等离子喷涂功能材料制备的实验工装设计【含3张CAD图纸优秀课程毕业设计】

充值购买 费领取图 纸 任务书 班 级： 姓 名： 论文（设计）题目： 等离子喷涂功能材料制备的工装设计 专 题： 论文（设计）来源： 科 研 要求完成的内容： 1）了解功能材料、等离子体的概 念，掌握等离子喷涂技术的原理、特点及应用范围； 2）了解等离子喷枪的基本结构和基本设计参数，对喷枪的主要结构进行选择和设计； 3）设计多种喷涂进给方案，并选择出一种合适的进给方案； 4）利用 出所选进给机构的工程装配图（ 两张零件图（ 5）完成进给机构的运动仿真； 6）毕业设计说明书一份（字）。 发题日期： 20*年 1 月 13 日 完成日期： 20*年 6 月 02 日 实习实训单位： 地点： 论文页数： 57 (约 2 . 8 万字 )页； 图纸张数： 3 张 指 导 教 师 ： 教研室主任 ： 院 长 ： 充值购买 费领取图 纸 等离子喷涂功能材料制备的实验工装设计 摘 要 等离子喷涂技术是现代表面工程的重要手段之一，在工业生产和科研中的应用也越来越广泛。等离子喷枪作为等离子喷涂设备的重要组成的部分，现有的等离子喷枪存在能量消耗大、粉末沉积率低、喷枪寿命短等缺点，进而影响着生产效率与喷涂工艺的成本。现有的小型等离子喷枪多为手持式，这种手动喷涂的方法存在操作人员的劳动强度大、操作水平要求高，满足不了大批量生产作业；其次，涂层质量不稳定，均匀性差，喷涂准确性低，喷涂质量完全凭人工经验控制。 本文首先通过在喷枪的送粉方式、送气方式、喷嘴形状、阴极及钨极座对等离子喷涂的影响方面，设计了 喷枪的结构，提高了喷涂的沉积率和喷枪的寿命，进而降低了喷涂工艺成本。其次，本文的重点是对等离子喷涂进给机构进行了设计，通过 Y 向机构的装夹盘和水平放置三爪卡盘分别对平面类工件和轴类工件进行装夹，然后由安置在十字滑台的喷枪对工件进行运动喷涂。 通过对喷枪的优化设计和等离子喷涂进给机构的设计，改善了喷涂涂层的质量，提高了喷涂材料的利用率，从而节约了喷涂成本，并实现了喷涂系统运动的精准控制，替代了人工劳动力，提高了喷涂效率和喷涂过程的安全性，为喷涂工件的大批量生产提供了条件，从而推动等离子喷涂技术在工业生产上更加广 泛的应用。 关键词： 功能材料； 等离子喷枪； 进给机构； 实验工装 充值购买 费领取图 纸 of by he is of in of of we of in of on of of of of by of of of So it of of to of of is of of By on By of it of of it of By of of of it of it of so as to s it of to 充值购买 费领取图 纸 目 录 第 1 章 绪论 . 1 能材料 . 1 能材料的概念 . 1 能材料的分类及应用 . 1 见功能材料的制备 . 3 离子喷涂技术 . 4 子与等离子体 . 4 离子喷涂的原理 . 6 离子喷涂的特点 . 7 离子喷涂的喷涂距离与喷涂角度 . 8 离子喷涂涂层性能检测方法 . 8 离子喷涂功能材料的应用与前景 . 8 章小结 . 9 第 2 章 等离子喷枪的设计 . 10 离子喷枪的基本结构 . 10 离子喷枪基本参数的选择 . 11 离子喷枪结构的基本设计要求 . 11 离子喷枪结构方案的选择 . 12 粉方式的选择 . 12 气方式的选择 . 14 极（喷嘴）形状的选择 . 15 极（钨极）和钨极套的设计 . 17 章小结 . 18 第 3章 喷涂 系统进给方案的设计 . 