用于多参数试验的热喷涂样品夹具
技术领域
本实用新型涉及热喷涂用装置技术领域，具体涉及一种用于多参数试验的热喷涂样品夹具。
背景技术
热喷涂技术是利用热源将喷涂材料加热至熔化或半熔化状态，并以一定的速度喷射沉积到经过预处理的基体表面形成涂层的方法。热喷涂技术使用到的原材料一般为粉末或丝材，使用的热源种类较多，有电弧、等离子弧、燃料燃烧等。根据使用热源或技术的不同，有火焰喷涂、等离子喷涂、爆炸喷涂、超音速火焰喷涂、超音速等离子喷涂等多种热喷涂技术。
热喷涂技术在经过处理的普通材料的表面上，制造一个特殊的工作表面，使其达到：防腐、耐磨、减磨、抗高温、抗氧化、隔热、绝缘、导电、防微波辐射等一系列多种功能，使其达到提高材料表面和应用性能、节约能源材料的目的，这种特殊的工作表面叫涂层，把制造涂层的工作方法叫热喷涂。热喷涂技术是表面过程技术的重要组成部分之一，约占表面工程技术的三分之一。
热喷涂技术的重要技术参数有：送粉量(送丝速率)、热源温度(功率)、喷涂距离、喷枪移动速率、喷涂角度。多个参数需要在热喷涂工艺确定和优化，必然会产生大量的正交试验，给工艺优化工作带来很大的工作量。因此，如能够在一次喷涂中实现多参数样品的制备就显得尤为便捷，可以大大提高工艺试验的效率，节省时间和人力成本。
实用新型内容
为了解决在热喷涂工艺试验过程中，一次喷涂试验只能制造一个工艺参数的样品而带来的效率低下、成本上升的问题，本实用新型的目的在于提供一种用于多参数试验的热喷涂样品夹具，使用该夹具可以在一次喷涂过程中，同时制造多种喷涂工艺参数样品，实现同时制备不同的喷涂距离、喷涂角度和移动速率的多个样品的目的。
为实现上述目的，本实用新型所采用的技术方案如下：
一种用于多参数试验的热喷涂样品夹具，包括多个悬臂组件，每个悬臂组件上各夹持安装一个热喷涂样品，通过控制各悬臂组件的动作，能够根据试验需求独立调节各个样品的喷涂距离、移动速度和喷涂角度。
该夹具还包括夹具主轴、转盘、悬臂支架和夹具头；其中：所述夹具主轴垂直于圆形转盘径向与转盘焊接在一起，且夹具主轴与圆形转盘同轴固定；多个悬臂组件环绕所述圆形转盘均匀布置；所述悬臂组件包括相连接的大悬臂与调节悬臂，所述圆形转盘的边缘处与各悬臂组件中的大悬臂相连接；所述悬臂支架的一端垂直安装于所述调节悬臂上，悬臂支架的另一端与所述夹具头相连接。
所述夹具主轴的自由端连接转动设备，用于控制夹具主轴的转动；所述转动设备为转台、车床或其他可调节夹具主轴转速的设备。
所述大悬臂与调节悬臂的连接处具有重叠部分，重叠部分的长度可调。
所述大悬臂与调节悬臂的内侧设计为锯齿面结构，两个锯齿面相互啮合在一起；所述大悬臂的锯齿面上设有滑槽，调节悬臂的锯齿面上设有多个等距离排列的螺纹孔，将两个锯齿面调整好重叠部分后啮合在一起，然后用螺栓固定在一起。
所述悬臂支架包括一侧的丝杠部分与另一侧的光杆部分，所述悬臂支架的丝杠部分穿过所述调节悬臂上锯齿面上的螺纹孔后，用螺母固定；通过将悬臂支架的丝杠部分固定到锯齿面上不同位置处的螺纹孔中，能够调节样品的高度；通过调节悬臂支架丝杠部分螺母的固定位置，能使悬臂支架与夹具头连接的一端到调节悬臂之间的距离可调。
