行星式研磨机以及研磨方法
【专利摘要】本发明公开一种行星式研磨机。该行星式研磨机包括：自平衡研磨组件，该自平衡研磨组件包括被布置成与主轴线平行并且布置于该主轴线的相对侧上的一对细长浮动研磨室，其中所述研磨室沿与主轴线径向的方向自由地向外移动；驱动组件，该驱动组件用于使研磨组件围绕主轴线沿第一旋转方向旋转；以及至少一个带，该至少一个带包绕所述一对浮动研磨室，使得当研磨组件围绕主轴线旋转时，该至少一个带限制研磨室中的每一个研磨室径向向外行进。
【专利说明】行星式研磨机以及研磨方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及行星式研磨机以及研磨方法。具体而言，本发明涉及具有冷却系统的高G力浮动行星式研磨机。
【背景技术】
[0002]能够在被处理的粉末上产生巨大重力或G力的行星式研磨机建造成本高并且由于其高旋转速度而难以平衡。此外，给定由研磨过程产生的发热和旋转部件的摩擦，需要冷却以避免在连续操作长时间周期时损坏关键部件以及将被研磨的粉末保持在冷却温度下。给定良好平衡和操作行星式研磨机所需的紧密度容限以及低标准研磨粉末，操作期间部件的传热和加热不充分可能由于膨胀而造成损坏。必须受到冷却的关键部件例如包括典型地用于支承研磨室的巨大轴承。
[0003]现有技术的冷却方法包括简单的直接接触方法，其中冷却流体(例如水)使用喷射口被引向将被冷却的部件。然而，该方法的效率受到喷射口的设计以及用于传热的有效接触表面积的限制。备选地，部件能够被内部冷却，然而，这种冷却系统的设计由于部件的高旋转速度而非常复杂。
[0004]此外，给定用于支承行星式研磨机系统的旋转部件的巨大离心力，部件必须被增强或者可以具有有限的容量，由此增加组件的成本并且降低使用该组件研磨的成本效率。
【发明内容】
[0005]为了解决上文和其它的缺点，提供一种行星式研磨机，该行星式研磨机包括:自平衡研磨组件，该自平衡研磨组件包括被布置成与主轴线平行并且布置于该主轴线的相对侧上的一对细长浮动研磨室，其中所述研磨室沿与主轴线径向的方向自由地向外移动；驱动组件，该驱动组件用于使研磨组件围绕主轴线沿第一旋转方向旋转；以及至少一个带，该至少一个带包绕一对浮动研磨室,使得当研磨组件围绕主轴线旋转时，该至少一个带限制研磨室中的每一个研磨室径向向外行进。
[0006]还提供一种用于操作一对细长研磨室的方法，该方法包括:将研磨室布置在第一水平中心轴线的任一侧上并且与该第一水平中心轴线平行；使一对研磨室围绕第一轴线沿第一旋转方向旋转，其中一对研磨室能够沿与第一旋转方向径向的方向自由行进；限制一对研磨室中的每一个研磨室沿与第一旋转方向径向的方向行进，使得当一对研磨室中的一个研磨室向外移动给定距离时，所述一对研磨室中的另一个研磨室向内移动该给定距离。
[0007]此外，提供一种研磨机，该研磨机包括:一对细长圆柱形研磨室,所述一对细长圆柱形研磨室被布置成与主轴线平行并且布置于该主轴线的相对侧上；驱动组件，该驱动组件用于使研磨组件围绕主轴线沿第一旋转方向旋转；以及至少一个带，该至少一个带包绕所述一对研磨室并且定位成朝向所述一对研磨室的中心。
【专利附图】
【附图说明】[0008]在附图中:
[0009]图1是根据本发明的说明性实施例的行星式研磨机的提升左前透视图；
[0010]图2是根据本发明的说明性实施例的研磨组件的提升左前透视图；
[0011]图3是沿图2中的线II1-1II的剖视透视图；
[0012]图4是根据本发明的说明性实施例的用于行星式研磨机的驱动组件的提升左前透视图；
