CN103691589A

CN103691589A - 铁磁性粉末电磁驱动送粉方法及装置

Info

Publication number: CN103691589A
Application number: CN201310747867.9A
Authority: CN
Inventors: 张春; 曾大新; 刘建永; 袁有录
Original assignee: Hubei University of Automotive Technology
Current assignee: Hubei University of Automotive Technology
Priority date: 2013-12-31
Filing date: 2013-12-31
Publication date: 2014-04-02
Anticipated expiration: 2033-12-31
Also published as: CN103691589B

Abstract

本发明涉及铁磁性粉末电磁驱动送粉方法及装置。本发明是利用多个依次排列的电磁线圈，顺序通电产生移动的电磁场，使铁磁性的铁基粉末被磁场吸引，沿着线圈依次通电的方向做加速运动，形成移动的粉末束流。本发明还提供了实现该送粉方法的装置，主要包括粉仓、管道、线圈A、线圈B、线圈C、控制器、驱动器、喷嘴组成。控制器按照设定的模式，发出驱动指令脉冲，驱动器使线圈依次通电，实现粉末加速或者停止甚至后退，粉末运动速度和粉末流量直接由电流参数控制，无需气体驱动，避免了粉末飞散。本装置结构简单，可以满足喷涂或喷射加工对送粉精确控制的需求。

Description

铁磁性粉末电磁驱动送粉方法及装置

技术领域

本发明涉及一种喷涂或喷射用送粉方法及装置，特别是铁磁性粉末电磁驱动送粉方法及装置。

背景技术

喷涂或喷射加工中需要将金属或陶瓷粉末输送到喷嘴处，通过激光或等离子等高能热源将粉末融化并喷涂熔覆到被沉积对象表面。为了将粉末从粉仓输送到喷嘴处，多数使用重力加气流吹送的方法输送粉末；比如氩气，刚好满足喷涂时的气体保护，因此多数直接使用氩气吹送粉末。但是，气体吹送粉末的结果是粉体流动的速度和流量控制比较麻烦，气流太小，粉体输送不及时且大粒径粉体不能有效输送，气流太大，粉体中细粉被吹散，无法有效的被激光或等离子弧熔射到沉积对象表面，此外也存在氩气消耗量大的缺点。

工业上喷涂加工对象多数是钢铁材料，如模具、活塞杆的表面修复，所喷涂的材料也多数为钢、镍等合金粉末以及WC类的耐磨碳化物、金属陶瓷的金属粉末，其中钢和镍所占粉末成分的比例较大，粉末的粒径从20微米到500微米不等。

发明内容

本发明提供铁磁性粉末电磁驱动送粉方法及装置，利用粉末中铁磁性材料占主要成分的特点，通过电磁线圈产生的有序电磁力驱动粉体颗粒运动，达到送粉的目的；并通过线圈中电流的频率、脉宽、大小、相序等参数的调节，实现定向、定速、定量精确送粉，避免了重力落粉容易堵塞且材质不均，气体输送的粉体飞散的浪费以及喷涂表面质量不佳，以及高纯惰性气体流量浪费的缺点。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下。

铁磁性粉末电磁驱动送粉方法，其特征是：利用铁磁性粉末能被磁场驱动的原理，使用至少三组电磁线圈，绕在圆形送粉管道外侧，并按照固定顺序重复排列；铁磁性粉末在粉仓内被搅拌呈流化态，驱动器依次对每组电磁线圈施加直流脉冲电流，铁磁性粉末被第一组电磁线圈的磁场吸引，进入圆形送粉管道，并依次被每组电磁线圈的磁场顺序吸引，沿着圆形送粉管道移动并获得一定的运动速度，直到送粉管道末端由惯性抛出。混合粉末中的非铁磁性材料会在铁磁性材料的携带下同步前进，不会出现分层和材质偏析问题。

本发明提供的方法实质上类似于直线电机驱动技术，并且是步进驱动，但是驱动对象是粉末，尤其是铁磁性材料为主的喷涂用粉末。

上述铁磁性粉末电磁驱动送粉方法，圆形送粉管道为直线管道且足够长，使用若干个电磁线圈绕在圆形送粉管道外侧，并按照固定顺序重复排列，能将粉末加速度到数百米每秒。

为了使铁磁性粉末颗粒在圆形送粉管道内部能稳定地加速，满足入口速度慢、出口速度快的加速过程，将每组电磁线圈分成若干个短线圈加速段，从粉体入口通道开始到出口喷嘴，每段短线圈的长度依次增加。