19 离子喷涂的喷涂设备 . 19 离子喷涂系统进给方案的确定 . 19 . 19 离子喷涂进给机构的主要设计参数 . 20 给机构总体方案的选择 . 20 轨类型的选择 . 23 择的导轨满足的要求 . 24 见的滑动导轨类型和导轨类型的确定 . 24 动方式的选择 . 25 个进给机构联轴器的选用 . 25 给机构的防护 . 26 章小结 . 27 第 4 章 喷涂系统进给机构的计算 . 28 Y 向进给机构的计算 . 28 珠丝杠副的选择与计算 . 28 机和减速机型号的选择 . 31 充值购买 费领取图 纸 承的选择与计算 . 33 的校核计算 . 34 件装夹盘安装螺栓的校核计算 . 35 X 向进给机构的设计与计算 . 36 X 向滚珠丝 杠的选择与计算 . 36 流伺服电机与减速器型号的选择 . 38 轴承的选择与计算 . 40 键的校核计算 . 41 Z 向进给机构的设计与计算 . 42 Z 向滚珠丝杠的选择与计算 . 42 流伺服电机与减速器型号的选择 . 44 轴承的选择与计算 . 46 键的校核计算 . 47 轴类工件旋转机构的设计与计算 . 48 流伺服电机与减速器型号的选择 . 48 三爪卡盘的选型 . 49 盘轴的校核 . 50 轴承的选择与计算 . 51 键的校核计算 . 52 章小结 . 53 第 5 章 总结与展望 . 54 致谢 . 55 参考文献 . 56 充值购买 费领取图 纸 第 1 章 绪论 能材料 能材料的概念 传统的材料，如机械工程材料等，主要是作 为结构材料，用于制造各种机器和机械零件、构件以及工具等。其发展方向是提高强度、韧性、硬度、塑性等机械性能指标，以便机件在工作是承受拉、压、弯、扭、摩擦、冲击等各种负荷的工作，不致因编写、磨损或者断裂而失效。然而，随着科学技术的迅速发展，机械产品除了要求容量大、性能高、重量轻、寿命长之外，还不断的向精密化、小型化和自动化方向前进。由于各种传感器、执行元件、控制元件和微型电子计算机日益广泛地被应用于各行各业中，机械设备与电子设备正逐步实现一体化。显然，机械工程材料不再局限于那些仅能够承受力的作用的结构材料，而必 须包括可以传递信息、变换能量形式或具有其他特殊性能的功能材料。这样，把材料（包括机械工程材料）划分为结构材料和功能材料量大类的分类方法就出现了 1。因此， 一般除了具有机械特性外，还具有其他的功能特性，如通过光、电、磁、热、化学、生化等作用后具有特定功能的材料称为功能材料。 功能材料种类繁多，用途 十分 广泛，有着十分广阔的市场前景和极为重要的战略意义。世界各国均十分重视功能材料的研发与应用，它已成为世界各国新材料研究发展的热点和重点，也是世界各国高技术发展 中战略竞争的热点。在全球新材料研究领域中，功能材料约 占 85 % 以上。我国高技术计划、国家重大基础研究计划、国家自然科学基金项目中均安排了许多功能材料技术项目（约占新材料领域 70%比例），并取得了大量研究成果 1。 能材料的分类及应用 当前国际 功能材料 及其应用技术正 进行着飞 速的发展 ， 比 如 超导材料 、微 电子材料 、 光子 材料、 生态环境材料 、 生物医用材料 及材料的分子、 信息材料 、 能源转换 及 储能 材料、原子设计等技术正面临着新的突破 ， 功能材料 技术 在 一些发达 及发展中 国家 的 经济及军事 领域有着举足轻重的地位 。 