制備裝置，該裝置是對(duì)碳化鎢粉末進(jìn)行攪拌后通過蠕動(dòng)泵進(jìn)行輸送，精確控制涂料輸出量。同時(shí)，對(duì)裝置的主要部件進(jìn)行有限元靜力學(xué)分析以及模態(tài)分析驗(yàn)證其可行性。

關(guān)鍵詞：涂層；機(jī)械錘擊；有限元分析；模態(tài)分析

中圖分類號(hào)：TH136? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? 文章編號(hào)：1671-0797（2023）11-0039-03

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.11.010

基金項(xiàng)目：福建省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（2021J011200）

0? ? 引言

隨著制造業(yè)對(duì)輕量化的要求越來(lái)越高，具有優(yōu)良機(jī)械力學(xué)性能的輕量化合金，例如超硬質(zhì)鋁合金、鎂合金、鈦合金等，目前已廣泛應(yīng)用于汽車、船舶、航空及航天等領(lǐng)域。但這些材料普遍表面性能差，尤其是耐磨損性能和耐腐蝕性能差，且熔點(diǎn)低，不耐高溫，抗氧化效果差。本文主要關(guān)注如何提高輕量化合金的耐磨性，制備耐磨涂層是提高耐磨性的有效方法。目前常見涂層制備方法有很多，大致可分類為熱涂層和冷涂層。一方面，熱涂層是在高溫下制備，而冷涂層的“冷”是相對(duì)的，需要將涂層顆粒預(yù)熱，這些都會(huì)對(duì)基體產(chǎn)生熱影響。另一方面，碳化鎢（WC）作為超耐磨材料，是公認(rèn)的耐磨損理想涂層材料，然而硬質(zhì)相WC在高溫下易脫碳分解，從而降低涂層的耐磨性。因此，熱、冷涂層制備方式對(duì)于這類輕量化合金并不是最好的選擇。

為解決以往熱、冷涂層存在的問題，加上當(dāng)今的涂層制備裝置有許多制備方式對(duì)環(huán)境都有污染，本文設(shè)計(jì)了一種機(jī)械壓印式涂層制備裝置。該裝置相對(duì)于以往的涂層制備方式有更多的優(yōu)點(diǎn)，利用機(jī)械錘擊[1]技術(shù)制備涂層，不會(huì)像熱、冷涂層的制備方式那樣產(chǎn)生熱影響。本文還對(duì)該裝置進(jìn)行了有限元靜力學(xué)分析和模態(tài)分析，以驗(yàn)證其可行性。

1? ? 裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1? ? 裝置的主體介紹

如圖1所示，本裝置主要分為兩個(gè)部分，一個(gè)是錘擊部分，另一個(gè)是攪拌送料部分。裝置整體固定于機(jī)械臂上，碳化鎢粉末通過圖1右邊的攪拌送料機(jī)構(gòu)攪拌混勻后經(jīng)蠕動(dòng)泵輸送到出料罐里面，由音圈電機(jī)[2]帶動(dòng)錘擊頭進(jìn)行機(jī)械錘擊，將碳化鎢顆粒錘擊到被加工材料的表面，從而達(dá)到制備耐磨涂層的目的。該裝置除錘擊頭的材料為Q235外，其余均采用鋁合金6061。

1.2? ? 各模塊設(shè)計(jì)

（1）出料錘擊模塊設(shè)計(jì)：將錘擊頭與T字型連接板進(jìn)行螺紋連接，并利用軸肩來(lái)定位，出料罐蓋板與出料罐連接固定，中間用密封圈進(jìn)行密封。碳化鎢混合物進(jìn)入到出料錘擊模塊中的出料罐后可以邊出料邊錘擊，有利于提高加工效率，節(jié)省材料。

（2）儲(chǔ)料-攪拌模塊設(shè)計(jì)：將儲(chǔ)料罐與底部的寶塔格林接頭進(jìn)行螺紋連接，上方是攪拌電機(jī)、L型連接板、儲(chǔ)料罐三者相連接，攪拌電機(jī)通過聯(lián)軸器與攪拌桿連接進(jìn)行攪拌作用，最后寶塔格林接頭與蠕動(dòng)泵通過膠管連接進(jìn)行送料。

1.3? ? 攪拌電機(jī)的選擇與控制

本裝置需要將碳化鎢顆?；旌衔锼腿雰?chǔ)料罐，而在工作一段時(shí)間后，碳化鎢顆粒混合物可能由于重力作用和密度不同而分層，將會(huì)導(dǎo)致出料不連貫，使錘擊效果變差，為此需采用攪拌機(jī)構(gòu)將混合物攪拌均勻。在此設(shè)計(jì)中選用步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行攪拌，并配合PLC使用，可根據(jù)需要使用PLC控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速大小、攪拌時(shí)間等[3]。圖2為本裝置的PLC控制程序。