[0013]图5是详细示出了驱动带的路径并且根据本发明的说明性实施例的驱动组件的侧平面图；
[0014]图6A至图6C以逐渐增大的放大率提供了将使用本发明的行星式研磨机研磨的铝粉的例子；以及
[0015]图7A至图7C以逐渐增大的放大率提供了研磨之后图6A至图6C的相同的纳米结构招粉。
【具体实施方式】
[0016]通过下文的非限制性例子以更多细节说明了本发明。
[0017]现在参照图1，并且根据本发明的说明性实施例，现在将描述大体使用附图标记10表示的行星式研磨机。行星式研磨机10包括定位在壳体14内的自平衡研磨组件12以及一对驱动组件16、18。壳体14 (仅示出一个半部)封装研磨组件12并且提供隔音和隔热以及对冷却流体等的包含。壳体14还提供对研磨组件12的支承并且就这方面而言由具有足够刚度和强度的材料(例如增强钢板等)制成以支承研磨组件12的重量以及研磨组件12在操作期间所产生的力。
[0018]仍然参照图1,例如大型(说明性地IOOhp)专用马达或者具有动力输出(PTO)(例如拖拉机等)的其它机械设备的旋转动力源(未示出)附接到用于为研磨机提供动力的驱动小齿轮20。此外，还提供冷却系统(同样未示出)，该冷却系统包括冷却剂源以及用于将冷却剂引导至研磨组件12上的位于壳体14内的泵、管和喷嘴的系统。备选地，并且在特定实施例中，研磨组件12能够通过将研磨组件12浸入到液氮(同样未示出)中来在低温下操作。
[0019]现在参照图2，自平衡研磨组件12包括一对相对的细长浮动研磨室22、24。研磨室22、24被布置成与主轴线A平行并且被布置在该主轴线A的相对侧上。研磨室22、24大体自由浮动并且在与主轴线A径向的方向上自由向外移动但是通过并排布置且包绕研磨室22、24的多根带26保持就位。此外，相对的橡胶轮28用于限制研磨室24、26沿与主轴线A切向的方向的行进。如下文将看到的，允许研磨室22、24通过该方式自由向外浮动允许研磨组件12自平衡，由此允许较高的操作速度并且/或者减少噪声。此外，给定用于支承研磨室22、24的高旋转力，缺少轴承作为用于将研磨室保持就位的装置提高了研磨组件12的耐久性并且减少了维护。此外，由于否则将需要的用于支承研磨室22、24中的每一个研磨室的轴承必须非常大并且因此沉，因此给定所涉及的力的话，提供多个带26降低了研磨组件12的总体重量。带26由能够传导热的强耐腐蚀材料制成，例如钢链带(滚子链)等。使用带26而不是轴承等支承研磨室22、24的进一步的优点在于研磨室22、24不必被机器加工，机器加工通常是高成本的。[0020]如上文所讨论的，在特定实施例中，带26是包括多个链节(未示出)的链带。为了降低滚动摩擦并且允许平滑旋转，应当使用相对于研磨室22、24的直径具有相对较小螺距的链带的链节。在实践中，具有小于研磨室的外周半径的大约1/8的螺距的链已被证明有效。在特定实施例中，多个带26中的若干或全部都能够由单个宽带代替，例如多股链带
坐寸ο
[0021]仍然参照图2，每一个研磨室22、24都包括:中空鼓30，粉末和介质被放置在该中空鼓30中；以及位于鼓的任一端处的链轮32，该链轮32包括多个齿34。每一个链轮32都由行星式驱动带36驱动，该行星式驱动带36例如由钢链带、聚氨酯、或复合材料(例如碳纤维)等耐腐蚀材料制成，该行星式驱动带36随后由驱动链轮38驱动。假定同步带36由驱动链轮38在外侧驱动，则提供轮40。此外，为了保持同步带36上的张力，提供张紧带轮42。如现在对于本领域普通技术人员将显而易见的，随着驱动带轮38沿围绕第一轴线A的方向旋转，研磨室22、24中的每一个研磨室都沿相反方向旋转，如图所示。一系列突出螺栓43被设置在研磨室22、24中的每一个研磨室的任一端上，以用于附接可移除密封板(未示出)，由此保持材料在鼓30内被研磨。
