超硬材料混料裝置的研制及其混料工藝關(guān)鍵技術(shù)分析

張 濤，盧燦華，竇 明，劉俊濤，宋子衡，朱 培

（豫西工業(yè)集團(tuán)中南鉆石有限公司，河南 南陽(yáng) 473264）

大多數(shù)超硬工具都是用超硬材料與結(jié)合劑形成的特殊復(fù)合材料［1］。在超硬材料燒結(jié)體生產(chǎn)過(guò)程中，將制好的超硬材料粉末與結(jié)合劑粉末混合并保持其粒度組成、化學(xué)成分不變是至關(guān)重要的，為此必須具備一種理想的混料裝置和合適的混料工藝［2］。過(guò)去人們通常采用手工瑪瑙研缽進(jìn)行混料，其方法為：將超硬材料粉末置入瑪瑙研缽內(nèi)，用手?jǐn)噭?dòng)瑪瑙棒對(duì)其粉末料進(jìn)行攪拌混合，這種方法的主要缺點(diǎn)有：一是勞動(dòng)強(qiáng)度大，二是混料效果差?；炝腺|(zhì)量得不到保證，制約了超硬材料燒結(jié)體的開(kāi)發(fā)及其產(chǎn)品性能的提高，是生產(chǎn)高品級(jí)超硬材料燒結(jié)體的技術(shù)障礙。近期，中南公司模擬手工瑪瑙研缽混料的實(shí)際操作狀態(tài)，研制出一種超硬材料混料裝置，實(shí)現(xiàn)了超硬材料混料的自動(dòng)化操作。

1 裝置的開(kāi)發(fā)與設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)目的

針對(duì)手工瑪瑙研缽混料存在的不足，通過(guò)模擬手工瑪瑙混料的實(shí)際操作狀態(tài)，設(shè)計(jì)一種自動(dòng)化程度高、混料效果好的超硬材料混料裝置。

1.2 工作原理

根據(jù)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)原理，通過(guò)絲杠在絲母內(nèi)上下的螺旋運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)攪拌頭在研缽內(nèi)腔表面上旋轉(zhuǎn)下降、上升運(yùn)動(dòng)，模擬手工瑪瑙研缽混料的實(shí)際操作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)超硬材料混料的自動(dòng)化操作。

1.3 主要結(jié)構(gòu)

混料裝置主要由攪拌系統(tǒng)、浮動(dòng)機(jī)構(gòu)、振料機(jī)構(gòu)、支筒部件、電控裝置系統(tǒng)及其他輔助部件等組成。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 混料裝置基本結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 The diagram of the mixing device1.底座 2.支筒 3.蓋板 4.研缽 5.研缽內(nèi)腔球面 6.絲母 7.絲杠 8.旋轉(zhuǎn)支板 9.上鉸鏈 10.下鉸鏈 11.攪拌頭12.電機(jī) 13.電機(jī)支板 14.導(dǎo)套 15.防轉(zhuǎn)導(dǎo)桿 16.電磁振動(dòng)器 17.振動(dòng)柱 18.彈性壓板 19.固定套 20.彈簧 21.浮動(dòng)限位釘 22.夾緊螺釘 23.開(kāi)關(guān)支架 24.上行程開(kāi)關(guān) 25.下行程開(kāi)關(guān) 26.感應(yīng)鐵 27.電控裝置

1.4 主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.4.1 攪拌系統(tǒng)

攪拌系統(tǒng)由旋轉(zhuǎn)支板、絲杠、絲母、電機(jī)、電機(jī)支板、導(dǎo)套、防轉(zhuǎn)導(dǎo)桿、上鉸鏈、下鉸鏈、彈性壓板、研缽、攪拌頭以及蓋板等組成。旋轉(zhuǎn)支板安裝在絲杠底端，旋轉(zhuǎn)支板向下固定連接有上鉸鏈，上鉸鏈向下鉸接有下鉸鏈，下鉸鏈通過(guò)浮動(dòng)機(jī)構(gòu)連接攪拌頭；絲杠頂端與電機(jī)相連，電機(jī)的底端與電機(jī)支板連接，電機(jī)支板的一側(cè)連接有導(dǎo)套，導(dǎo)套的通孔內(nèi)滑動(dòng)穿設(shè)有防轉(zhuǎn)導(dǎo)桿，防轉(zhuǎn)導(dǎo)桿的底端固定連接在蓋板頂端；絲桿通過(guò)絲母固定在蓋板上。

