一种用于球形空心粉末的分选装置及方法与流程

1.本发明涉及金属粉末分选设备技术领域，尤其涉及一种用于球形空心粉末的分选装置及方法。


背景技术：

2.近年来随着金属3d打印、热等静压等粉末冶金技术在航空航天、生物医疗等领域的应用越来越广，对粉末原料的品质例如球形度、纯度和空心粉率等指标提出了更高的要求。粉末的球形度影响了3d打印过程粉体的流动性，粉末的氧含量决定了成形制品的力学强度，而在3d打印过程中粉体中较多的空心粉会导致打印成品零件中存在气孔缺陷，此类缺陷在后续处理中难以消除，将大大地影响零件的疲劳性能。目前金属粉末的球形度和氧含量已经有较成熟的检测和评价指标，而且目前常用的金属粉末筛分方法如振动、气流筛分机主要是按照粉末直径大小进行分级，而针对空心粉的分选技术目前发展并不成熟，成为制约金属3d打印、热等静压等粉末冶金技术进一步发展的瓶颈。
3.目前常用的金属粉末筛分方法是振动或者气流筛分机。振动筛分机是利用超频振动作用于固定目数（网孔直径）的筛网，小于网孔直径的粉末进入筛网下，大于网孔直径的粉末留在筛网上；气流筛分机是气流做载体，使粉末微粒以足够大的动能向固定目数（网孔直径）的筛网喷射，达到快速分级。而上述筛分方法的根本原理都是根据粉末直径大小匹配相应直径的网孔实现粉末的分级。但是空心粉末的特点是内部存在孔洞，本质上是一种外观呈球形的残次粉，利用筛网按照粒径大小无法将其分离出来。因此，有必要提供一种新的技术方案改善上述方案中存在的一个或者多个问题。
4.需要注意的是，本部分旨在为权利要求书中陈述的本发明的实施方式提供背景或上下文。此处的描述不因为包括在本部分中就承认是现有技术。


技术实现要素：

5.本公开的目的在于提供一种用于球形空心粉末的分选装置及方法，进而至少在一定程度上克服由于相关技术的限制和缺陷而导致的一个或者多个问题。
6.根据本发明的第一方面，提供一种用于球形空心粉末的分选装置，包括：进料部，用于输送待分选粉末；第一气流管，呈水平放置，且与所述进料部连通，以便于所述待分选粉末落入该第一气流管内，且该第一气流管内设置有多个孔径依次减小的筛网，以通过气流带动所述待分选粉末穿过所述筛网，完成对所述待分选粉末的粒径筛分；其中，在多个所述筛网的侧边对应设置有多个粉末暂存口，多个该粉末暂存口用于接收未穿过与该粉末暂存口对应的所述筛网的粉末；第二气流管，位于所述第一气流管下方，与该第一气流管平行设置，且与所述第一气流管通过所述粉末暂存口连通；多个第一集粉桶，设置于所述第二气流管下方，用于收集经所述粉末暂存口落下
并被气流吹动第一预设水平距离的实心粉末；多个第二集粉桶，设置于所述第二气流管下方，且该第二集粉桶位于所述第一集粉桶的后方，用于收集经所述粉末暂存口落下并被气流吹动第二预设水平距离的空心粉末。
7.本发明中，一个所述粉末暂存口对应设置有一个所述第一集粉桶和一个所述第二集粉桶，且所述第一预设水平距离和第二预设水平距离的值通过预设数据计算得出。
8.本发明中，所述预设数据包括：粉末材质、由所述粉末暂存口落下的所述粉末的粒径范围、所述第二气流管内的气流流速和所述第二气流管下管壁距所述粉末暂存口的竖直距离。
9.本发明中，所述实心粉末和所述空心粉末的下落速度由以下公式计算得出：其中，y为粉末下落距离，为流体粘滞系数，为粉末半径，m为粉末质量。
10.本公开的实施例中，所述实心粉末和所述空心粉末的下落时间由以下公式计算得出：b其中，为流体粘滞系数，为粉末半径，m为粉末质量，为所述实心粉末和空心粉末的下落速度。
11.本发明中，所述第一预设水平距离和所述第二预设水平距离的值由以下公式计算得出：其中，，为粉末半径，为粉末与第二气流管内的气流之间相对运动速度。
12.本发明中，所述第一集粉桶和第二集粉桶的宽度与所述第二气流管的宽度相同，所述第一集粉桶和第二集粉桶的长度通过由所述粉末暂存口落下的所述粉末的粒径范围计算得出。
13.本发明中，多个所述筛网与水平方向的夹角介于30
°
~60
°
之间。
14.本发明中，与所述筛网相对且位于所述粉末暂存口侧边设置有弧片，以通过该弧片使得所述待分选粉末通过气流的吹动落到所述筛网的上半部。