[0022]通过该方式由一个或多个带26支承研磨室22、24的额外的优点在于给定操作期间通过带提供相反支承，能够使用长得多的鼓30 (或者具有较薄侧壁的鼓30)，由此改进组件的总体容量，或者允许使用结构成本较低的研磨室22、24。因此，带能够与包括在任一端处例如由轴承等支承的室的研磨机组件一起使用，以便改进总体容量。
[0023]仍然参照图2，橡胶轮28通过与研磨机一起旋转的金属框架44保持就位。
[0024]参照图3，如上文所讨论的，研磨机室22、24大体自由浮动但是通过多个带26以及相对的橡胶轮28保持就位。另一组橡胶轮46保证了研磨室22、24在加载室以及操作期间相对于多个带26牢固地定位。轮46在加载期间支承研磨机室22、24并且还在以最大速度旋转时保持研磨机室22、24尽可能靠近其相应的轨迹。此外，研磨机室22、24由不是完美圆形的圆柱制成并且因此由柔性材料(例如橡胶)制造轮46允许其弯曲以进行补偿。
[0025]现在参照图4，驱动组件16、18通过主驱动轴48和反向驱动轴50相互连接。一对驱动链轮52、54朝向主驱动轴48的相应端部定位。类似地，一对反向驱动链轮56 (其中的一个未示出)朝向反向驱动轴50的相应端部定位。驱动带58(例如钢链带等)将驱动小齿轮20与其相应的驱动链轮52和相应的反向驱动链轮56相互连接。提供一对额外的链轮60以及张紧带轮62以保证驱动带58的正确行进路径，该张力被保持在驱动带58上并且足够量的驱动带58始终与链轮中给定的一个链轮相接触。本领域普通技术人员现在将理解，当旋转动力源被供给至驱动小齿轮20时，旋转力通过驱动带58传递给主驱动轴48和反向驱动轴50。本领域技术人员还将领会，假设主驱动链轮52和反向驱动链轮56具有不同半径，则反向驱动轴50将比主驱动轴48旋转得更快。
[0026]仍然参照图4，第二对驱动链轮64、66附接到反向驱动轴50以用于与该反向驱动轴50 —起旋转。第二对驱动链轮64、66中的每一个驱动链轮都通过一对第二驱动带72、74与相应的研磨机室驱动组件68、70相互连接。研磨机室驱动组件68、70能够通过提供轴承或衬套等(未示出)围绕主驱动轴48自由旋转。研磨机室驱动组件68、70中的每一个研磨机室驱动组件都包括从动链轮76、78，所述从动链轮76、78被第二驱动带72、74中相应的一个驱动带驱动，并且驱动嵌齿(driving cog) 38 (如上文参照图2所讨论的)提供用于使研磨机室22、24旋转的旋转力。值得注意的是，第二对驱动链轮64、66中的每一个都比其相应的从动链轮76、78大。因此，本领域普通技术人员现在应当理解，研磨机室驱动组件68、70并且因此驱动嵌齿38以比主驱动轴48的速率高得多的速率围绕驱动轴48旋转。还提供张紧链轮80以保证第二驱动带72、74保持受到张力并且足够量的第二驱动带72、74始终保持与链轮中给定的一个链轮相接触。
[0027]仍然参照图4，应当注意到，如图所示的行星式研磨机包括两个匹配的驱动组件16,18以及第二驱动小齿轮80，由此允许第二独立旋转动力源被附连。备选地，第二驱动小齿轮82能够与第二行星式研磨机(未示出)的驱动小齿轮20相互连接,从而允许两个(或多个)研磨机由相同的动力源驱动。在备选实施例中，能够仅提供单个驱动组件16、18。
