壓印式涂層制備裝置的設計及其有限元分析

鄭煌華 沈佳怡 龔志強 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，機械錘擊方法制備的涂層具有更多的優點。鑒于此，設計了一種機械壓印式涂層制備裝置，該裝置是對碳化鎢粉末進行攪拌后通過蠕動泵進行輸送，精確控制涂料輸出量。同時，對裝置的主要部件進行有限元靜力學分析以及模態分析驗證其可行性。

關鍵詞：涂層；機械錘擊；有限元分析；模態分析

中圖分類號：TH136? 文獻標志碼：A? 文章編號：1671-0797（2023）11-0039-03

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

基金項目：福建省自然科學基金項目（2021J011200）

0? ? 引言

隨著制造業對輕量化的要求越來越高，具有優良機械力學性能的輕量化合金，例如超硬質鋁合金、鎂合金、鈦合金等，目前已廣泛應用于汽車、船舶、航空及航天等領域。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，且熔點低，不耐高溫，抗氧化效果差。本文主要關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，需要將涂層顆粒預熱，這些都會對基體產生熱影響。另一方面，碳化鎢（WC）作為超耐磨材料，是公認的耐磨損理想涂層材料，然而硬質相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，加上當今的涂層制備裝置有許多制備方式對環境都有污染，本文設計了一種機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點，利用機械錘擊[1]技術制備涂層，不會像熱、冷涂層的制備方式那樣產生熱影響。本文還對該裝置進行了有限元靜力學分析和模態分析，以驗證其可行性。

1? ? 裝置的機械結構設計

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。裝置整體固定于機械臂上，碳化鎢粉末通過圖1右邊的攪拌送料機構攪拌混勻后經蠕動泵輸送到出料罐里面，由音圈電機[2]帶動錘擊頭進行機械錘擊，將碳化鎢顆粒錘擊到被加工材料的表面，從而達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? ? 各模塊設計

（1）出料錘擊模塊設計：將錘擊頭與T字型連接板進行螺紋連接，并利用軸肩來定位，出料罐蓋板與出料罐連接固定，中間用密封圈進行密封。碳化鎢混合物進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，節省材料。

（2）儲料-攪拌模塊設計：將儲料罐與底部的寶塔格林接頭進行螺紋連接，上方是攪拌電機、L型連接板、儲料罐三者相連接，攪拌電機通過聯軸器與攪拌桿連接進行攪拌作用，最后寶塔格林接頭與蠕動泵通過膠管連接進行送料。

1.3? ? 攪拌電機的選擇與控制

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，將會導致出料不連貫，使錘擊效果變差，為此需采用攪拌機構將混合物攪拌均勻。在此設計中選用步進電機進行攪拌，并配合PLC使用，可根據需要使用PLC控制步進電機轉速大小、攪拌時間等[3]。圖2為本裝置的PLC控制程序。

2? ? 靜力學分析

2.1? ? 錘擊頭靜力學分析

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的力為120 N，其有限元靜力學分析結果如圖3所示。

Q235的屈服強度[4]為234.4 MPa，由圖3應力分析所受到的最大應力可知，錘擊頭所受到的最大應力為0.396 2 MPa，所以結果符合設計需求。

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的音圈電機的錘擊力。對出料罐進行有限元分析，結果如圖4所示。

6061鋁合金的屈服強度[4]為55.15 MPa，由圖4應力分析所受到的最大應力可知，出料罐所受到的最大應力為7.571 MPa，所以結果符合設計需求。

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。對中間連接板進行有限元分析，結果如圖5所示。

6061鋁合金的屈服強度為55.15 MPa，由圖5應力分析所受到的最大應力可知，中間連接板所受到的最大應力為7.396 MPa，所以結果符合設計需求。

2.4? ? 音圈電機連接板有限元分析

音圈電機連接件是一個固定的連接件，是固定在機械臂的下方，所以它的固定面是與機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。對音圈電機進行有限元分析，結果如圖6所示。

6061鋁合金的屈服強度為55.15 MPa，由圖6應力分析的所受到的最大應力可知，音圈電機連接件所受到的最大應力為0.638 2 MPa，所以結果符合設計需求。

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的音圈電機的錘擊力。對主要受力整體進行有限元分析，結果如圖7所示。

6061鋁合金的屈服強度為55.15 MPa，由圖7應力分析所受到的最大應力可知，主要受力整體所受到的最大應力為3.681 MPa，所以結果符合設計需求。

3? ? 模態分析

對該裝置的基本部件進行有限元模態分析，結果如圖8所示。該裝置的最大振動源來自音圈電機的往復運動，該音圈電機一般工作頻率范圍在25～50 Hz。因此，音圈電機的振動頻率不在模態分析的頻率范圍內，系統較為穩定。

4? ? 結論

本文設計了一種機械壓印式涂層制備裝置，并對其進行了有限元靜力學分析和模態分析，可得到以下結論：

（1）對該裝置的主要受力零件以及主要受力整體進行了有限元靜力學分析，靜力學分析結果符合設計需求。

（2）對該裝置的主要整體進行了模態分析，模態分析結果符合設計要求。

[參考文獻]

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

[2] 潘新遠，常以濤，張長勝，等.音圈電機設計優化與分析[J].化工自動化及儀表，2020，47（6）：512-517.

[3] 鄧星鐘.機電傳動控制[M].武漢：華中科技大學出版社，2001.

[4] 張鐵軍.機械工程材料[M].北京：北京大學出版社，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。

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。