所述夹具头用于固定样品，包括夹持臂Ⅰ和夹持臂Ⅱ，夹持臂Ⅰ和夹持臂Ⅱ之间通过夹持支架相连接，夹持臂Ⅰ和夹持臂Ⅱ的自由端均设置卡槽，用于夹持试验样品。
所述夹持支架垂直于夹持臂Ⅰ焊接固定，夹持支架与夹持臂Ⅱ通过螺栓连接，使夹持臂Ⅱ能够相对于夹持臂Ⅰ做旋转动作；所述夹具头还包括锁紧螺栓，锁紧螺栓的两端分别连接夹持臂Ⅰ和夹持臂Ⅱ；将试验样品置于夹持臂Ⅰ和夹持臂Ⅱ上的卡槽内，然后使夹持臂Ⅱ旋转一定角度后夹持住试验样品，再通过锁紧螺栓7的拧紧实现试样样品的最终夹持固定。
所述悬臂支架与所述夹具头的夹持臂Ⅰ通过角度调节螺栓相连接，夹持臂Ⅰ能够绕角度调节螺栓旋转任意角度，从而实现喷涂角度的调节。
本实用新型的优点和有益效果如下：
1、针对热喷涂工艺参数多、工艺调试工作量大等缺点，本实用新型研制了一种用于多参数试验的热喷涂样品夹具，该夹具具有调节简单、使用方便的特点，可以随意调节每个样品的多个参数，如喷涂距离、移动速率和喷涂角度等。
2、本实用新型夹具很好地降低了热喷涂工艺优化过程的工作量，极大提高了工艺优化工作的效率，节约大量时间和人力成本。
3、该夹具可以实现热喷涂工艺参数优化时一次性制备多个不同工艺参数的要求，大大减少喷涂工艺研究过程的时间成本。该夹具适用于火焰喷涂、超音速火焰喷涂、等离子喷涂等各种热喷涂手段。
4、该夹具可以同时调节喷涂距离、移动速率和喷涂角度，可以同时喷涂1～12个或者更多不同工艺参数的样品，也可以当做普通样品夹具，喷涂1种或者多种不同工艺参数的样品。
附图说明
图1为本实用新型用于多参数试验的热喷涂样品夹具结构示意图。
图2为本实用新型夹具中转盘周围夹臂组件布置图。
图3为本实用新型夹具中大悬臂与调节悬臂的连接方式。
图4为本实用新型夹具中大悬臂结构示意图；其中：(a)内侧锯齿面；(b)侧面；(c)外侧自由面(光滑面)。
图5为本实用新型夹具中调节悬臂结构示意图；其中：(a)内侧锯齿面；(b)侧面；(c)外侧自由面(光滑面)。
图6为本实用新型夹具中悬臂组件、悬臂支架和夹持头的连接(大悬臂与调节悬臂重叠部分较短，且悬臂支架固定在调节悬臂最上端)。
图7为本实用新型夹具中悬臂组件、悬臂支架和夹持头的连接(大悬臂与调节悬臂重叠部分较长，且悬臂支架固定在调节悬臂中部)。
图8为本实用新型夹具中悬臂支架与调节悬臂的连接；图中(a)-(c)表示悬臂支架与调节悬臂的连接位置不同，则夹具头具有不同的有效伸出长度。
图9为悬臂支架与夹具头的连接方式。
图10为夹具头以角度调节螺栓为轴旋转不同角度。
图11为本实用新型夹具中夹具头结构示意图。
图12为本实用新型夹具使用示意图。
图中：1-夹具主轴；2-大悬臂；3-调节悬臂；4-悬臂支架；401-丝杠部分；402-光杆部分；5-角度调节螺栓；6-夹具头；601-夹持臂Ⅰ；602-夹持臂Ⅱ；603-夹持支架；604-卡槽；605-锁紧螺栓；7-转盘；8-样品；9-喷枪；10-转动设备。
具体实施方式
为了进一步理解本实用新型，以下结合附图和实施例对本实用新型进行描述，但实施例仅为对本实用新型的特点和优点做进一步阐述，而不是对本实用新型权利要求的限制。