15.本发明中，所述弧片下端与所述第一流道管底面相切，且该弧片所对应的圆心角介于15
°
~45
°
之间。
16.本发明中，所述第二气流管下管壁及两侧管壁由可伸缩胶皮密封连接制成，以便于调节所述第二气流管的高度。
17.本发明中，该装置还包括旋风分离器，该旋风分离器设置于所述第一气流管与第二气流管的末端，以将通过多个所述筛网后的剩余粉末分离出以便于收集。
18.根据本发明的第二方面，提供一种用于球形空心粉末的分选方法，该方法应用于
上述任一项所述的用于球形空心粉末的分选装置，该方法包括：向水平设置的第一气流管内输送待分选粉末；所述第一气流管通过其中设置的多个筛网以及结合气流的吹动对进入的所述待分选粉末按照粒径进行筛分；使未通过所述筛网的粉末进入筛网侧边设置的粉末暂存口中；通过设置在所述第一气流管下方且与所述第一气流管平行的第二气流管接收所述粉末暂存口中的粉末；通过所述第二气流管内的气流完成对粉末中实心粉末和空心粉末的分选，并通过该第二气流管下方设置的第一集粉桶收集所述实心粉末，及设置在所述第一集粉桶后侧的第二集粉桶收集所述空心粉末。
19.本发明提供的技术方案可以包括以下有益效果：本发明中，通过上述提供的用于球形空心粉末的分选装置及方法，一方面，通过分选装置中粉末暂存口的设置，能够将一定粒径范围内的粉末进行收集，然后通过对该粒径范围内的粉末通过气流进行实心粉末和空心粉末的分选，并将实心粉末和空心粉末分别收集至第一集粉桶和第二集粉桶，从而在一定程度降低用于3d打印的粉末原料的空心粉率；另一方面，本发明通过详细的计算方法得出了第一预设水平距离和第二预设水平距离的值，确定出了第一集粉桶和第二集粉桶的放置位置，从而使得整个分选装置的结构更加合理化，而且能够在一定程度上提高对于空心粉末分选的效率。
附图说明
20.图1示出本公开示例性实施例中分选装置的结构示意图；图2示出本公开示例性实施例中分选原理示意图；图3示出本公开示例性实施例中分选方法流程图。
21.图中：进料部100；第一气流管200；筛网101；粉末暂存口102；第二气流管300；第一集粉桶300；第二集粉桶400；弧片103；旋风分离器500；粉桶501。
具体实施方式
22.现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的范例；相反，提供这些实施方式使得本公开将更加全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施方式中。
23.此外，附图仅为本公开的示意性图解，并非一定是按比例绘制。图中相同的附图标记表示相同或类似的部分，因而将省略对它们的重复描述。附图中所示的一些方框图是功能实体，不一定必须与物理或逻辑上独立的实体相对应。
24.本示例实施方式中首先提供了一种用于球形空心粉末的分选装置。参考图1中所示，该装置包括：进料部100、第一气流管200、第二气流管300、多个第一集粉桶300和多个第二集粉桶400。
25.进料部100用于输送待分选粉末；第一气流管200呈水平放置，且与所述进料部100连通，以便于所述待分选粉末落入该第一气流管200内，且该第一气流管200内设置有多个
孔径依次减小的筛网101，以通过气流带动所述待分选粉末穿过所述筛网101，完成对所述待分选粉末的粒径筛分；其中，在多个所述筛网101的侧边对应设置有多个粉末暂存口102，多个该粉末暂存口102用于接收未穿过与该粉末暂存口102对应的所述筛网101的粉末；第二气流管300位于所述第一气流管200下方，与该第一气流管200平行设置，且与所述第一气流管200通过所述粉末暂存口102连通；多个第一集粉桶300设置于所述第二气流管300下方，用于收集经所述粉末暂存口102落下并被气流吹动第一预设水平距离的实心粉末；多个第二集粉桶400设置于所述第二气流管300下方，且该第二集粉桶400位于所述第一集粉桶300的后方，用于收集经所述粉末暂存口102落下并被气流吹动第二预设水平距离的空心粉末。