[0028]现在参照图5，如上文所讨论的，旋转力(说明性地为逆时针)被施加于驱动小齿轮20，该驱动小齿轮20随后沿顺时针方向通过驱动带58来驱动主驱动轴48和反向驱动轴50。如上文所讨论的，本领域技术人员将显而易见的是，给定驱动小齿轮20以及驱动链轮52和第二驱动链轮64的相对尺寸，主驱动轴48以比反向驱动轴50的速率慢的速率旋转。主驱动轴48的旋转速度确定研磨室22、24沿轨道路径B在顺时针方向上围绕主驱动轴48的轴线(见如图2和图4中详细示出的轴线A)盘旋的速度。
[0029]仍然参照图5，第二驱动链轮64通过第二驱动带72驱动从动链轮76，并且因此对驱动链轮38进行驱动。除了图5再次参照图2，驱动链轮38随后驱动一对行星式驱动带36，所述一对行星式驱动带36使研磨室22、24沿与研磨组件12的方向相反的方向(在该情况下，顺时针方向)围绕研磨室22、24中的每一个研磨室的相应轴线旋转，由此产生行星式研磨运动。应当注意到，尽管本说明性实施例中的研磨室22、24被示为沿与研磨组件12的方向相反的方向旋转，但是在特定实施例中并且通过对驱动组件16、18适当的改型，研磨室22、24能够沿与研磨组件12的方向相同的方向旋转。
[0030]仍然参照图5，如本领域普通技术人员现在将理解的，能够通过对相关链轮的适当选择来确定研磨组件12的旋转速度或速率相对于研磨室22、24的旋转速度或速率。典型地，研磨室22、24以比研磨组件12的速率略高的速率旋转(说明性地二(2)至四(4)倍之间)，但是不存在实际限制。尽管选择在某种程度上将取决于行星式研磨机10的特定应用，但是在一个实施例中，研磨组件12以150RPM的速度围绕主轴线A旋转并且研磨室22、24以300RPM的速度围绕其相应轴线旋转。
[0031]再次参照图1，在特定实施例中，行星式研磨机10还包括用于将保护性气体(例如氮或氩等)引入研磨室22、24中的气体输送系统。就这方面而言，驱动研磨机的主驱动轴48是中空的并且配合到柔性管(例如塑料管(未示出))内侧，以用于输送以一定角度沿轴的长度在一端处进入轴并且在大约半道处离开轴的气体。该管附接到多个带26内侧的金属框架44并且定位成使得其在链轮与驱动带之间通过框架44的外侧。管通过T形连接器终止，其中T形的一个分支延伸至其相应的研磨室22、24的端部。每一个分支都使用旋转接头(swivel)(同样未示出)附接到其相应的研磨室22、24，该旋转接头允许研磨室22、24自由旋转。
[0032]气体供给部使用旋转接头附接到主驱动轴48内的中空管的自由端，因此允许主驱动轴48自由旋转。以类似的方式并且在特定实施例中，能够提供一系列返回管，从而允许气体在操作期间循环。[0033]该系统用于首先充注气体并且在操作期间补充气体。然而，在备选实施例中，在研磨室22、24填充有将被研磨的粉末、并且研磨室22、24被密封的同时，研磨室22、24能够简单地填充保护性气体。
[0034]总体而言，假定涉及高旋转和摩擦力并且为了实现用于良好传热以用于冷却，行星式研磨机10的主要元件由热传导耐腐蚀材料(例如钢或钛等)制成。此外，如上文所讨论的，提供了冷却系统(尽管未示出)，该冷却系统包括冷却的冷却剂(例如水等)的源以及用于在操作期间将冷却剂喷射到研磨组件12上的泵和一系列喷嘴。具体而言并且再次参照图2，提供与中空鼓30中的每一个中空鼓30的外表面84相接触的多个带26并且假定所述带由传导材料(例如钢链带等)制成，提供增大的传热，由此改进冷却系统的总体操作。此外，假定多个带26在操作期间支承研磨室24、26并且因此与中空鼓30中的每一个中空鼓30的外表面84相接触，多个带26用于从表面84去除污垢和其它碎屑并且磨光外表面，由此改进导热性以及所获得的传热。