本实用新型提供一种用于多参数试验的热喷涂样品夹具，可以用于各种热喷涂工艺的参数优化调试，其结构如图1所示。该夹具包括夹具主轴1、转盘7、悬臂组件、悬臂支架4和夹具头6，所述悬臂组件为多个，每个悬臂组件上各通过悬臂支架和夹具头夹持安装一个热喷涂样品8，通过控制各悬臂组件的动作，能够根据试验需求独立调节各个样品的喷涂距离、移动速度和喷涂角度。
所述夹具主轴垂直于圆形转盘径向与转盘7焊接在一起，且夹具主轴4与圆形转盘同轴固定；多个悬臂组件环绕所述圆形转盘7均匀布置，如图2所示。
如图6所示，所述悬臂组件包括相连接的大悬臂2与调节悬臂3，所述圆形转盘的边缘处与各悬臂组件中的大悬臂相连接(焊接)；所述悬臂支架4的一端垂直安装于所述调节悬臂3上，悬臂支架4的另一端与所述夹具头6相连接。
所述夹具主轴的自由端连接转动设备10，用于控制夹具主轴的转动；所述转动设备为转台、车床或其他可调节夹具主轴转速的设备(图12)。
所述大悬臂与调节悬臂的连接处具有重叠部分，重叠部分的长度可调，具体结构如图3-5所示。所述大悬臂与调节悬臂的内侧设计为锯齿面结构，两个锯齿面相互啮合在一起；所述锯齿面是指具有若干平行且间隔排列的V型凹槽和V型凸起的表面。所述大悬臂的锯齿面上设有滑槽，调节悬臂的锯齿面上设有多个等距离排列的螺纹孔，将两个锯齿面调整好重叠部分后啮合在一起，然后用螺栓固定在一起(通过大悬臂上的滑槽和调节悬臂上的螺纹孔)。这种连接设计即能调整重叠部分的长度，又能防止大悬臂与调节悬臂连接后的相对滑动(图6-7)。
所述悬臂支架包括一侧(图中左侧)的丝杠部分401与另一侧(图中右侧)的光杆部分402，所述悬臂支架的丝杠部分穿过所述调节悬臂上锯齿面上的螺纹孔后，用螺母固定；通过将悬臂支架的丝杠部分固定到调节悬臂的锯齿面上不同位置处的螺纹孔中，能够调节样品的高度(图6-7)；通过调节悬臂支架丝杠部分螺母的固定位置，能使悬臂支架与夹具头连接的一端到调节悬臂之间的距离可调(即能调节样品到喷枪的距离-喷涂距离)，如图8。
如图11所示，所述夹具头6用于固定样品，包括夹持臂Ⅰ601和夹持臂Ⅱ602，夹持臂Ⅰ和夹持臂Ⅱ之间通过夹持支架603相连接，夹持臂Ⅰ和夹持臂Ⅱ的自由端均设置卡槽604，用于夹持试验样品8。
所述夹持支架垂直于夹持臂Ⅰ焊接固定，夹持支架与夹持臂Ⅱ通过螺栓连接，使夹持臂Ⅱ能够相对于夹持臂Ⅰ做旋转动作；所述夹具头还包括锁紧螺栓605，锁紧螺栓605的两端分别连接夹持臂Ⅰ和夹持臂Ⅱ(用螺母固定)；将试验样品置于夹持臂Ⅰ和夹持臂Ⅱ上的卡槽内后，然后使夹持臂Ⅱ旋转一定角度后夹持住试验样品，再通过锁紧螺栓7的拧紧实现试样样品的最终夹持固定。
如图9-10所示，所述悬臂支架与所述夹具头的夹持臂Ⅰ通过角度调节螺栓5相连接，夹持臂Ⅰ能够绕角度调节螺栓5旋转任意角度，从而实现喷涂角度的调节。
利用本实用新型上述夹具进行热喷涂如图12所示，一个夹具上可以同时安装12个或者更多个样品，每个样品可以独立调节喷涂距离、移动速率和喷涂角度，可以夹持宽度为15mm～30mm的样品，样品长度为20～100mm。夹具主轴连接转动设备使夹具主轴旋转，转动设备为可变速的转台、电机+变速器、车床或者其他可以调节转动速率的设备均可；夹具一般使用不锈钢或者钢制造，悬臂尺寸应在强度上满足热喷涂过程的受力需求；夹具可以根据常用的样品大小进行改造，仅需变动夹持部位尺寸；如果想一次性喷涂更多样品，该夹具设计中增加悬臂的数量即可实现。