2? ? 靜力學(xué)分析

2.1? ? 錘擊頭靜力學(xué)分析

錘擊頭是一個(gè)固定的零件，固定于T字型連接板上，所以它的固定面是與T字型連接板螺紋連接面及相接觸的平面，它的受力面為最下方與加工材料和出料罐相接觸的表面。錘擊頭傳遞音圈電機(jī)的力為120 N，其有限元靜力學(xué)分析結(jié)果如圖3所示。

Q235的屈服強(qiáng)度[4]為234.4 MPa，由圖3應(yīng)力分析所受到的最大應(yīng)力可知，錘擊頭所受到的最大應(yīng)力為0.396 2 MPa，所以結(jié)果符合設(shè)計(jì)需求。

2.2? ? 出料罐有限元分析

出料罐是一個(gè)固定的零件，是將其通過孔連接固定在中間連接板上，所以它的固定面是上方的連接孔。由于錘擊頭是從中間伸入并錘擊，所以下方的型面會(huì)受到一個(gè)120 N的音圈電機(jī)的錘擊力。對(duì)出料罐進(jìn)行有限元分析，結(jié)果如圖4所示。

6061鋁合金的屈服強(qiáng)度[4]為55.15 MPa，由圖4應(yīng)力分析所受到的最大應(yīng)力可知，出料罐所受到的最大應(yīng)力為7.571 MPa，所以結(jié)果符合設(shè)計(jì)需求。

2.3? ? 中間連接板有限元分析

中間連接板是一個(gè)固定的連接件，是通過兩邊及其后方的孔連接固定在裝置上面，所以它的固定面就是其連接的孔。它的下方與出料罐通過孔連接，故其受到下方傳遞的力為120 N。對(duì)中間連接板進(jìn)行有限元分析，結(jié)果如圖5所示。

6061鋁合金的屈服強(qiáng)度為55.15 MPa，由圖5應(yīng)力分析所受到的最大應(yīng)力可知，中間連接板所受到的最大應(yīng)力為7.396 MPa，所以結(jié)果符合設(shè)計(jì)需求。

2.4? ? 音圈電機(jī)連接板有限元分析

音圈電機(jī)連接件是一個(gè)固定的連接件，是固定在機(jī)械臂的下方，所以它的固定面是與機(jī)械臂連接的螺紋連接部分。其下方的其他零件是連接在其連接孔的下方，下方的螺栓孔受到其他部件的拉力約為10 kg。對(duì)音圈電機(jī)進(jìn)行有限元分析，結(jié)果如圖6所示。

6061鋁合金的屈服強(qiáng)度為55.15 MPa，由圖6應(yīng)力分析的所受到的最大應(yīng)力可知，音圈電機(jī)連接件所受到的最大應(yīng)力為0.638 2 MPa，所以結(jié)果符合設(shè)計(jì)需求。

2.5? ? 主要受力整體的有限元分析

該裝置整體是被固定在機(jī)械臂上，所以它的固定面為上方的連接孔。由于錘擊頭是從出料錘擊模塊的中間伸入并錘擊，所以出料錘擊模塊下方的型面會(huì)受到一個(gè)120 N的音圈電機(jī)的錘擊力。對(duì)主要受力整體進(jìn)行有限元分析，結(jié)果如圖7所示。

6061鋁合金的屈服強(qiáng)度為55.15 MPa，由圖7應(yīng)力分析所受到的最大應(yīng)力可知，主要受力整體所受到的最大應(yīng)力為3.681 MPa，所以結(jié)果符合設(shè)計(jì)需求。

3? ? 模態(tài)分析

對(duì)該裝置的基本部件進(jìn)行有限元模態(tài)分析，結(jié)果如圖8所示。該裝置的最大振動(dòng)源來(lái)自音圈電機(jī)的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，該音圈電機(jī)一般工作頻率范圍在25～50 Hz。因此，音圈電機(jī)的振動(dòng)頻率不在模態(tài)分析的頻率范圍內(nèi)，系統(tǒng)較為穩(wěn)定。

4? ? 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種機(jī)械壓印式涂層制備裝置，并對(duì)其進(jìn)行了有限元靜力學(xué)分析和模態(tài)分析，可得到以下結(jié)論：

（1）對(duì)該裝置的主要受力零件以及主要受力整體進(jìn)行了有限元靜力學(xué)分析，靜力學(xué)分析結(jié)果符合設(shè)計(jì)需求。

（2）對(duì)該裝置的主要整體進(jìn)行了模態(tài)分析，模態(tài)分析結(jié)果符合設(shè)計(jì)要求。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 林曉輝，楊帆，陳博倫，等.6016鋁合金的電磁驅(qū)動(dòng)機(jī)械錘擊平整加工[J].表面技術(shù)，2020，49（3）：334-339.

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[4] 張鐵軍.機(jī)械工程材料[M].北京：北京大學(xué)出版社，2011.

收稿日期：2023-02-17

作者簡(jiǎn)介：鄭煌華（2001—），男，福建莆田人，研究方向：表面改性、精密拋光技術(shù)。

通信作者：林曉輝（1985—），男，福建漳州人，博士，副教授，研究方向：表面改性、精密磨拋加工及檢測(cè)技術(shù)。