26.具体的，本示例的主要原理是根据空心粉末的本质特点，即同一尺寸粒径的同材质粉末，由于空心粉末内部孔洞的存在相较于实心粉末比重小，在同样外力的作用下，空心粉末的运动轨迹与实心粉末的运动轨迹不同，最终的落地点也不一样，从而实现空心粉末与实心粉末的分离。本示例具体通过分选装置完成对空心粉末的分选，从而降低用于3d打印的粉末原料的空心粉率，该装置首先通过水平放置的第一气流管200将粉末按照粒径进行筛分，具体为第一气流管200内设置有多个筛网101，多个筛网101之间的距离可设置为相同的距离，但不限于此，且按照气流行进方向筛网101的孔径依次减小，该筛网101配合第一气流管200内的气流能够较好的实现对于粉末按照粒径大小的筛分。
27.另外，在每一个筛网101的前侧还设置有一个粉末暂存口102，该粉末暂存口102开设于第一气流管200的下底面，用于收集粉末粒径大于对应筛网101孔径而被筛分下来的粉末，由于被筛分下来的粉末粒径间的差值很小，但粉末中包含实心粉末和空心粉末，因此，使粉末暂存口102的粉末落入第二气流管300，第二气流管300内的气流将会给进入的粉末作用力，从而将粉末中的空心粉末和实心粉末分离开，并根据实际计算的实心粉末和空心粉末的水平运动距离确定第一集粉桶300和第二集粉桶400的设置位置，以便于第一集粉桶300收集实心粉末，第二集粉桶400收集空心粉末。
28.具体计算原理为：粉末在第二气流管300中的运动可以按照矢量分解为水平运动和竖直运动，计算得出的水平距离是第二气流管300中第一集粉桶300或第二集粉桶400相对于前面最近的粉末暂存口102的水平距离；计算所用的粉末下落的距离是第二气流管300下管壁距离粉末暂存口102的竖直距离。根据研究，粉末与气体发生相对运动受到的阻力或者动力与雷诺数re有关，re较小时，力为斯托克斯力；re较大时，力为，为流体粘滞系数，为粉末半径，为粉末与气体之间相对运动速度。
29.粉末在下落过程中re较小，，受力方程为：
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（1）变换（1）得：
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（2）即：
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（3）积分（3），带入得出：
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（4）根据（4）下落距离y，计算得出实心粉末，空心粉末下落速度v1，v2，由（1）式得：
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（5）积分得：b
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（6）代入上述下落速度v1、v2得出实心粉末、空心粉末下落时间t1、t2。
30.在水平x方向上，re较大，，受力方程为：
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（7）变换得：
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（8）积分后带入下落时间t1、t2，可以得出实心、空心粉末水平速度v1、v2变换（7）得：
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（9）即：
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（10）积分后代入水平速度v1、v2可以得出实心粉末、空心粉末水平运动距离x1、x2。
31.需要说明的是，第二气流管300中气流流速大小可根据粉末材质调整改变。
32.下面，将参考图1至图2对本示例实施方式中的上述分选装置的各个结构进行更详细的说明。
33.在一个实施例中，一个所述粉末暂存口102对应设置有一个所述第一集粉桶300和一个所述第二集粉桶400，且所述第一预设水平距离和第二预设水平距离的值通过预设数据计算得出。
