行星式研磨機以及研磨方法
2023-05-15 23:24:56
行星式研磨機以及研磨方法
【專利摘要】本發明公開一種行星式研磨機。該行星式研磨機包括：自平衡研磨組件，該自平衡研磨組件包括被布置成與主軸線平行並且布置於該主軸線的相對側上的一對細長浮動研磨室，其中所述研磨室沿與主軸線徑向的方向自由地向外移動；驅動組件，該驅動組件用於使研磨組件圍繞主軸線沿第一旋轉方向旋轉；以及至少一個帶，該至少一個帶包繞所述一對浮動研磨室，使得當研磨組件圍繞主軸線旋轉時，該至少一個帶限制研磨室中的每一個研磨室徑向向外行進。
【專利說明】行星式研磨機以及研磨方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及行星式研磨機以及研磨方法。具體而言，本發明涉及具有冷卻系統的高G力浮動行星式研磨機。
【背景技術】
[0002]能夠在被處理的粉末上產生巨大重力或G力的行星式研磨機建造成本高並且由於其高旋轉速度而難以平衡。此外，給定由研磨過程產生的發熱和旋轉部件的摩擦，需要冷卻以避免在連續操作長時間周期時損壞關鍵部件以及將被研磨的粉末保持在冷卻溫度下。給定良好平衡和操作行星式研磨機所需的緊密度容限以及低標準研磨粉末，操作期間部件的傳熱和加熱不充分可能由於膨脹而造成損壞。必須受到冷卻的關鍵部件例如包括典型地用於支承研磨室的巨大軸承。
[0003]現有技術的冷卻方法包括簡單的直接接觸方法，其中冷卻流體(例如水)使用噴射口被引向將被冷卻的部件。然而，該方法的效率受到噴射口的設計以及用於傳熱的有效接觸表面積的限制。備選地，部件能夠被內部冷卻，然而，這種冷卻系統的設計由於部件的高旋轉速度而非常複雜。
[0004]此外，給定用於支承行星式研磨機系統的旋轉部件的巨大離心力，部件必須被增強或者可以具有有限的容量，由此增加組件的成本並且降低使用該組件研磨的成本效率。
【發明內容】
[0005]為了解決上文和其它的缺點，提供一種行星式研磨機，該行星式研磨機包括:自平衡研磨組件，該自平衡研磨組件包括被布置成與主軸線平行並且布置於該主軸線的相對側上的一對細長浮動研磨室，其中所述研磨室沿與主軸線徑向的方向自由地向外移動；驅動組件，該驅動組件用於使研磨組件圍繞主軸線沿第一旋轉方向旋轉；以及至少一個帶，該至少一個帶包繞一對浮動研磨室,使得當研磨組件圍繞主軸線旋轉時，該至少一個帶限制研磨室中的每一個研磨室徑向向外行進。
[0006]還提供一種用於操作一對細長研磨室的方法，該方法包括:將研磨室布置在第一水平中心軸線的任一側上並且與該第一水平中心軸線平行；使一對研磨室圍繞第一軸線沿第一旋轉方向旋轉，其中一對研磨室能夠沿與第一旋轉方向徑向的方向自由行進；限制一對研磨室中的每一個研磨室沿與第一旋轉方向徑向的方向行進，使得當一對研磨室中的一個研磨室向外移動給定距離時，所述一對研磨室中的另一個研磨室向內移動該給定距離。
[0007]此外，提供一種研磨機，該研磨機包括:一對細長圓柱形研磨室,所述一對細長圓柱形研磨室被布置成與主軸線平行並且布置於該主軸線的相對側上；驅動組件，該驅動組件用於使研磨組件圍繞主軸線沿第一旋轉方向旋轉；以及至少一個帶，該至少一個帶包繞所述一對研磨室並且定位成朝向所述一對研磨室的中心。
【專利附圖】
【附圖說明】[0008]在附圖中:
[0009]圖1是根據本發明的說明性實施例的行星式研磨機的提升左前透視圖；
[0010]圖2是根據本發明的說明性實施例的研磨組件的提升左前透視圖；
[0011]圖3是沿圖2中的線II1-1II的剖視透視圖；
[0012]圖4是根據本發明的說明性實施例的用於行星式研磨機的驅動組件的提升左前透視圖；