其攪拌過(guò)程為：電機(jī)反向轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)攪拌頭沿研缽內(nèi)腔表面旋轉(zhuǎn)向下運(yùn)動(dòng)，當(dāng)?shù)竭_(dá)研缽底部極限位置時(shí)，下行程開(kāi)關(guān)發(fā)出信號(hào)，電機(jī)變?yōu)檎蜣D(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)攪拌頭沿研缽內(nèi)腔表面旋轉(zhuǎn)向上運(yùn)動(dòng)，當(dāng)上升運(yùn)動(dòng)到研缽口部極限位置時(shí)，上行程開(kāi)關(guān)發(fā)出信號(hào)，電機(jī)又變?yōu)榉聪蜣D(zhuǎn)動(dòng)，連續(xù)循環(huán)上述動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)攪拌混料的自動(dòng)化操作。

混料均勻效果主要取決攪拌頭在研缽內(nèi)腔表面上的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡、物料間的相互作用時(shí)間和攪拌頭的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)速度［3－4］。一般在不影響混料效率的前提下，若要獲得理想的混料狀態(tài)或效果，應(yīng)使攪拌頭在研缽內(nèi)腔表面上的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡復(fù)雜，延長(zhǎng)攪拌頭與物料間相互作用的時(shí)間，保持合適的攪拌頭旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)速度。因此攪拌頭和研缽結(jié)構(gòu)形狀及攪拌頭旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)速度的可變化性是混料系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個(gè)關(guān)鍵。

研缽是物料進(jìn)行混料的場(chǎng)所，由于所混合的物料為超硬材料，具有極高的硬度和耐磨性，為了減少物料與研缽和攪拌頭摩擦造成對(duì)物料的污染以及防止研缽與攪拌頭自身的磨損造成對(duì)物料的污染，研缽和攪拌頭選用了硬度高、耐磨性好的硬質(zhì)合金材料制作。根據(jù)攪拌頭在研缽內(nèi)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡的設(shè)計(jì)要求，研缽內(nèi)腔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成碗狀弧面型、攪拌頭外形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成半球型，如圖2所示。

圖2 研缽與攪拌頭示意圖Fig.2 Diagram of the mortar and the mixing head

絲杠帶動(dòng)絲母螺旋上升下降運(yùn)動(dòng)，決定了攪拌頭在研缽內(nèi)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡必定是一條三維空間的曲線，絲杠螺距的大小決定了攪拌頭在研缽內(nèi)腔弧面旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡的疏密程度，一般在不影響混料效率的前提下，絲杠螺距越小，攪拌頭的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡越密集，混料效果也越好。攪拌驅(qū)動(dòng)電機(jī)由變頻器無(wú)級(jí)變速，能根據(jù)不同物料和性能設(shè)計(jì)的混料工藝要求改變其輸出轉(zhuǎn)速，從而實(shí)現(xiàn)攪拌頭轉(zhuǎn)速連續(xù)無(wú)極可調(diào)，滿足不同粒度物料混料的工藝要求。

1.4.2 浮動(dòng)機(jī)構(gòu)

浮動(dòng)機(jī)構(gòu)包括固定套、彈簧以及浮動(dòng)限位釘?shù)?，?dāng)浮動(dòng)限位釘?shù)竭_(dá)浮動(dòng)限位槽的下端時(shí)，攪拌頭沿研缽內(nèi)腔表面旋轉(zhuǎn)向下運(yùn)動(dòng)到研缽底部極限位置，攪拌頭與研缽內(nèi)腔底表面間作用力最小、彈簧壓縮量也最小，這時(shí)攪拌頭在彈力的作用下向研缽內(nèi)腔表面方向伸出量最大；當(dāng)浮動(dòng)限位釘?shù)竭_(dá)浮動(dòng)限位槽的上端時(shí)，攪拌頭沿研缽內(nèi)腔表面旋轉(zhuǎn)上升運(yùn)動(dòng)到研缽口部極限位置，攪拌頭與研缽內(nèi)腔表面間作用阻力最大、彈簧壓縮量也最大，這時(shí)攪拌頭在研缽內(nèi)腔表面作用阻力的作用下向研缽內(nèi)腔表面方向伸出量最小。這種機(jī)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)攪拌頭表面與研缽內(nèi)腔表面的浮動(dòng)接觸，可確保攪拌頭在研缽內(nèi)腔表面旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡的正確性。

1.4.3 振料機(jī)構(gòu)

振料機(jī)構(gòu)由底座、振動(dòng)柱及電磁振動(dòng)器組成。電磁振動(dòng)器設(shè)在底座內(nèi)，通過(guò)電磁振動(dòng)器的振動(dòng)柱撞擊研缽底部，迫使吸附或黏附在研缽內(nèi)腔表面和攪拌頭表面的物料在撞擊力的作用下脫落，達(dá)到振料目的。在混料操作中，對(duì)于不同粒度的物料，可通過(guò)電控裝置設(shè)置不同的振料頻率和時(shí)間。

