压印式涂层制备装置的设计及其有限元分析

郑煌华 沈佳怡 龚志强 林晓辉

摘要：制备耐磨涂层是提高轻量化合金耐磨性的有效方法，是轻量化合金表面改性的重要途径。相对于热涂层的制备方式，机械锤击方法制备的涂层具有更多的优点。鉴于此，设计了一种机械压印式涂层制备装置，该装置是对碳化钨粉末进行搅拌后通过蠕动泵进行输送，精确控制涂料输出量。同时，对装置的主要部件进行有限元静力学分析以及模态分析验证其可行性。

关键词：涂层；机械锤击；有限元分析；模态分析

中图分类号：TH136  文献标志码：A  文章编号：1671-0797（2023）11-0039-03

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

基金项目：福建省自然科学基金项目（2021J011200）

0    引言

随着制造业对轻量化的要求越来越高，具有优良机械力学性能的轻量化合金，例如超硬质铝合金、镁合金、钛合金等，目前已广泛应用于汽车、船舶、航空及航天等领域。但这些材料普遍表面性能差，尤其是耐磨损性能和耐腐蚀性能差，且熔点低，不耐高温，抗氧化效果差。本文主要关注如何提高轻量化合金的耐磨性，制备耐磨涂层是提高耐磨性的有效方法。目前常见涂层制备方法有很多，大致可分类为热涂层和冷涂层。一方面，热涂层是在高温下制备，而冷涂层的“冷”是相对的，需要将涂层颗粒预热，这些都会对基体产生热影响。另一方面，碳化钨（WC）作为超耐磨材料，是公认的耐磨损理想涂层材料，然而硬质相WC在高温下易脱碳分解，从而降低涂层的耐磨性。因此，热、冷涂层制备方式对于这类轻量化合金并不是最好的选择。

为解决以往热、冷涂层存在的问题，加上当今的涂层制备装置有许多制备方式对环境都有污染，本文设计了一种机械压印式涂层制备装置。该装置相对于以往的涂层制备方式有更多的优点，利用机械锤击[1]技术制备涂层，不会像热、冷涂层的制备方式那样产生热影响。本文还对该装置进行了有限元静力学分析和模态分析，以验证其可行性。

1    装置的机械结构设计

1.1    装置的主体介绍

如图1所示，本装置主要分为两个部分，一个是锤击部分，另一个是搅拌送料部分。装置整体固定于机械臂上，碳化钨粉末通过图1右边的搅拌送料机构搅拌混匀后经蠕动泵输送到出料罐里面，由音圈电机[2]带动锤击头进行机械锤击，将碳化钨颗粒锤击到被加工材料的表面，从而达到制备耐磨涂层的目的。该装置除锤击头的材料为Q235外，其余均采用铝合金6061。

1.2    各模块设计

（1）出料锤击模块设计：将锤击头与T字型连接板进行螺纹连接，并利用轴肩来定位，出料罐盖板与出料罐连接固定，中间用密封圈进行密封。碳化钨混合物进入到出料锤击模块中的出料罐后可以边出料边锤击，有利于提高加工效率，节省材料。

（2）储料-搅拌模块设计：将储料罐与底部的宝塔格林接头进行螺纹连接，上方是搅拌电机、L型连接板、储料罐三者相连接，搅拌电机通过联轴器与搅拌杆连接进行搅拌作用，最后宝塔格林接头与蠕动泵通过胶管连接进行送料。

1.3    搅拌电机的选择与控制

本装置需要将碳化钨颗粒混合物送入储料罐，而在工作一段时间后，碳化钨颗粒混合物可能由于重力作用和密度不同而分层，将会导致出料不连贯，使锤击效果变差，为此需采用搅拌机构将混合物搅拌均匀。在此设计中选用步进电机进行搅拌，并配合PLC使用，可根据需要使用PLC控制步进电机转速大小、搅拌时间等[3]。图2为本装置的PLC控制程序。