常见的功能材料分类如图 1 充值购买 费领取图 纸 按化学键分类按物理性质分类功能性金属材料功能性无机非金属材料功能性有 机金属材料功能性复合材料磁性材料电性材料光学材料声学材料力学材料化学功能材料医学材料能源材料信息工业用材料核材料军工材料电子材料按应用领域分类图 1能材料的分类 功能材料不仅性能复杂、种类繁多，同一功能可以用不同材料制成，同一材料也可具有不同的功能，而且发展迅速。功能材料按照其具有的特性，可以应用在不同的领域。如 图 1功能材料的常见的应用 。 化学功能分离功能材料 反应功能材料 生物功能材料分离膜 高 分 子交换树脂高分子络合物高分子试 剂高分子催化剂固定化酶生 物超高强材 料高结晶材 料弹性功能材 料强化功能材 料力学功能物理化学功能生物化学功能电学功能材料 光学功能材料 能量转换材料 生物降解材 料功能性药物 医用功能材料超导体 导 电高分子光导纤维感光性高分子压电材料光电材料缓 释高分子高分子农 药人 工脏器用材 料可 降 解医 用骨钉骨板药 物活 性高分子图 1常见功能材料的应用 充值购买 费领取图 纸 见功能材料的制备 (1) 超耐热合金的制备： 这类合金又称 高温合金 ，它对于在高温条件下的工业部门和应用技术，有着重大的意义。 如图 1热合金材料制备的流程图。 原 料粉 末超 耐 热合 金块 状材 料快速凝固雾化法图 1耐热合金材料制备流程图 比如 耗电弧熔炼法、感应电渣熔炼法、定向凝固、熔模铸造及粉末冶金 等方法。 (2) 现代陶瓷材料的 制备如 图 1 配料混合干燥粉碎烧结后处理原料 成型制品图 1在陶瓷材料制备流程图 充值购买 费领取图 纸 的 备 如图 1。 异 丙 醇锆醋 酸 钇混 合 搅拌均 匀 溶液吸 水 水解干 燥溶 胶凝 胶煅 烧Y S Z 粉 末图 1化锆（ 末制备的工艺图 离子喷涂技术 子与等离子体 (1) 离子 离子是指原子由于自身或者外界的作用而失去或者得到一个或几个电子，使其达到最外层的电子数目为 8 个或者两个（氢原子），或者没有电子（四中子）的稳 定结构。 带电荷的原子叫做离子，带正电荷的原子叫阳离子，带负电荷的叫阴离子。 原子失去或得到电子，并形成稳定的结构，从而 得到了离子。图 1氮离子的形成示意图。 充值购买 费领取图 纸 +7 2N+7 + 个 电 子5 2图 1离子形成的示意图 (2) 等离子体 等离子体是由大量的自由电子、正离子和中性原子所组成 ,且在整体上表现为近似电中性的电离气体。等离子体这个名词是由美国物理学家郎谬尔 ( 1928 年 首 次使用。它同固体、液体、气体一样 ,是物质存在的又一种聚集 态。等离子体被称为物质的第四态等离子态，它的温度一般在 104印度天体物理学家沙哈 (计算，宇宙中 物质处于等离子 体状态 4。如 图 1子体的组成示意图。 一般把电离度小于 气体称为低温等离子体，也称为弱电离等离子体；把电离度电离度大于 1%的称为高温等离子体，也称为强电离等离子体 4。 等离子体分子正离子电子原子等离子体整体显中性图 1离子体的组成示意图 同一类中性原子（即由该种原子形成的单电荷原子和电子组成）可以组 成等离子体，不同类别的原子和离子也可以组成等离子体，其中前者称为简单等离子体。由于等 离子体中的带电粒子间存在相互作用，因此 ,它们的性质与一般平衡气体有着很大的差别。等离子体与一般气体相比有许多特性： 导电性 充值购买 费领取图 纸 由于存在带正负电荷的离子和自由电子，所以 ,等离子体的导电性很强。 电准中性 虽然等离子体内部有很多的带电粒子，但是在足够小的空间内，这些粒子所带的正电荷数总是等于负电荷数 ,这种现象称为等离子体的电准中性。 