[0013]圖5是詳細示出了驅動帶的路徑並且根據本發明的說明性實施例的驅動組件的側平面圖；
[0014]圖6A至圖6C以逐漸增大的放大率提供了將使用本發明的行星式研磨機研磨的鋁粉的例子；以及
[0015]圖7A至圖7C以逐漸增大的放大率提供了研磨之後圖6A至圖6C的相同的納米結構招粉。
【具體實施方式】
[0016]通過下文的非限制性例子以更多細節說明了本發明。
[0017]現在參照圖1，並且根據本發明的說明性實施例，現在將描述大體使用附圖標記10表示的行星式研磨機。行星式研磨機10包括定位在殼體14內的自平衡研磨組件12以及一對驅動組件16、18。殼體14 (僅示出一個半部)封裝研磨組件12並且提供隔音和隔熱以及對冷卻流體等的包含。殼體14還提供對研磨組件12的支承並且就這方面而言由具有足夠剛度和強度的材料(例如增強鋼板等)製成以支承研磨組件12的重量以及研磨組件12在操作期間所產生的力。
[0018]仍然參照圖1,例如大型(說明性地IOOhp)專用馬達或者具有動力輸出(PTO)(例如拖拉機等)的其它機械設備的旋轉動力源(未示出)附接到用於為研磨機提供動力的驅動小齒輪20。此外，還提供冷卻系統(同樣未示出)，該冷卻系統包括冷卻劑源以及用於將冷卻劑引導至研磨組件12上的位於殼體14內的泵、管和噴嘴的系統。備選地，並且在特定實施例中，研磨組件12能夠通過將研磨組件12浸入到液氮(同樣未示出)中來在低溫下操作。
[0019]現在參照圖2，自平衡研磨組件12包括一對相對的細長浮動研磨室22、24。研磨室22、24被布置成與主軸線A平行並且被布置在該主軸線A的相對側上。研磨室22、24大體自由浮動並且在與主軸線A徑向的方向上自由向外移動但是通過並排布置且包繞研磨室22、24的多根帶26保持就位。此外，相對的橡膠輪28用於限制研磨室24、26沿與主軸線A切向的方向的行進。如下文將看到的，允許研磨室22、24通過該方式自由向外浮動允許研磨組件12自平衡，由此允許較高的操作速度並且/或者減少噪聲。此外，給定用於支承研磨室22、24的高旋轉力，缺少軸承作為用於將研磨室保持就位的裝置提高了研磨組件12的耐久性並且減少了維護。此外，由於否則將需要的用於支承研磨室22、24中的每一個研磨室的軸承必須非常大並且因此沉，因此給定所涉及的力的話，提供多個帶26降低了研磨組件12的總體重量。帶26由能夠傳導熱的強耐腐蝕材料製成，例如鋼鏈帶(滾子鏈)等。使用帶26而不是軸承等支承研磨室22、24的進一步的優點在於研磨室22、24不必被機器加工，機器加工通常是高成本的。[0020]如上文所討論的，在特定實施例中，帶26是包括多個鏈節(未示出)的鏈帶。為了降低滾動摩擦並且允許平滑旋轉，應當使用相對於研磨室22、24的直徑具有相對較小螺距的鏈帶的鏈節。在實踐中，具有小於研磨室的外周半徑的大約1/8的螺距的鏈已被證明有效。在特定實施例中，多個帶26中的若干或全部都能夠由單個寬帶代替，例如多股鏈帶
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[0021]仍然參照圖2，每一個研磨室22、24都包括:中空鼓30，粉末和介質被放置在該中空鼓30中；以及位於鼓的任一端處的鏈輪32，該鏈輪32包括多個齒34。每一個鏈輪32都由行星式驅動帶36驅動，該行星式驅動帶36例如由鋼鏈帶、聚氨酯、或複合材料(例如碳纖維)等耐腐蝕材料製成，該行星式驅動帶36隨後由驅動鏈輪38驅動。假定同步帶36由驅動鏈輪38在外側驅動，則提供輪40。此外，為了保持同步帶36上的張力，提供張緊帶輪42。如現在對於本領域普通技術人員將顯而易見的，隨著驅動帶輪38沿圍繞第一軸線A的方向旋轉，研磨室22、24中的每一個研磨室都沿相反方向旋轉，如圖所示。一系列突出螺栓43被設置在研磨室22、24中的每一個研磨室的任一端上，以用於附接可移除密封板(未示出)，由此保持材料在鼓30內被研磨。