[0035]在操作中，典型地等量的将被研磨的粉末与摩擦介质(例如不锈钢球轴承等(未示出))一起被放置在研磨室22、24中的一个或另一个中。典型地，需要介质中的粉末的大约10至30倍的重量，以便实现良好的结果。
[0036]本发明的行星式研磨机10能够产生例如100_2001bs生产量的纳米结构粉末。
[0037]本发明的行星式研磨机12的一个特定应用是在全部粉末中引入纳米结构。通过举例的方式，铝合金5083(AA5083)粉末根据以下参数使用本发明的行星式研磨机12被研磨:
[0038].添加到研磨室的粉末=-325mesh, AA5083 (Valimet, Stockton, CA)，振实密度=
1.7g/cc ;颗粒尺寸分布(Horiba LA-920 颗粒尺寸分析器):D10 = 6 μ m ；D50 = 14 μ m ；D95=40 μ m ;根据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质=1/4’ ’ 440C不锈钢球(Royal Steel BallProducts, Sterling, Illinois)；
[0040].研磨介质与粉末的质量比=20:1 ；
[0041].研磨组件12围绕中心轴线A的旋转速度=150rpm ；
[0042].每一个研磨室24、26围绕其相应轴线的旋转速度=300rpm(围绕中心轴线沿相反的旋转方向)；
[0043].研磨时间=4小时；
[0044].冷却流体(水)温度=8 0C ；
[0045].研磨室24、26在密封和开始过程之前通过氮气吹扫；
[0046]?研磨室24、26中的起始压力~I大气压；
[0047].氮气在研磨过程期间被连续添加至研磨室24、26 ；
[0048].研磨室中 的压力在整个过程中被监测并且被保持在略微高于I大气压；并且
[0049].不使用表面控制剂(例如硬脂酸、油酸等)。
[0050]向研磨室24、26添加惰性气体保证了保持惰性大气并且因此阻止氧化等。
[0051]现在参照图6A至图6C，研磨之后，所产生的纳米结构的AA5083粉末具有以下特性:
[0052].振实密度=1.45g/cc[0053]?颗粒尺寸分布(Horiba LA-920 颗粒尺寸分析器):D10 = 73 μ m ；D50 = 117 μ m ;D95 = 255 μ m
[0054].根据Scherrer方法估算出的平均微晶尺寸=26nm
[0055]尽管上文的说明性实施例，但是本发明的行星式研磨机10能够用于目前使用能量研磨机的多种其它的特定应用，例如复合氧化物的机械化学处理、化学转化、机械合金化、制造金属间化合 物粉末、处理金属陶瓷复合材料、金属粉末的表面改性、放电等离子烧结的前体、机械化学掺杂、材料的软机械化学合成、用于表面激活的颗粒减少等。 [0056]尽管上文已通过其特定实施例对本发明进行了描述，但是能够在不偏离如所附权利要求中所限定的主题发明的精神和本质的前提下对本发明进行改型。
【权利要求】
1.一种行星式研磨机，所述行星式研磨机包括: 自平衡研磨组件，所述自平衡研磨组件包括被布置成与主轴线平行并且布置于所述主轴线的相对侧上的一对细长浮动研磨室，其中所述研磨室沿与所述主轴线径向的方向自由地向外移动； 驱动组件，所述驱动组件用于使所述研磨组件围绕所述主轴线沿第一旋转方向旋转；以及 至少一个带，所述至少一个带包绕所述一对浮动研磨室，使得当所述研磨组件围绕所述主轴线旋转时，所述至少一个带限制所述研磨室中的每一个研磨室径向向外行进。