本实用新型可以随意调节每个样品的喷涂距离、喷涂角度和移动速率，夹具功能的实现如下：
1、转动功能
在热喷涂过程中，喷枪和样品需要有一个相对运动速率，在本实用新型中，夹具主轴需与可调节转速的转动设备相连，如转台、机床等，主轴端口可根据所对接的设备而设计形状尺寸。连接后，可实现夹具围绕主轴自转。
2、调节喷涂移动速率功能
本实用新型夹具可以使用热喷涂等方法同时制备不同移动速率的样品，移动速率可变化的范围取决于转台的最大转速。大悬臂和调节悬臂使用螺栓链接，可随意调整大悬臂与调节悬臂的相对位置，调到需要位置后可将螺栓紧固，悬臂支架可以安装在调节悬臂最上面的通孔里(图6)，也可以安装到调节悬臂下方的与大悬臂固定的螺纹孔内(图7)。样品到夹具中心点位置为有效半径。夹具转速乘以有效半径等于喷枪9与样品的相对移动速率。半径越大，移动速率越大，半径越小，移动速率越小。因此，可以通过大悬臂与调节悬臂的相对位置，就可以调整多个样品的喷涂移动速率。配合转台或机床等可调速动力设备，就可以实现随意多个调整样品任意移动速率。
3、调节喷涂距离功能
本实用新型夹具可以使用热喷涂等方法同时制备不同喷涂距离的样品，可变距离范围取决于悬臂支架长度。悬臂支架与调节悬臂的连接使用了螺杆-螺栓链接，可以方便控制悬臂支架与调节悬臂的相对位置，直接调整了悬臂支架的有效长度和喷涂距离。由于螺纹可调距离较长，也能实现1厘米以内的微调，因此，该夹具可以实现喷涂距离的任意调整。另外，夹具上多个悬臂组件和悬臂支架相互独立，可以调节不同悬臂支架的长度，从而实现了多个样品独立调节任意喷涂距离的功能。
4、调节喷涂角度功能
本实用新型夹具可以使用热喷涂等方法同时制备不同喷涂角度的样品，角度变化范围为0～90°。悬臂支架与夹具头使用了单颗螺丝(角度调节螺栓)连接，可根据需求旋转夹头与悬臂支架的角度，然后紧固螺丝，实现喷涂角度的任意调节。同样，由于多个悬臂支架和夹具头相互独立，因此实现了多个样品独立调节任意喷涂角度的功能。
实施例1：
悬臂组件数量为12，分别标号为1～12号。每个大悬臂长度均为300mm，调节悬臂长度均为400mm，1、3、5、7、9、11号按照最小悬臂长度方式固定，如图7，样品有效运动半径为r＝200mm；2、4、6、8、10、12号按照最大悬臂长度方式固定，如图6，样品有效运动半径r＝600mm。通过调整夹具头与悬臂支架的连接角度，使得1、2、3、4、5、6号样品旋转角度为0°，7、8、9、10、11、12号样品旋转角度为5°(图10)；悬臂支架总长度为1m，螺纹段长度为0.8m，通过调整悬臂支架与调节悬臂的相对位置，使得1、2、7、8号有效伸出长度为200mm，3、4、9、10号有效伸出长度为250mm，5、6、11、12号有效伸出长度为300mm(图8)。每个夹具头分别安装样品尺寸为20mm×60mm样品，最后将整个夹具固定在转台上，以角速度ω＝1转/秒速度自转。喷涂移动速度计算公式为：v＝2πrω。
