超硬材料混料装置的研制及其混料工艺关键技术分析

2018-08-17卢灿华刘俊涛宋子衡

超硬材料工程 2018年3期

张涛，卢灿华，窦明，刘俊涛，宋子衡，朱培

（豫西工业集团中南钻石有限公司，河南南阳 473264）

大多数超硬工具都是用超硬材料与结合剂形成的特殊复合材料［1］。在超硬材料烧结体生产过程中，将制好的超硬材料粉末与结合剂粉末混合并保持其粒度组成、化学成分不变是至关重要的，为此必须具备一种理想的混料装置和合适的混料工艺［2］。过去人们通常采用手工玛瑙研钵进行混料，其方法为：将超硬材料粉末置入玛瑙研钵内，用手搅动玛瑙棒对其粉末料进行搅拌混合，这种方法的主要缺点有：一是劳动强度大，二是混料效果差。混料质量得不到保证，制约了超硬材料烧结体的开发及其产品性能的提高，是生产高品级超硬材料烧结体的技术障碍。近期，中南公司模拟手工玛瑙研钵混料的实际操作状态，研制出一种超硬材料混料装置，实现了超硬材料混料的自动化操作。

1 装置的开发与设计

1.1 设计目的

针对手工玛瑙研钵混料存在的不足，通过模拟手工玛瑙混料的实际操作状态，设计一种自动化程度高、混料效果好的超硬材料混料装置。

1.2 工作原理

根据电机的正反转原理，通过丝杠在丝母内上下的螺旋运动，带动搅拌头在研钵内腔表面上旋转下降、上升运动，模拟手工玛瑙研钵混料的实际操作状态，实现超硬材料混料的自动化操作。

1.3 主要结构

混料装置主要由搅拌系统、浮动机构、振料机构、支筒部件、电控装置系统及其他辅助部件等组成。其结构如图1所示。

图1 混料装置基本结构示意图Fig.1 The diagram of the mixing device1.底座 2.支筒 3.盖板 4.研钵 5.研钵内腔球面 6.丝母 7.丝杠 8.旋转支板 9.上铰链 10.下铰链 11.搅拌头12.电机 13.电机支板 14.导套 15.防转导杆 16.电磁振动器 17.振动柱 18.弹性压板 19.固定套 20.弹簧 21.浮动限位钉 22.夹紧螺钉 23.开关支架 24.上行程开关 25.下行程开关 26.感应铁 27.电控装置

1.4 主要结构设计

1.4.1 搅拌系统

搅拌系统由旋转支板、丝杠、丝母、电机、电机支板、导套、防转导杆、上铰链、下铰链、弹性压板、研钵、搅拌头以及盖板等组成。旋转支板安装在丝杠底端，旋转支板向下固定连接有上铰链，上铰链向下铰接有下铰链，下铰链通过浮动机构连接搅拌头；丝杠顶端与电机相连，电机的底端与电机支板连接，电机支板的一侧连接有导套，导套的通孔内滑动穿设有防转导杆，防转导杆的底端固定连接在盖板顶端；丝杆通过丝母固定在盖板上。

其搅拌过程为：电机反向转动带动搅拌头沿研钵内腔表面旋转向下运动，当到达研钵底部极限位置时，下行程开关发出信号，电机变为正向转动带动搅拌头沿研钵内腔表面旋转向上运动，当上升运动到研钵口部极限位置时，上行程开关发出信号，电机又变为反向转动，连续循环上述动作，实现搅拌混料的自动化操作。

混料均匀效果主要取决搅拌头在研钵内腔表面上的旋转运动轨迹、物料间的相互作用时间和搅拌头的旋转运动速度［3－4］。一般在不影响混料效率的前提下，若要获得理想的混料状态或效果，应使搅拌头在研钵内腔表面上的旋转运动轨迹复杂，延长搅拌头与物料间相互作用的时间，保持合适的搅拌头旋转运动速度。因此搅拌头和研钵结构形状及搅拌头旋转运动速度的可变化性是混料系统设计的一个关键。

研钵是物料进行混料的场所，由于所混合的物料为超硬材料，具有极高的硬度和耐磨性，为了减少物料与研钵和搅拌头摩擦造成对物料的污染以及防止研钵与搅拌头自身的磨损造成对物料的污染，研钵和搅拌头选用了硬度高、耐磨性好的硬质合金材料制作。根据搅拌头在研钵内的旋转运动轨迹的设计要求，研钵内腔结构设计成碗状弧面型、搅拌头外形结构设计成半球型，如图2所示。