[0022]通過該方式由一個或多個帶26支承研磨室22、24的額外的優點在於給定操作期間通過帶提供相反支承，能夠使用長得多的鼓30 (或者具有較薄側壁的鼓30)，由此改進組件的總體容量，或者允許使用結構成本較低的研磨室22、24。因此，帶能夠與包括在任一端處例如由軸承等支承的室的研磨機組件一起使用，以便改進總體容量。
[0023]仍然參照圖2，橡膠輪28通過與研磨機一起旋轉的金屬框架44保持就位。
[0024]參照圖3，如上文所討論的，研磨機室22、24大體自由浮動但是通過多個帶26以及相對的橡膠輪28保持就位。另一組橡膠輪46保證了研磨室22、24在加載室以及操作期間相對於多個帶26牢固地定位。輪46在加載期間支承研磨機室22、24並且還在以最大速度旋轉時保持研磨機室22、24儘可能靠近其相應的軌跡。此外，研磨機室22、24由不是完美圓形的圓柱製成並且因此由柔性材料(例如橡膠)製造輪46允許其彎曲以進行補償。
[0025]現在參照圖4，驅動組件16、18通過主驅動軸48和反向驅動軸50相互連接。一對驅動鏈輪52、54朝向主驅動軸48的相應端部定位。類似地，一對反向驅動鏈輪56 (其中的一個未示出)朝向反向驅動軸50的相應端部定位。驅動帶58(例如鋼鏈帶等)將驅動小齒輪20與其相應的驅動鏈輪52和相應的反向驅動鏈輪56相互連接。提供一對額外的鏈輪60以及張緊帶輪62以保證驅動帶58的正確行進路徑，該張力被保持在驅動帶58上並且足夠量的驅動帶58始終與鏈輪中給定的一個鏈輪相接觸。本領域普通技術人員現在將理解，當旋轉動力源被供給至驅動小齒輪20時，旋轉力通過驅動帶58傳遞給主驅動軸48和反向驅動軸50。本領域技術人員還將領會，假設主驅動鏈輪52和反向驅動鏈輪56具有不同半徑，則反向驅動軸50將比主驅動軸48旋轉得更快。
[0026]仍然參照圖4，第二對驅動鏈輪64、66附接到反向驅動軸50以用於與該反向驅動軸50 —起旋轉。第二對驅動鏈輪64、66中的每一個驅動鏈輪都通過一對第二驅動帶72、74與相應的研磨機室驅動組件68、70相互連接。研磨機室驅動組件68、70能夠通過提供軸承或襯套等(未示出)圍繞主驅動軸48自由旋轉。研磨機室驅動組件68、70中的每一個研磨機室驅動組件都包括從動鏈輪76、78，所述從動鏈輪76、78被第二驅動帶72、74中相應的一個驅動帶驅動，並且驅動嵌齒(driving cog) 38 (如上文參照圖2所討論的)提供用於使研磨機室22、24旋轉的旋轉力。值得注意的是，第二對驅動鏈輪64、66中的每一個都比其相應的從動鏈輪76、78大。因此，本領域普通技術人員現在應當理解，研磨機室驅動組件68、70並且因此驅動嵌齒38以比主驅動軸48的速率高得多的速率圍繞驅動軸48旋轉。還提供張緊鏈輪80以保證第二驅動帶72、74保持受到張力並且足夠量的第二驅動帶72、74始終保持與鏈輪中給定的一個鏈輪相接觸。
[0027]仍然參照圖4，應當注意到，如圖所示的行星式研磨機包括兩個匹配的驅動組件16,18以及第二驅動小齒輪80，由此允許第二獨立旋轉動力源被附連。備選地，第二驅動小齒輪82能夠與第二行星式研磨機(未示出)的驅動小齒輪20相互連接,從而允許兩個(或多個)研磨機由相同的動力源驅動。在備選實施例中，能夠僅提供單個驅動組件16、18。