表1为实施例1中12个样品的喷涂参数列表，可以看到，使用本夹具同时实现了12种喷涂工艺参数，分别调整了喷涂距离、喷涂移动速率和喷涂角度。
表1 实施例1中样品喷涂参数
实施例2：
悬臂组件数量为12，分别标号为1～12号。每个大悬臂长度均为300mm，调节悬臂长度均为400mm，1、4、7、10号按照样品有效运动半径r＝300mm方式固定悬臂；2、5、8、11号按照样品有效运动半径r＝400mm方式固定悬臂，3、6、9、12号按照样品有效运动半径r＝500mm方式固定悬臂。通过调整夹具头与悬臂支架4的连接角度，使得所有样品旋转角度为5°；悬臂支架总长度为1m，螺纹段长度为0.8m，通过调整悬臂支架与调节悬臂的相对位置，使得1、2、3号有效伸出长度为200mm，4、5、6号有效伸出长度为250mm，7、8、9号有效伸出长度为300mm，10、11、12号有效伸出长度为350mm。每个夹具头分别安装样品尺寸为20mm×50mm样品，最后将整个夹具固定在转台上，以角速度ω＝0.6转/秒速度自转。喷涂移动速度计算公式为：v＝2πrω。
表2为实施例2中12个样品的喷涂参数列表，可以看到，使用本夹具同时实现了12种喷涂工艺参数，分别调整了喷涂距离和喷涂移动速率。
表2 实施例2中样品喷涂参数
实施例3：
悬臂组件数量为12，分别标号为1～12号。每个大悬臂长度为均300mm，调节悬臂长度均为400mm，1、5、9号按照样品有效运动半径r＝350mm方式固定悬臂；2、6、10号按照样品有效运动半径r＝400mm方式固定悬臂，3、7、11号按照样品有效运动半径r＝450mm方式固定悬臂，4、8、12号按照样品有效运动半径r＝500mm方式固定悬臂。通过调整夹具头与悬臂支架的连接角度，使得所有样品旋转角度为0°；悬臂支架总长度为1m，螺纹段长度为0.8m，通过调整悬臂支架与调节悬臂的相对位置，使得1、2、3、4号有效伸出长度为200mm，5、6、7、8号有效伸出长度为250mm，9、10、11、12号有效伸出长度为300mm。每个夹具头分别安装样品尺寸为20mm×50mm样品，最后将整个夹具固定在转台上，以角速度ω＝0.7转/秒速度自转。喷涂移动速度计算公式为：v＝2πrω。
表3为实施例3中12个样品的喷涂参数列表，可以看到，使用本夹具同时实现了12种喷涂工艺参数，分别调整了喷涂距离和喷涂移动速率。
表3 实施例3中样品喷涂参数
实施例4：
悬臂组件数量为12，分别标号为1～12号。每个大悬臂长度为均300mm，调节悬臂长度均为400mm，所有悬臂按照样品有效运动半径r＝350mm方式固定悬臂。通过调整夹具头与悬臂支架的链接角度，使得所有样品旋转角度为5°；通过调整悬臂支架与调节悬臂的相对位置，所有样品有效伸出长度为300mm。每个夹具头分别安装样品尺寸为25mm×55mm样品，最后将整个夹具固定在转台上，以角速度ω＝0.7转/秒速度自转。喷涂移动速度计算公式为：v＝2πrω。
在本应用实例中，使用本夹具同时喷涂12个样品，均为相同的喷涂工艺参数：喷涂距离为300mm、喷涂移动速率为1.54m/s，喷涂角度为5°。