图2 研钵与搅拌头示意图Fig.2 Diagram of the mortar and the mixing head

丝杠带动丝母螺旋上升下降运动，决定了搅拌头在研钵内的旋转运动轨迹必定是一条三维空间的曲线，丝杠螺距的大小决定了搅拌头在研钵内腔弧面旋转运动轨迹的疏密程度，一般在不影响混料效率的前提下，丝杠螺距越小，搅拌头的旋转运动轨迹越密集，混料效果也越好。搅拌驱动电机由变频器无级变速，能根据不同物料和性能设计的混料工艺要求改变其输出转速，从而实现搅拌头转速连续无极可调，满足不同粒度物料混料的工艺要求。

1.4.2 浮动机构

浮动机构包括固定套、弹簧以及浮动限位钉等，当浮动限位钉到达浮动限位槽的下端时，搅拌头沿研钵内腔表面旋转向下运动到研钵底部极限位置，搅拌头与研钵内腔底表面间作用力最小、弹簧压缩量也最小，这时搅拌头在弹力的作用下向研钵内腔表面方向伸出量最大；当浮动限位钉到达浮动限位槽的上端时，搅拌头沿研钵内腔表面旋转上升运动到研钵口部极限位置，搅拌头与研钵内腔表面间作用阻力最大、弹簧压缩量也最大，这时搅拌头在研钵内腔表面作用阻力的作用下向研钵内腔表面方向伸出量最小。这种机构可以实现搅拌头表面与研钵内腔表面的浮动接触，可确保搅拌头在研钵内腔表面旋转运动轨迹的正确性。

1.4.3 振料机构

振料机构由底座、振动柱及电磁振动器组成。电磁振动器设在底座内，通过电磁振动器的振动柱撞击研钵底部，迫使吸附或黏附在研钵内腔表面和搅拌头表面的物料在撞击力的作用下脱落，达到振料目的。在混料操作中，对于不同粒度的物料，可通过电控装置设置不同的振料频率和时间。

1.4.4 套筒部件

套筒部件由套筒、夹紧螺钉组成，套筒上端与盖板固定连接，套筒下端与研钵滑动连结，混料操作时，将套筒部件连同搅拌系统套装定位在研钵上，并用夹紧螺钉夹牢，为了便于观察混料情况，套筒材料可采用高强度透明材料制作。

1.4.5 电控装置系统

电控装置系统是对搅拌系统和振料机构进行调节、控制的总系统。该系统主要包括搅拌系统用的变频器以及其它电器元件，可控制电磁振动器频率的大小、电机启动停止及正反转，还可以对电机转速进行无级连续调节控制，使搅拌头获得各种不同的转速，最大程度上满足开发和研制多种不同粒度物料混料的工艺要求。

2 混料工艺的关键技术分析

超硬材料在混料操作时必须根据各种物料不同的粒度特性，适时调整混料工艺参数，获得最佳的混料效果。

2.1 适宜的混料量

对于超硬材料进行混料时，选择适宜的混料量十分重要。混料量太少，物料不能充分与搅拌头接触，从而失去了对物料混合、分散的作用，混料效果差；混料量太多，物料难以充分混合，会造成物料混合得不均匀。研究表明对于所设计的混料装置，最适宜的投料量一般为研钵容积的25%～40%。

2.2 适宜的搅拌速度

超硬材料混料时，搅拌头的主要作用是混合与分散物料，使其混合均匀。对于不同粒度的物料，所需的搅拌头的旋转运动速度也不尽相同。因此合理选择搅拌头的旋转运动速度，对于提高混料均匀性和混料效率有着十分重要的作用，一般混料操作时，搅拌头的旋转运动速度太低，混料不能充分混合与分散，混料的均匀效果变差，且效率较低；搅拌头的旋转运动速度太高，对物料冲击较大，易造成物料“飞溅”现象，研究表明对于所设计的混料装置，搅拌头的旋转运动速度一般为50～80r／min。

2.3 适宜的振料频率

在混料操作过程中，混合物料是由微米级超硬材料组成的，较细的物料极易吸附或黏附在研钵内腔表面和搅拌头表面上，若黏附的物料不能及时参与混合，将导致所混料的均匀效果变差。一般情况下，混合物料粒度越粗，黏附性能越弱，所使用的振料频率越低；混合物料粒度越细，黏附性能越强，所使用的振料频率越高，但过高振料频率物料的粒度容易发生富集或偏析现象，研究表明对于所设计的混料装置，振料频率一般为50～100Hz。

2.4 适宜的混料时间

混料时间除了决定混料效率，还会直接影响混料效果的好坏，混料时间太长，研钵与搅拌头自身的磨损造成对物料的污染也越严重，且混料效率低；混料时间太短，物料混合不均匀。对于不同粒度的物料，所需的混料时间也不尽相同，应根据实际需要确定合理的混料时间，物料粒度越细，混料时间越长；物料粒度越粗，混料时间越短，混料时间的确定，取决于物料是否混合均匀。混料时间的控制可由定时电控装置来完成，经试验不同物料混料时间见表1：