与磁场的可作用性 由于等离子体是带电粒子组成的导电体，因此，除了普通的热运动外，在其内部 还会产生等离子体振荡。因此，一定情况下， 等离子体的运动情况将受到 外磁场 的影响和支配。 离子喷涂的原理 等离子喷涂是采用压缩非转移电 弧作为热源，工作气体常用从 r，再加入 5% 作气体进入电极腔的弧状区后，被压缩电弧加热离解形成等离子体，其中心温度能够高达 15000K 以上，同时经孔道高压压缩后呈高速等离子射流喷出。载有喷涂粉末的气体进入等离子焰流，使 粉末很快呈熔化或半熔化状态 ,并高速喷打在零件表面产生塑性变形，粘附在零件 表面 16。如图 1等离 子喷涂过程示意图 ，图 1粉末之间也依靠塑性变形而相互钩接，从而获得结合良好 的层状致密涂层。其中压缩电弧是由普通电弧经热压缩、机械压缩和自磁压缩而产生 2。 喷涂材料等离子弧喷射粒子羽流基体喷涂涂层送粉气图 1等离子喷涂过程示意图 充值购买 费领取图 纸 基体准备 基体预处理 基体遮蔽和喷 涂 工 装喷涂材料的选择喷涂操作涂层后处理图 1离子喷涂的工艺流程图 离子喷涂的特点 等离子喷涂技术是继火焰喷涂之后大力发展起来的一种精密喷涂方法，等离子体产生的 瞬间高温（ 15000K）能够瞬间熔化目前已知的任何一种材料，从而使得等离子喷涂的材料来源更加广泛，因此，等离子喷涂在热喷涂技术中占有很大优势。与其他热喷涂方法相比，等离子喷涂具有以下特点 2: (1) 喷涂材料来源极为广泛 由于等离子喷涂时的焰流温度很高，其中心可高达 15000K 以上，理论上这样的高温几乎能熔化所有的高熔点和高硬 度的材料，很适合陶瓷和高熔点物质的喷 涂，从而可喷涂更多种的材料，这是其他热喷涂技术难以实现的。 (2) 涂层致密，结合强度高 由于等离子弧能量十分集中，能使粉末获得较大的动能，且粉 末温度高，所以能获得致密度高，一般在 88%间，粘结强度高达 而得到的喷涂涂层能够与基体结合良好。 (3) 喷涂效率高 若采用高效率的等离子喷涂设备，粉末沉积效率可达 8kg/h。 (4) 对工件的热影响小，无组织变化 等离子喷涂不会引起被喷材质的组织变化，基体部件不变形；喷涂过程不会引起基体氧化，不影响基体原来的力学性能，也不发生组织上的变化，可对精密工件进行喷涂。 (5) 能够获得含氧化物少、杂质少、很纯洁的喷涂涂层。 由于采用还原性气体（如氢气）和惰性气体（如氩气）作 为工作气体，能够 充值购买 费领取图 纸 可靠的保护工件表面的粉末材料不被氧化。因此，等离子喷涂采用上述工作气体时，能够对易氧化的活性粉末材料进行喷涂，同时获得比纯洁的喷涂涂层。 (6) 涂层厚度可以控制 喷涂涂层的误差可以控制在士 围之内。 离子喷涂的喷涂距离与喷涂角度 喷涂效率和涂层质量受喷涂距离的影响显著。喷涂距离较小，则喷涂效率较高。但若喷距过小，焰流不能充分的加热和加速喷涂粉末，容易导致涂层疏松、降低涂层的性能，同时，易造成工件产生局部高温，诱使工件发生热变形，增 大涂层的应力 。喷距过大将使 熔粒与基材和涂层撞击时的温度和速度都降低，导致熔粒变形不充分，涂层气孔率较高，结合强度降低 16。据研究表明，喷涂金属粉末时，喷距常为 75涂陶瓷粉末时，喷距常取 50。 进行喷涂时，等离子焰流轴线与被喷涂工件表面之间的角度 (即喷涂角度 )不应小于 45，即以 90 角度对工件表面进行 喷涂，“遮蔽效应”在角度太大或太小均会产生，导致涂层气孔率增大、涂层疏松 16。 离子喷涂涂层性能检测方法 涂层检测的性能一般包括硬度、孔隙率、结合强度、弹性模量、残余应力 和耐磨损、耐腐蚀、耐高温、抗氧化、抗热冲击及电性能等。