[0028]現在參照圖5，如上文所討論的，旋轉力(說明性地為逆時針)被施加於驅動小齒輪20，該驅動小齒輪20隨後沿順時針方向通過驅動帶58來驅動主驅動軸48和反向驅動軸50。如上文所討論的，本領域技術人員將顯而易見的是，給定驅動小齒輪20以及驅動鏈輪52和第二驅動鏈輪64的相對尺寸，主驅動軸48以比反向驅動軸50的速率慢的速率旋轉。主驅動軸48的旋轉速度確定研磨室22、24沿軌道路徑B在順時針方向上圍繞主驅動軸48的軸線(見如圖2和圖4中詳細示出的軸線A)盤旋的速度。
[0029]仍然參照圖5，第二驅動鏈輪64通過第二驅動帶72驅動從動鏈輪76，並且因此對驅動鏈輪38進行驅動。除了圖5再次參照圖2，驅動鏈輪38隨後驅動一對行星式驅動帶36，所述一對行星式驅動帶36使研磨室22、24沿與研磨組件12的方向相反的方向(在該情況下，順時針方向)圍繞研磨室22、24中的每一個研磨室的相應軸線旋轉，由此產生行星式研磨運動。應當注意到，儘管本說明性實施例中的研磨室22、24被示為沿與研磨組件12的方向相反的方向旋轉，但是在特定實施例中並且通過對驅動組件16、18適當的改型，研磨室22、24能夠沿與研磨組件12的方向相同的方向旋轉。
[0030]仍然參照圖5，如本領域普通技術人員現在將理解的，能夠通過對相關鏈輪的適當選擇來確定研磨組件12的旋轉速度或速率相對於研磨室22、24的旋轉速度或速率。典型地，研磨室22、24以比研磨組件12的速率略高的速率旋轉(說明性地二(2)至四(4)倍之間)，但是不存在實際限制。儘管選擇在某種程度上將取決於行星式研磨機10的特定應用，但是在一個實施例中，研磨組件12以150RPM的速度圍繞主軸線A旋轉並且研磨室22、24以300RPM的速度圍繞其相應軸線旋轉。
[0031]再次參照圖1，在特定實施例中，行星式研磨機10還包括用於將保護性氣體(例如氮或氬等)引入研磨室22、24中的氣體輸送系統。就這方面而言，驅動研磨機的主驅動軸48是中空的並且配合到柔性管(例如塑料管(未示出))內側，以用於輸送以一定角度沿軸的長度在一端處進入軸並且在大約半道處離開軸的氣體。該管附接到多個帶26內側的金屬框架44並且定位成使得其在鏈輪與驅動帶之間通過框架44的外側。管通過T形連接器終止，其中T形的一個分支延伸至其相應的研磨室22、24的端部。每一個分支都使用旋轉接頭(swivel)(同樣未示出)附接到其相應的研磨室22、24，該旋轉接頭允許研磨室22、24自由旋轉。
[0032]氣體供給部使用旋轉接頭附接到主驅動軸48內的中空管的自由端，因此允許主驅動軸48自由旋轉。以類似的方式並且在特定實施例中，能夠提供一系列返回管，從而允許氣體在操作期間循環。[0033]該系統用於首先充注氣體並且在操作期間補充氣體。然而，在備選實施例中，在研磨室22、24填充有將被研磨的粉末、並且研磨室22、24被密封的同時，研磨室22、24能夠簡單地填充保護性氣體。
[0034]總體而言，假定涉及高旋轉和摩擦力並且為了實現用於良好傳熱以用於冷卻，行星式研磨機10的主要元件由熱傳導耐腐蝕材料(例如鋼或鈦等)製成。此外，如上文所討論的，提供了冷卻系統(儘管未示出)，該冷卻系統包括冷卻的冷卻劑(例如水等)的源以及用於在操作期間將冷卻劑噴射到研磨組件12上的泵和一系列噴嘴。具體而言並且再次參照圖2，提供與中空鼓30中的每一個中空鼓30的外表面84相接觸的多個帶26並且假定所述帶由傳導材料(例如鋼鏈帶等)製成，提供增大的傳熱，由此改進冷卻系統的總體操作。此外，假定多個帶26在操作期間支承研磨室24、26並且因此與中空鼓30中的每一個中空鼓30的外表面84相接觸，多個帶26用於從表面84去除汙垢和其它碎屑並且磨光外表面，由此改進導熱性以及所獲得的傳熱。