本发明还提供了铁磁性粉末电磁驱动送粉装置，包括粉仓、圆形送粉管道、空心电磁线圈、控制器、驱动器、喷嘴，粉仓内的粉体被搅拌器或者保护气体搅动，呈流化态，保证粉末成分均匀。控制器按照设定发出一定频率、占空比和相序的指令脉冲，经过驱动器内部的功率开关放大电路，按照设定的驱动电流驱动各相线圈绕组，产生移动的电磁场吸引铁磁性粉末进入管道前行，经过加速后从喷嘴中惯性抛出。

本发明的有益效果是：

本发明直接采用电流驱动送粉，电流的频率、脉宽、相序、大小等可控，电流频率高，粉末移动速度快，流量大；频率低，流动慢，流量小；磁场不动，则停止流动；相序改变，粉末往回运动返回粉仓，避免了管道内粉末的残留浪费。本方法不需要气体消耗，不会因为粉体粒径和密度差异导致气力输送式材质不均的现象，不会使粉体吹散，减少了浪费，也不会因为粉体飘落影响喷涂的表面质量。

本发明提供的方法和装置，控制器和驱动器模块化布置，一台控制器可以控制多台驱动器，进行多路同时送粉，实现不同粉末的精确混合成份控制，从而控制材质性能，形成梯度材料。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明的方法原理示意图。

图2是本发明的方法实施例示意图1。

图3是本发明的方法实施例示意图2。

图4是本发明的线圈长度计算示意图。

图5是本发明的装置实施例示意图。

图中1.空心管道，2.线圈，3.聚磁圈，4.铁磁性粉末，5.粉仓，6.控制器，7.驱动器，8喷嘴（或者熔覆头）。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明涉及的电磁驱动送粉方法及装置做进一步说明：

图1是本发明的方法原理示意图，本原理图以三相绕组的线圈为例进行说明。每相绕组有若干个短线圈串联而成，共有A、B、C三相，三相有公共端联接在一起，每相的电流脉冲依次到来，相序如图中所示，使磁场从左向右移动。

进一步用图2的实施例来说明线圈之间的关系组成。管道1的外侧绕有线圈2，每段短线圈外侧有管状聚磁圈3，当A、B、C三相依次通以脉宽为T的电流时，聚磁圈产生的定向磁场如图所示，铁磁性粉末4在磁场的吸引下，依次沿着管道从左向右随磁场同步移动。聚磁环还可以采用杯形，采用铁氧体或者硅钢制造，如图3所示。

图4是与粉体颗粒在不同位置的瞬时速度和线圈长度的示意图。其中

Figure 2013107478679100002DEST_PATH_IMAGE001

是粉体颗粒在每段短线圈加速之后的速度，为每相电流的时间宽度，

Figure 2013107478679100002DEST_PATH_IMAGE003

是每段短线圈的长度，每段短线圈分为A、B、C三相的短线圈

。

粉末从粉仓进入管道线圈的入口速度较小，尤其是初始进入时，粉末颗粒的速度基本为零，然后由于线圈的加速作用，在管道线圈出口达到最大速度。如果粉末颗粒在每相短线圈内都得到最佳加速，则需要粉体颗粒所受到的电磁力稳定一致，则有加速度

稳定一致使铁磁性粉末在移动磁场中做同步运动，其运动速度等于磁场的移动速度。如果线圈有

段组成，则粉末从管道线圈飞出的速度为

Figure 2013107478679100002DEST_PATH_IMAGE007

，有：

式中

Figure 2013107478679100002DEST_PATH_IMAGE009

是进入每段短线圈之前的速度，

经每段短线圈加速后的速度，

是粉体颗粒在经过线圈时产生的加速度，是线圈绕组的相数，是粉体颗粒通过每相短线圈的时间，即脉冲电流的时间宽度，

为每段短线圈的序号，

是第

段短线圈的长度。由于

和

都是定值，因此可根据此公式设计出每段线圈的匝数长度

。

同样，对于每段短线圈，其三相短线圈长度

也应该有不同的长度，如图4所示，有：

本发明还提供了实现该方法的装置，图5是该装置的实施例1。密封的粉仓5内装有铁磁性粉末4。为了避免金属粉末的聚集偏析，有机械或气流搅拌装置使粉体呈流化态，对于活动较大的粉末，粉仓内可以通以惰性保护气体进行保护，如氩气、氮气或者二氧化碳气体。包裹有多相绕组线圈2的管道1一端伸入粉仓内，在粉仓5底部密封联接，另一端联接喷嘴或者熔覆头8。