而涂层的硬度、孔隙率、残余应力和结合强度对其他性能有着重 要的影响，故较多的研究集中在此方面。涂层性能检测的方法很多，具体可见于国标 ( 16。 离子喷涂功能材料的应用与前景 等离子喷涂功能材料涂层依据其用途和特性，可以分为保护性涂层和功能性涂层，保护性涂层诸如耐磨、减磨、固体润滑的涂层，抗表面疲劳涂层、耐蚀性涂层、耐热涂层、热障涂层等，这些涂层制备的技术工艺日趋成熟，已经在工业上得到广泛的应用 13。功能性涂层诸如 超导涂层、光学涂层、生物涂层等，目前也逐渐受到人们的关注 2。 (1) 耐磨涂层及应用 等离子喷涂涂层最典型的应用就是耐热涂层。等离子喷涂陶瓷和金属陶瓷涂层不仅可以使零部件具有更高的硬度、优异的耐磨性，而且涂层的摩擦系数低、能耗小，在机械、航空等领域应用广泛。喷涂材料一般选用 低相互接触表面的摩擦系数是减少磨损的另一途径。等离子喷涂 充值购买 费领取图 纸 钼合金复合材料涂层，在边界润滑条件下，可表现出极好的耐磨性，有优异的抗粘着磨损能力。 (2) 热障涂层及应用 热障涂 层广泛应用于航空发动机、燃气轮机等高温工作下零部件的表面起隔热作用，组织热的传递，防止基体金属温度升高或者降低基体的受热温度等作用。典型的热障涂层都设计成双层结构，即金属结合涂层和陶瓷层紧密几结和起来。热障涂层工作层材料通常都是陶瓷材料，目前都选择加入少量 氧化锆（ (3) 生物活性涂层及应用 等离子喷涂技术是制备医用生物涂层材料的一种有效方法。国外对等离子喷涂羟基磷灰石涂层和钛涂层的研究报道较多。羟基磷灰石的化学式为 6（ 6，简称为 化学成分和晶体结构与人 体骨骼和牙 质的化学成分相似，具有生物活性和相容性，能够与产生骨性结合，穿到骨骼生长。目前这种涂层广泛用于生物人工载体髋关节与人工植入材料。 (4) 非晶体涂层 非晶体合金具有很高的强度、硬度、优良的耐磨耐蚀性和良好的磁学性能。研究表明，含有相当高达硼的一些化合物能够在高速冷却时形成非晶态结构，等离子喷涂时熔粒的冷却速度高达 105s， 这种冷却速度可以使涂层中产生非晶体相的组织。采用大气等离子喷涂铁基非晶体合金粉制备的高含量的铁基非晶态合金涂层，致密度高，孔隙率低，氧化 物含量少，硬度可达 700合强度 27 (5) 其他功能涂层及应用 用等离子喷涂压电陶瓷涂层作用的压电元件无需黏贴，尤其适合于大面积压电传感器和压电元件阵列的制作。在切削刃上用真空等离子喷涂技术辅助沉积人造金刚石薄膜，可以实现难以加工材料的加工；也可以应用 于喷管、喷嘴、计算机硬盘、挤压模和拉伸膜、火箭发动机系统、飞机发动机系统以及汽车引擎中的轴承等方面。 章小结 本章介绍了首先功能材料的概念、分类、特点及应用，其次介绍了等离子体的概念和等离子喷涂的原理、工艺过程、喷涂特点以及喷涂涂 层的检测方法和喷涂涂层的应用。功能材料的等离子喷涂在现代化的工业生产应用愈加广泛，等离子喷涂技术在表面技术的地位也愈加重要。 充值购买 费领取图 纸 第 2 章 等离子喷枪的设计 等离子喷枪是产生等离子非转移弧的发生装置。整个等离子喷涂系统中的水、气、粉、电等都在喷枪中集中作业，通过喷涂枪产生的等离子弧使喷涂粉末加热到熔融状态，并喷工件的表面，从而获得所需要喷涂层。喷涂枪结构的好坏对热能的利用率、喷枪的使用寿命、喷涂工艺规范的选择和涂层的质量等方面有着非常重要的影响。因此，等离子喷枪是等离子喷涂设备中最为关键的部件之一。 传统的等离子 喷枪仍存在能量消耗大、粉末沉积率低、喷枪寿命短等缺点，本章将从送粉方式、送气方式、喷嘴形状、阴极与钨极座等方面入手，优化设计出高沉积率、寿命长的等离子喷枪，从而节约了喷涂材料和喷涂设备，降低了喷涂能耗。 