[0035]在操作中，典型地等量的將被研磨的粉末與摩擦介質(例如不鏽鋼球軸承等(未示出))一起被放置在研磨室22、24中的一個或另一個中。典型地，需要介質中的粉末的大約10至30倍的重量，以便實現良好的結果。
[0036]本發明的行星式研磨機10能夠產生例如100_2001bs生產量的納米結構粉末。
[0037]本發明的行星式研磨機12的一個特定應用是在全部粉末中引入納米結構。通過舉例的方式，鋁合金5083(AA5083)粉末根據以下參數使用本發明的行星式研磨機12被研磨:
[0038].添加到研磨室的粉末=-325mesh, AA5083 (Valimet, Stockton, CA)，振實密度=
1.7g/cc ;顆粒尺寸分布(Horiba LA-920 顆粒尺寸分析器):D10 = 6 μ m ；D50 = 14 μ m ；D95=40 μ m ;根據Scherrer方法估算出的平均微晶尺寸=204nm ；
[0039].添加到研磨室的研磨介質=1/4』 』 440C不鏽鋼球(Royal Steel BallProducts, Sterling, Illinois)；
[0040].研磨介質與粉末的質量比=20:1 ；
[0041].研磨組件12圍繞中心軸線A的旋轉速度=150rpm ；
[0042].每一個研磨室24、26圍繞其相應軸線的旋轉速度=300rpm(圍繞中心軸線沿相反的旋轉方向)；
[0043].研磨時間=4小時；
[0044].冷卻流體(水)溫度=8 0C ；
[0045].研磨室24、26在密封和開始過程之前通過氮氣吹掃；
[0046]?研磨室24、26中的起始壓力~I大氣壓；
[0047].氮氣在研磨過程期間被連續添加至研磨室24、26 ；
[0048].研磨室中 的壓力在整個過程中被監測並且被保持在略微高於I大氣壓；並且
[0049].不使用表面控制劑(例如硬脂酸、油酸等)。
[0050]向研磨室24、26添加惰性氣體保證了保持惰性大氣並且因此阻止氧化等。
[0051]現在參照圖6A至圖6C，研磨之後，所產生的納米結構的AA5083粉末具有以下特性:
[0052].振實密度=1.45g/cc[0053]?顆粒尺寸分布(Horiba LA-920 顆粒尺寸分析器):D10 = 73 μ m ；D50 = 117 μ m ;D95 = 255 μ m
[0054].根據Scherrer方法估算出的平均微晶尺寸=26nm
[0055]儘管上文的說明性實施例，但是本發明的行星式研磨機10能夠用於目前使用能量研磨機的多種其它的特定應用，例如複合氧化物的機械化學處理、化學轉化、機械合金化、製造金屬間化合 物粉末、處理金屬陶瓷複合材料、金屬粉末的表面改性、放電等離子燒結的前體、機械化學摻雜、材料的軟機械化學合成、用於表面激活的顆粒減少等。 [0056]儘管上文已通過其特定實施例對本發明進行了描述，但是能夠在不偏離如所附權利要求中所限定的主題發明的精神和本質的前提下對本發明進行改型。
【權利要求】
1.一種行星式研磨機，所述行星式研磨機包括: 自平衡研磨組件，所述自平衡研磨組件包括被布置成與主軸線平行並且布置於所述主軸線的相對側上的一對細長浮動研磨室，其中所述研磨室沿與所述主軸線徑向的方向自由地向外移動； 驅動組件，所述驅動組件用於使所述研磨組件圍繞所述主軸線沿第一旋轉方向旋轉；以及 至少一個帶，所述至少一個帶包繞所述一對浮動研磨室，使得當所述研磨組件圍繞所述主軸線旋轉時，所述至少一個帶限制所述研磨室中的每一個研磨室徑向向外行進。