1.4.4 套筒部件

套筒部件由套筒、夾緊螺釘組成，套筒上端與蓋板固定連接，套筒下端與研缽滑動(dòng)連結(jié)，混料操作時(shí)，將套筒部件連同攪拌系統(tǒng)套裝定位在研缽上，并用夾緊螺釘夾牢，為了便于觀察混料情況，套筒材料可采用高強(qiáng)度透明材料制作。

1.4.5 電控裝置系統(tǒng)

電控裝置系統(tǒng)是對(duì)攪拌系統(tǒng)和振料機(jī)構(gòu)進(jìn)行調(diào)節(jié)、控制的總系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要包括攪拌系統(tǒng)用的變頻器以及其它電器元件，可控制電磁振動(dòng)器頻率的大小、電機(jī)啟動(dòng)停止及正反轉(zhuǎn)，還可以對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行無(wú)級(jí)連續(xù)調(diào)節(jié)控制，使攪拌頭獲得各種不同的轉(zhuǎn)速，最大程度上滿足開(kāi)發(fā)和研制多種不同粒度物料混料的工藝要求。

2 混料工藝的關(guān)鍵技術(shù)分析

超硬材料在混料操作時(shí)必須根據(jù)各種物料不同的粒度特性，適時(shí)調(diào)整混料工藝參數(shù)，獲得最佳的混料效果。

2.1 適宜的混料量

對(duì)于超硬材料進(jìn)行混料時(shí)，選擇適宜的混料量十分重要。混料量太少，物料不能充分與攪拌頭接觸，從而失去了對(duì)物料混合、分散的作用，混料效果差；混料量太多，物料難以充分混合，會(huì)造成物料混合得不均勻。研究表明對(duì)于所設(shè)計(jì)的混料裝置，最適宜的投料量一般為研缽容積的25%～40%。

2.2 適宜的攪拌速度

超硬材料混料時(shí)，攪拌頭的主要作用是混合與分散物料，使其混合均勻。對(duì)于不同粒度的物料，所需的攪拌頭的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)速度也不盡相同。因此合理選擇攪拌頭的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)速度，對(duì)于提高混料均勻性和混料效率有著十分重要的作用，一般混料操作時(shí)，攪拌頭的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)速度太低，混料不能充分混合與分散，混料的均勻效果變差，且效率較低；攪拌頭的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)速度太高，對(duì)物料沖擊較大，易造成物料“飛濺”現(xiàn)象，研究表明對(duì)于所設(shè)計(jì)的混料裝置，攪拌頭的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)速度一般為50～80r／min。

2.3 適宜的振料頻率

在混料操作過(guò)程中，混合物料是由微米級(jí)超硬材料組成的，較細(xì)的物料極易吸附或黏附在研缽內(nèi)腔表面和攪拌頭表面上，若黏附的物料不能及時(shí)參與混合，將導(dǎo)致所混料的均勻效果變差。一般情況下，混合物料粒度越粗，黏附性能越弱，所使用的振料頻率越低；混合物料粒度越細(xì)，黏附性能越強(qiáng)，所使用的振料頻率越高，但過(guò)高振料頻率物料的粒度容易發(fā)生富集或偏析現(xiàn)象，研究表明對(duì)于所設(shè)計(jì)的混料裝置，振料頻率一般為50～100Hz。

2.4 適宜的混料時(shí)間

混料時(shí)間除了決定混料效率，還會(huì)直接影響混料效果的好壞，混料時(shí)間太長(zhǎng)，研缽與攪拌頭自身的磨損造成對(duì)物料的污染也越嚴(yán)重，且混料效率低；混料時(shí)間太短，物料混合不均勻。對(duì)于不同粒度的物料，所需的混料時(shí)間也不盡相同，應(yīng)根據(jù)實(shí)際需要確定合理的混料時(shí)間，物料粒度越細(xì)，混料時(shí)間越長(zhǎng)；物料粒度越粗，混料時(shí)間越短，混料時(shí)間的確定，取決于物料是否混合均勻?；炝蠒r(shí)間的控制可由定時(shí)電控裝置來(lái)完成，經(jīng)試驗(yàn)不同物料混料時(shí)間見(jiàn)表1：

表1 不同物料混料時(shí)間Table 1 The mixing time of different materials

3 結(jié) 論

（1）本混料裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作簡(jiǎn)便，混料的效果好，實(shí)現(xiàn)了超硬材料混料的自動(dòng)化操作。

（2）該裝置能夠根據(jù)不同物料及其性能，實(shí)現(xiàn)變工況多參數(shù)的工藝操作，滿足開(kāi)發(fā)和研制多種不同粒度超硬材料混料的工藝要求。