离子喷枪的基本结构 等离子喷枪作为等离子喷涂技术的核心装置之一，它的构成主要包括三个部分，分别是枪体阳极（喷嘴）组件、阴极（钨极）组件和绝缘体组件。除此之外，喷涂装置还包括送粉组件、供气组件、供水组件和电缆及接口等部件。等离子枪体除了具有一般的电器特征外，还要保证其良机应具有较好的冷却条件。阴极与阳极配合后的气体通道要有很好的层流喷射条件，即常说的水、电、气特征。对于外送粉的送粉管要安装在枪体的前端面上，也可以采用两个，且能够方便地调节入射口与射流轴线间的距离或角度。对于内送粉结构，因为喷嘴内存在送粉的孔道，在同时考虑电弧通道、送粉和冷却等问题时，使得喷嘴及喷涂枪的结构变得比较复杂。另外，为适应不同材料对喷涂功能等的要求，同一种喷枪可以有多个不同类型的喷嘴配套。典型的外送粉式等离子喷枪的结构 如图 2 4。 图 2典型外送粉式等离子喷枪结构 充值购买 费领取图 纸 离子喷枪基本参数的选择 根据实 验室的现有设备，参照国内外等离子喷涂枪设计经验和实验室的实际需要 ，考虑到本枪的结构特点，如采用较大工作参数时，将导致枪体零部件的一定程度损坏，故尽量选择较小工作参数。因此，选取工作电压为：纯 氛时电压 2030V， 2（ 10%20%）时电压 3040V3。可用性和经济性是送粉气体的选择原则， 便宜，且离子焰热焓高，传热快，利于粉末的加热和熔化，但对于易发生氮化反应的粉末或基体则不可采用。 电离电位较低，等离子弧稳定且易于引燃，弧焰较短，适于小件或薄件的喷涂，此外 还有很好的保护作用，但 的热焓低，价格昂贵 18。初步选取电流为 100200A；电压为 2030V，功率选择为 510粉气体为氮气（ 由于阴极发射热电子并承受很大能量的正离子轰击，电极温度高达 24 103 K 以上，局部热负荷相当高。因此，在本实验中，我们选择熔点高、电子发射能力强的钨棒作为阴极，根据喷涂枪的设计要求取阴极的直径为 6喷涂时的电流密度越小时，阴极温度就越低，使用寿命就越长，但喷涂枪的结构将会增大，故要综合考虑阴极尺寸与几何形状 4。 离 子喷枪结构的基本设计要求 (1) 要求具有很好的冷却效果 等离子喷涂枪产生的电弧属于非转移型电弧。工作气体需经过水冷喷嘴才能对电弧进行良好压缩而产生稳定的等离子弧，它的阳极斑点落在喷嘴内壁上，从而增加了喷嘴的热负荷，使喷嘴容易烧损。因此，必须对喷枪进行很好的冷却，同时良好的冷却条件也有利于对等离子弧的压缩作用，提高等离子焰流的喷射力。喷涂时所采用的冷却水压力一般为 (2) 对喷嘴和阴极的安装要求 为了在高频引弧时，使电极尖端四周能产生均匀放电火花，这就要求喷嘴与阴极在安装后的同心 度要高，若同心度偏低，容易引起喷嘴的烧损和降低其使用寿命。喷嘴与阴极在安装后的间隙要求比较严格，若阴极为固定式，则要求靠整个零件的装配尺寸链来保证它们之间的间隙；若阴极为可调式，则调节要求方便可靠。 (3) 对绝缘性能的要求 喷涂枪的绝缘性能要可靠，特别对正、负极间要有良好的绝缘性能，要求耐压达 5000 伏以上。 (4) 对密封性能的要求 充值购买 费领取图 纸 整个喷涂枪的密封性能要高，使用时保证不漏水和不漏气。密封件一般采用耐高温的“ O”型密封圈。 (5) 对喷涂枪的结构要求 整个喷涂枪的结构要紧凑，体积要小，重量要轻 。 因喷嘴是一个易损件，故它的几何形状要简单，以便于切削加工，更换方便。 离子喷枪结构方案的选择 粉方式的选择 无论国外还是国内，按照送粉方式可以分为外送粉、内送粉、轴向送粉三种方式 5。 (