2.根据权利要求1所述的行星式研磨机，所述行星式研磨机包括并排布置的多个所述带。
3.根据权利要求1所述的行星式研磨机，其中所述至少一个带和所述研磨室由热传导材料制成，其中所述研磨室在研磨期间产生热并且进一步其中所述带通过传导所述热离开所述研磨室来冷却所述研磨室的外表面。
4.根据权利要求3所述的行星式研磨机，其中所述至少一个带抛光所述室的外表面，由此改进所述至少一个带的内表面与所述研磨室的所述外表面之间的传导接触。
5.根据权利要求1所述的行星式研磨机，其中所述驱动组件使所述研磨室中的每一个研磨室沿第二旋转方向围绕其相应轴线旋转。
6.根据权利要求5所述的行星式研磨机，其中所述第二旋转方向与所述第一旋转方向相反。
7.根据权利要求5所述的行星式研磨机，其中所述驱动组件包括单个运动动力源。
8.根据权利要求1所述的行星式研磨机，其中所述至少一个带包括链带。
9.根据权利要求1所述的行星式研磨机，其中所述研磨室具有基本相同的尺寸和重量并且进一步其中所述研磨室与所述主轴线等距布置。
10.根据权利要求1所述的行星式研磨机，其中所述至少一个带的组合宽度大于所述研磨室中的一个研磨室长度的至少一半。
11.根据权利要求1所述的行星式研磨机，所述行星式研磨机还包括包围所述研磨室的外壳以及冷却系统，所述冷却系统包括用于将冷却剂引导至所述研磨室上的至少一个喷嘴。
12.—种用于操作一对细长研磨室的方法，所述方法包括: 将所述研磨室布置在第一水平中心轴线的任一侧上并且与所述第一水平中心轴线平行； 使一对研磨室围绕所述第一轴线沿第一旋转方向旋转，其中所述一对研磨室能够沿与所述第一旋转方向径向的方向自由行进； 限制所述一对研磨室中的每一个研磨室沿与所述第一旋转方向径向的所述方向行进，使得当所述一对研磨室中的一个研磨室向外移动给定距离时，所述一对研磨室中的另一个研磨室向内移动所述给定距离。
13.根据权利要求12所述的方法，其中所述细长研磨室中的每一个细长研磨室都具有中心轴线并且还包括使所述一对研磨室中的每一个研磨室围绕其相应中心轴线旋转。
14.根据权利要求13所述的方法，其中所述细长研磨室中的每一个细长研磨室的旋转方向都与所述第一旋转方向相反。
15.根据权利要求12所述的方法，其中所述限制所述一对研磨室中的每一个研磨室行进包括提供至少一个链带，所述至少一个链带包围所述两个研磨室。
16.根据权利要求13所述的方法，其中所述研磨室中的每一个研磨室围绕其相应轴线的旋转速度是所述研磨室围绕所述中心轴线的旋转速度的二(2)至四(4)倍之间快。
17.一种研磨机，所述研磨机包括: 一对细长圆柱形研磨室，所述一对细长圆柱形研磨室被布置成与主轴线平行并且布置于所述主轴线的相对侧上； 驱动组件，所述驱动组件用于使所述研磨组件围绕所述主轴线沿第一旋转方向旋转；以及 至少一个带，所述至少一个带包绕所述一对研磨室并且定位成朝向所述一对研磨室的中心。
18.根据权利 要求17所述的研磨机，所述研磨机包括并排布置的多个所述带。
19.根据权利要求17所述的研磨机，其中所述至少一个带是链带。
20.根据权利要求19所述的研磨机，其中所述至少一个链带具有小于所述细长圆柱形研磨室中任一个细长圆柱形研磨室的外表面半径的1/8的螺距。
【文档编号】B02C17/08GK103974775SQ201280058654
【公开日】2014年8月6日 申请日期:2012年11月29日 优先权日:2011年11月29日
【发明者】P·布朗夏尔, T·阿杜那, G·E·基姆 申请人:N-威尔克兹公司