2.根據權利要求1所述的行星式研磨機，所述行星式研磨機包括並排布置的多個所述帶。
3.根據權利要求1所述的行星式研磨機，其中所述至少一個帶和所述研磨室由熱傳導材料製成，其中所述研磨室在研磨期間產生熱並且進一步其中所述帶通過傳導所述熱離開所述研磨室來冷卻所述研磨室的外表面。
4.根據權利要求3所述的行星式研磨機，其中所述至少一個帶拋光所述室的外表面，由此改進所述至少一個帶的內表面與所述研磨室的所述外表面之間的傳導接觸。
5.根據權利要求1所述的行星式研磨機，其中所述驅動組件使所述研磨室中的每一個研磨室沿第二旋轉方向圍繞其相應軸線旋轉。
6.根據權利要求5所述的行星式研磨機，其中所述第二旋轉方向與所述第一旋轉方向相反。
7.根據權利要求5所述的行星式研磨機，其中所述驅動組件包括單個運動動力源。
8.根據權利要求1所述的行星式研磨機，其中所述至少一個帶包括鏈帶。
9.根據權利要求1所述的行星式研磨機，其中所述研磨室具有基本相同的尺寸和重量並且進一步其中所述研磨室與所述主軸線等距布置。
10.根據權利要求1所述的行星式研磨機，其中所述至少一個帶的組合寬度大於所述研磨室中的一個研磨室長度的至少一半。
11.根據權利要求1所述的行星式研磨機，所述行星式研磨機還包括包圍所述研磨室的外殼以及冷卻系統，所述冷卻系統包括用於將冷卻劑引導至所述研磨室上的至少一個噴嘴。
12.—種用於操作一對細長研磨室的方法，所述方法包括: 將所述研磨室布置在第一水平中心軸線的任一側上並且與所述第一水平中心軸線平行； 使一對研磨室圍繞所述第一軸線沿第一旋轉方向旋轉，其中所述一對研磨室能夠沿與所述第一旋轉方向徑向的方向自由行進； 限制所述一對研磨室中的每一個研磨室沿與所述第一旋轉方向徑向的所述方向行進，使得當所述一對研磨室中的一個研磨室向外移動給定距離時，所述一對研磨室中的另一個研磨室向內移動所述給定距離。
13.根據權利要求12所述的方法，其中所述細長研磨室中的每一個細長研磨室都具有中心軸線並且還包括使所述一對研磨室中的每一個研磨室圍繞其相應中心軸線旋轉。
14.根據權利要求13所述的方法，其中所述細長研磨室中的每一個細長研磨室的旋轉方向都與所述第一旋轉方向相反。
15.根據權利要求12所述的方法，其中所述限制所述一對研磨室中的每一個研磨室行進包括提供至少一個鏈帶，所述至少一個鏈帶包圍所述兩個研磨室。
16.根據權利要求13所述的方法，其中所述研磨室中的每一個研磨室圍繞其相應軸線的旋轉速度是所述研磨室圍繞所述中心軸線的旋轉速度的二(2)至四(4)倍之間快。
17.一種研磨機，所述研磨機包括: 一對細長圓柱形研磨室，所述一對細長圓柱形研磨室被布置成與主軸線平行並且布置於所述主軸線的相對側上； 驅動組件，所述驅動組件用於使所述研磨組件圍繞所述主軸線沿第一旋轉方向旋轉；以及 至少一個帶，所述至少一個帶包繞所述一對研磨室並且定位成朝向所述一對研磨室的中心。
18.根據權利 要求17所述的研磨機，所述研磨機包括並排布置的多個所述帶。
19.根據權利要求17所述的研磨機，其中所述至少一個帶是鏈帶。
20.根據權利要求19所述的研磨機，其中所述至少一個鏈帶具有小於所述細長圓柱形研磨室中任一個細長圓柱形研磨室的外表面半徑的1/8的螺距。
【文檔編號】B02C17/08GK103974775SQ201280058654
【公開日】2014年8月6日 申請日期:2012年11月29日 優先權日:2011年11月29日
【發明者】P·布朗夏爾, T·阿杜那, G·E·基姆 申請人:N-威爾克茲公司