34.具体的，由粉末暂存口102落下的粉末经过第二气流管300内气流的吹动，可以将粉末中的实心粉末和空心粉末分离开，分离开的实心粉末和空心粉末分别被第二气流管300下方设置的第一集粉桶300和第二集粉桶400所收集，另外，第一集粉桶300距粉末暂存口102的第一水平距离x1及第二集粉桶400距粉末暂存口102的第二水平距离x2均可通过上述计算公式推导得出，但需提前知晓一些预设数据。在一个示例中，所述预设数据包括：粉末材质、由所述粉末暂存口102落下的所述粉末的粒径范围、所述第二气流管300内的气流流速和所述第二气流管300下管壁距所述粉末暂存口102的竖直距离。
35.示例的，以tc4粉末为例，粉末初速度为0，在下落过程中，为粉末飞行速度，那么。半径r=100um tc4实心粉末，密度4510kg/m3，实心粉末重力。假设空心粉末内部存在一个半径r2=50um的空心，则。
36.对于实心粉，计算得式（4）为
，第二气流管300下管壁距粉末暂存口102竖直方向高度，得出v1=2.55m/s。计算得式（6）为，将上述v1代入可以得出t1=0.35s。同理对于空心粉末同样求解过程得出v2=2.46m/s，t2=0.36m/s。
37.在水平x方向，风速较大，设粉末速度为1，风速，，计算得出（8）式为，积分后代入t1，t2可以计算出粉末到底部时的水平速度v1=23.33m/s，v2=24.13m/s。计算得出（10）式为。同理积分后将上述计算得出的v1，v2带入可得出粉末水平运动的距离，对于实心粉末x1=6.00m，对于空心粉末x2=6.52m。
38.结合本实施例提及的空心粉筛分技术，针对半径r=100um的tc4通用粉体粉末，第一集粉桶300入口设置距离粉末暂存口102为6m，第一集粉桶300长度可设置为100mm，第二集粉桶400设置距离粉末暂存口102为6.5m，第二集粉桶400长度为200mm；tc4粉经第一气流管200中的筛网101进行粒径大小分级后，落入第二气流管300，在气流的作用下，r=100um的tc4粉体实心粉末落入第一集粉桶300内；r=100um，含半径r=50um空心的空心粉体落入第二集粉桶400内。通过上述方式可以实现半径r=100um的tc4粉体实心粉末和空心粉体的高效分离。
39.在一个实施例中，所述第一集粉桶300和第二集粉桶400的宽度与所述第二气流管300的宽度相同，所述第一集粉桶300和第二集粉桶400的长度通过由所述粉末暂存口102落下的所述粉末的粒径范围计算得出。
40.具体的，第一集粉桶300和第二集粉桶400的长度能够通过进入第二气流管300内的粉末粒径范围计算得出，如上述实施例tc4粉末的计算过程，若假设一个粉末暂存口102内的tc4粉末半径r介于80~100um之间，在100um时，实心粉末x1=6.00m，在80um时，实心粉末x1=6.10m，则可将第一集粉桶300的长度设置为0.1m；而空心粉末的空心半径可预设为10%~60%的实心粉末半径，可通过上述计算公式得出第二集粉桶400的长度，具体计算过程不再示出。
41.在一个实施例中，多个所述筛网101与水平方向的夹角介于30
°
~60
°
之间。具体的，筛网101在第一气流管200内倾斜设置，能够增大筛网101与粉末的接触面积，具体可将筛网101设置为45
°
，但不做具体限制。
42.在一个实施例中，与所述筛网101相对且位于所述粉末暂存口102侧边设置有弧片103，以通过该弧片103使得所述待分选粉末通过气流的吹动落到所述筛网101的上半部。
43.具体的，弧片103的设置能够使粉末被气流吹动落到筛网101的上半部，从而进一步保证粉末与筛网101的接触面积，以便于对粉末进行充分的筛分。
44.在一个实施例中，所述弧片103下端与所述第一气流管200底面相切，且该弧片103所对应的圆心角介于15
°
~45
°
之间。
45.具体的，弧片103对应的圆心角具体可设置为30
°
，并且弧片103的下端与第一气流
管200底面相切，该种设置能够避免弧片103过高而减小气流对通过筛网101后的粉末的吹力。
