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        壓印式涂層制備裝置的設(shè)計(jì)及其有限元分析

        2023-06-08 05:14:34鄭煌華沈佳怡龔志強(qiáng)林曉輝
        機(jī)電信息 2023年11期
        關(guān)鍵詞:模態(tài)分析有限元分析涂層

        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,該裝置是對碳化鎢粉末進(jìn)行攪拌后通過蠕動泵進(jìn)行輸送,精確控制涂料輸出量。同時,對裝置的主要部件進(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:TH136? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A? 文章編號: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)對輕量化的要求越來越高,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”是相對的,需要將涂層顆粒預(yù)熱,這些都會對基體產(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,不會像熱、冷涂層的制備方式那樣產(chǎn)生熱影響。本文還對該裝置進(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部分,一個是錘擊部分,另一個是攪拌送料部分。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)蠕動泵輸送到出料罐里面,由音圈電機(jī)[2]帶動錘擊頭進(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)儲料-攪拌模塊設(shè)計(jì):將儲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粒混合物送入儲料罐,而在工作一段時間后,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,所以下方的型面會受到一個120 N的音圈電機(jī)的錘擊力。對出料罐進(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受到一個120 N的音圈電機(jī)的錘擊力。對主要受力整體進(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。該裝置的最大振動源來自音圈電機(jī)的往復(fù)運(yùn)動,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)動機(jī)械錘擊平整加工[J].表面技術(shù),2020,49(3):334-339.

        [2] 潘新遠(yuǎn),常以濤,張長勝,等.音圈電機(jī)設(shè)計(jì)優(yōu)化與分析[J].化工自動化及儀表,2020,47(6):512-517.

        [3] 鄧星鐘.機(jī)電傳動控制[M].武漢:華中科技大學(xué)出版社,2001.

        [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技術(shù)。

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