多相绕组线圈2与驱动器7的每相输出端相连，驱动器7上有可以调节电流的按钮、旋钮或者显示装置，通过调节装置，驱动器的输出电流大小和相位可以细分，使各相之间的电流和相位可以重叠，以改善送粉的平稳性。

驱动器7内部为功率开关放大电路，电路对控制器6发出的控制脉冲进行处理并放大驱动各相绕组线圈。控制器6上有设置脉冲信号频率和脉冲宽度以及脉冲相序可调相序的按钮、旋钮或者显示装置，能够输出多路顺序指令脉冲以及方向信号。一套控制器可以控制多套驱动器和线圈，实现多种材质粉末按程序控制比例混合喷涂。

控制器6还可以接受PLC或者PC机或者数控系统发出的在线控制指令，使控制器、驱动器按照PLC或者PC机或者数控系统的程序运行，以配合激光熔覆、等离子喷涂喷射对于轨迹、修补厚度、材质成份或者加工对象不同的各种控制需要。也可以通过通信接口接收外部控制信号的指令程序，并保存在控制中，然后以离线模式运行。

本发明的实施例还可以用来进行高速精密微细喷射表面处理，即WPC（wonder process craft）表面处理。采用40－200微米粒径的粉体颗粒，如高速钢粉末颗粒，当管道和线圈的长度足够长，电流足够大，以及脉冲频率足够高时，在一定的管道长度内就可以将粉体颗粒加速到100米/秒以上，形成粉体颗粒束流或丸流，对工模具表面进行喷射，高速的微细丸流碰撞金属表面，产生较大的残余压应力，能大大提高工件的耐疲劳性。用于WPC处理时，实施装置需要使用准直线管道，管道内径在1.5－3mm之间，长度1－2m，脉冲频率在2000－15000Hz之间。

本发明实施时，由于驱动电流较大，必要时可对管道线圈进行强制风冷或水冷。

Claims

1.铁磁性粉末电磁驱动送粉方法，其特征是：利用铁磁性粉末能被磁场驱动的原理，使用至少三组电磁线圈，绕在圆形送粉管道外侧，并按照固定顺序重复排列；铁磁性粉末在粉仓内被搅拌呈流化态，驱动器依次对每组电磁线圈施加直流脉冲电流，铁磁性粉末被第一组电磁线圈的磁场吸引，进入圆形送粉管道，并依次被每组电磁线圈的磁场顺序吸引，沿着圆形送粉管道移动并获得一定的运动速度，直到送粉管道末端由惯性抛出。

2.根据权利要求1所述铁磁性粉末电磁驱动送粉方法，其特征是：线圈足够长且为直线管道，可以将粉末加速度到数百米每秒。

3.铁磁性粉末电磁驱动送粉装置，其特征是：包括粉仓、管道、多组电磁线圈、控制器、驱动器、喷嘴或者熔覆头，线圈绕在空心的非铁磁性管道外壁。

4.根据权利要求3所述铁磁性粉末电磁驱动送粉装置，其特征是每组线圈由多个不同长度的短线圈串联而成。

5.根据权利要求4所述铁磁性粉末电磁驱动送粉装置，其特征是每组线圈的短线圈之间穿插其他线圈组的短线圈，并按照固定顺序重复排列。

6.根据权利要求5所述铁磁性粉末电磁驱动送粉装置，其特征是短线圈从管道的粉末入口到粉末出口，短线圈的长度和圈数按照等比数列关系增加。

7.根据权利要求5所述铁磁性粉末电磁驱动送粉装置，其特征是每组线圈的小线圈外可穿套具有聚磁特性的杯状或管状护套，如铁氧体磁环或者硅钢圈。

8.根据权利要求3所述铁磁性粉末电磁驱动送粉装置，其特征是驱动器的通道数与线圈组数相同，并分别与线圈联接。

9.根据权利要求3所述铁磁性粉末电磁驱动送粉装置，其特征是一套控制器可以控制多套驱动器和线圈，实现多种材质粉末按程序控制比例混合喷涂。