46.在一个实施例中，所述第二气流管300下管壁及两侧管壁由可伸缩胶皮密封连接制成，以便于调节所述第二气流管300的高度。
47.具体的，可伸缩胶皮制成的下管壁和两侧管壁能够便于调节第二气流管300下管壁至粉末暂存口102之间的距离，从而在一定程度减小第一集粉桶300及第二集粉桶400至粉末暂存口102的水平距离，以合理布局整个分选装置的结构。
48.在一个实施例中，该装置还包括旋风分离器500，该旋风分离器500设置于所述第一气流管200与第二气流管300的末端，以将通过多个所述筛网101后的剩余粉末分离出以便于收集。
49.具体的，旋风分离器500能够将通过多个筛网101后的剩余粉末进行分离，从而将剩余的粉末被收集至粉桶501中，以避免粉末的浪费。
50.本示例实施方式中还提供了一种用于球形空心粉末的分选方法，应用于上述实施例所述的分选装置中。参考图3中所示，该方法包括：步骤s101，向水平设置的第一气流管200内输送待分选粉末；步骤s102，所述第一气流管200通过其中设置的多个筛网101以及结合气流的吹动对进入的所述待分选粉末按照粒径进行筛分；步骤s103，使未通过所述筛网101的粉末进入筛网101侧边设置的粉末暂存口102中；步骤s104，通过设置在所述第一气流管200下方且与所述第一气流管200平行的第二气流管300接收所述粉末暂存口102中的粉末；步骤s105，通过所述第二气流管300内的气流完成对粉末中实心粉末和空心粉末的分选，并通过该第二气流管300下方设置的第一集粉桶300收集所述实心粉末，及设置在所述第一集粉桶300后侧的第二集粉桶400收集所述空心粉末。
51.关于球形空心粉末的分选方式在上述分选装置的实施例中已经进行了详细的说明，在此不再进行赘述。
52.通过上述提供的用于球形空心粉末的分选装置及方法，一方面，通过分选装置中粉末暂存口102的设置，能够将一定粒径范围内的粉末进行收集，然后通过对该粒径范围内的粉末通过气流进行实心粉末和空心粉末的分选，并将实心粉末和空心粉末分别收集至第一集粉桶300和第二集粉桶400，从而在一定程度降低用于3d打印的粉末原料的空心粉率；另一方面，本实施例通过详细的计算方法得出了第一预设水平距离和第二预设水平距离的值，确定出了第一集粉桶300和第二集粉桶400的放置位置，从而使得整个分选装置的结构更加合理化，而且能够在一定程度上提高对于空心粉末分选的效率。
53.在本公开的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底
”ꢀ“
内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本公开和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本公开的限制。
54.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性
或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本公开的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
55.在本公开中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本公开中的具体含义。
56.在本公开中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
57.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本公开的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行接合和组合。
58.本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本公开的其它实施方案。本技术旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的真正范围和精神由所附的权利要求指出。