2    静力学分析

2.1    锤击头静力学分析

锤击头是一个固定的零件，固定于T字型连接板上，所以它的固定面是与T字型连接板螺纹连接面及相接触的平面，它的受力面为最下方与加工材料和出料罐相接触的表面。锤击头传递音圈电机的力为120 N，其有限元静力学分析结果如图3所示。

Q235的屈服强度[4]为234.4 MPa，由图3应力分析所受到的最大应力可知，锤击头所受到的最大应力为0.396 2 MPa，所以结果符合设计需求。

2.2    出料罐有限元分析

出料罐是一个固定的零件，是将其通过孔连接固定在中间连接板上，所以它的固定面是上方的连接孔。由于锤击头是从中间伸入并锤击，所以下方的型面会受到一个120 N的音圈电机的锤击力。对出料罐进行有限元分析，结果如图4所示。

6061铝合金的屈服强度[4]为55.15 MPa，由图4应力分析所受到的最大应力可知，出料罐所受到的最大应力为7.571 MPa，所以结果符合设计需求。

2.3    中间连接板有限元分析

中间连接板是一个固定的连接件，是通过两边及其后方的孔连接固定在装置上面，所以它的固定面就是其连接的孔。它的下方与出料罐通过孔连接，故其受到下方传递的力为120 N。对中间连接板进行有限元分析，结果如图5所示。

6061铝合金的屈服强度为55.15 MPa，由图5应力分析所受到的最大应力可知，中间连接板所受到的最大应力为7.396 MPa，所以结果符合设计需求。

2.4    音圈电机连接板有限元分析

音圈电机连接件是一个固定的连接件，是固定在机械臂的下方，所以它的固定面是与机械臂连接的螺纹连接部分。其下方的其他零件是连接在其连接孔的下方，下方的螺栓孔受到其他部件的拉力约为10 kg。对音圈电机进行有限元分析，结果如图6所示。

6061铝合金的屈服强度为55.15 MPa，由图6应力分析的所受到的最大应力可知，音圈电机连接件所受到的最大应力为0.638 2 MPa，所以结果符合设计需求。

2.5    主要受力整体的有限元分析

该装置整体是被固定在机械臂上，所以它的固定面为上方的连接孔。由于锤击头是从出料锤击模块的中间伸入并锤击，所以出料锤击模块下方的型面会受到一个120 N的音圈电机的锤击力。对主要受力整体进行有限元分析，结果如图7所示。

6061铝合金的屈服强度为55.15 MPa，由图7应力分析所受到的最大应力可知，主要受力整体所受到的最大应力为3.681 MPa，所以结果符合设计需求。

3    模态分析

对该装置的基本部件进行有限元模态分析，结果如图8所示。该装置的最大振动源来自音圈电机的往复运动，该音圈电机一般工作频率范围在25～50 Hz。因此，音圈电机的振动频率不在模态分析的频率范围内，系统较为稳定。

4    结论

本文设计了一种机械压印式涂层制备装置，并对其进行了有限元静力学分析和模态分析，可得到以下结论：

（1）對该装置的主要受力零件以及主要受力整体进行了有限元静力学分析，静力学分析结果符合设计需求。

（2）对该装置的主要整体进行了模态分析，模态分析结果符合设计要求。

[参考文献]

[1] 林晓辉，杨帆，陈博伦，等.6016铝合金的电磁驱动机械锤击平整加工[J].表面技术，2020，49（3）：334-339.

[2] 潘新远，常以涛，张长胜，等.音圈电机设计优化与分析[J].化工自动化及仪表，2020，47（6）：512-517.

[3] 邓星钟.机电传动控制[M].武汉：华中科技大学出版社，2001.

[4] 张铁军.机械工程材料[M].北京：北京大学出版社，2011.

收稿日期：2023-02-17

作者简介：郑煌华（2001—），男，福建莆田人，研究方向：表面改性、精密抛光技术。

通信作者：林晓辉（1985—），男，福建漳州人，博士，副教授，研究方向：表面改性、精密磨抛加工及检测技术。