УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЗАГРУЗКИ ПОРОШКОВОГО ЭЛЕКТРОДНОГО МАТЕРИАЛА В МАТРИЦУ ПРЕСС-ФОРМЫ

Полезная модель относится к области осуществления технологических процессов сортировки, загрузки и прессового формования сыпучих веществ, более конкретно, к устройствам для загрузки порошкового металлического или композитного материала на основе углерода с малой текучестью в матрицу пресс-формы и может быть использовано при производстве электродов топливных элементов.
Известно устройство для просеивания порошкообразных продуктов, содержащее средства для их принудительного пропускания через сито в виде жесткого комплекса из двух расположенных друг над другом и соприкасающихся друг с другом решеток с разными размерами ячеек (см. патент РФ по заявке №2004126847/03, опубл. в БИПМ 27.05.2005).
Известное устройство и соответствующий ему способ могут быть использованы для просеивания порошкового материала и получения гранулометрического состава порошкообразных продуктов с размерами частиц от единиц до несколько десятков мкм. Недостатком известного устройства является возможная неравномерность плотности просеиваемого через решетки порошкового материала вследствие отсутствия специальных средств для взаимного горизонтального возвратно-поступательного перемещения решеток с заданной амплитудой.
Наиболее близким техническим решением, к предложенному, является устройство для загрузки порошкового материала в матрицу пресс-формы, содержащее загрузочную кассету, выполненную с возможностью горизонтального возвратно-поступательного перемещения над загрузочной полостью пресс-формы (см. патент РФ по заявке №2005105193/02, опубл. в БИПМ 10.08.2006 - прототип).
Особенностью такого устройства является то, что оно снабжено плитой, выполненной с возможностью горизонтального возвратно-поступательного перемещения внутри станины пресса и образования в положении загрузки порошкового материала общей загрузочной плоскости, а в положении выгрузки изделия с позиции прессования - с возможностью образования зазора между загрузочным столиком и указанной плитой.
Недостатком известного устройства является сложность достижения равномерной плотности засыпки порошкового материала по объему матрицы, что, в случае их малой текучести, не обеспечивает получение при прессовании высококачественного изделия. Использование такого устройства для прессования металлических или углеродных материалов при производстве электродов топливных элементов приводит к значительной неравномерности электрических характеристик и физико-механических свойств прессуемых изделий.
Решаемой задачей полезной модели является создание сравнительно простого и эффективного устройства для загрузки порошкового металлического или композитного материала на основе углерода в матрицу пресс-формы, обеспечивающего равномерную плотность ее засыпки порошковым материалом при высокой скорости заполнения матрицы и одновременной самоочистке элементов устройства от налипающих частиц материала. Дополнительными к указанной являются задачи достижения равномерности электрических свойств материала изделия после его прессования, повышение технологичности устройства и удобства его эксплуатации.
Указанная задача решается тем, что в устройстве для загрузки порошкового электродного материала в матрицу пресс-формы, содержащем загрузочную кассету, выполненную с возможностью горизонтального возвратно-поступательного перемещения над загрузочной полостью пресс-формы, согласно полезной модели, загрузочная кассета выполнена в виде плиты с ячейками, образованными вертикальными пластинами, и снабжена механизмом горизонтального возвратно-поступательного перемещения, выполненного с возможностью колебаний с частотой 1-2 Гц и амплитудой, равной шагу указанных ячеек, между загрузочной полостью пресс-формы и загрузочной кассетой в контакте с ними расположена калибровочная сетка, закрепленная в рамке, причем указанная плита с ячейками и рамка скреплены с первым и вторым вибраторами, выполненными с возможностью колебаний на промышленной частоте сети с амплитудой, равной размеру калибровочной сетки.
Кроме того, ячейки загрузочной кассеты могут быть выполнены в виде сот треугольного, квадратного, прямоугольного или шестигранного сечения, высота которых может превышать глубину полости пресс-формы, отношение ширины сот в направлении перемещения загрузочной кассеты к ширине полости пресс-формы может находиться в диапазоне 6-20, а размер отверстий калибровочной сетки - в диапазоне 0,1-1,5 мм.
Такое выполнение устройства для загрузки порошкового электродного материала в матрицу пресс-формы позволяет решить поставленную задачу благодаря выполнению загрузочной кассеты в виде плиты с ячейками, снабженной механизмом горизонтального возвратно-поступательного перемещения с указанными частотой и амплитудой колебаний, а также наличию указанной калибровочной сетки в рамке, которые снабжены независимыми первым и вторым вибраторами с малой амплитудой колебаний на частоте 50 Гц. Для повышения эффективности устройства ячейки загрузочной кассеты могут быть выполнены в виде сот с указанными сечением и размерами.
Отношение ширины сот в направлении перемещения загрузочной кассеты к ширине полости пресс-формы нежелательно выполнять меньше 6 по причине усложнения конструкции механизма горизонтального возвратно-поступательного перемещения с указанной частотой колебаний при амплитуде, большей, чем 1/6 часть ширины пресс-формы.
При указанном отношении, превышающем 20, в свою очередь, усложняется конструкция самой загрузочной кассеты и увеличивается ее колеблющаяся масса. Указанный диапазон размеров отверстий калибровочной сетки определен экспериментально и является оптимальным для решения поставленной задачи повышения эффективности устройства для загрузки электродного порошкового электродного материала в матрицу пресс-формы.
На фиг.1 схематически изображено сечение устройства.
Устройство загрузки порошкового электродного материала в матрицу пресс-формы содержит загрузочную кассету 1, выполненную с возможностью горизонтального возвратно-поступательного перемещения. Загрузочная кассета 1 выполнена в виде плиты с ячейками 2, образованными вертикальными пластинами 3 для их заполнения порошковым материалом.
Указанная кассета 1 соединена с механизмом 4 горизонтального возвратно - поступательного движения, выполненного с возможностью колебаний с частотой 1-2 Гц и амплитудой, равной шагу указанных ячеек 2. Между загрузочной полостью 5 пресс-формы и загрузочной кассетой 1 в контакте с ними расположена калибровочная сетка 6, закрепленная в рамке 7, причем указанные плита с ячейками 2 и рамка 7 скреплены с первым и вторым вибраторами 8, 9, выполненными с возможностью колебаний на промышленной частоте сети с амплитудой, равной размеру отверстий калибровочной сетки 6.
В данном примере конкретного выполнения устройства ячейки 2 загрузочной кассеты 1 выполнены в виде сот квадратного сечения с шагом 20 мм, а их высота превышает глубину полости 5 пресс-формы на 10-20%. Отношение ширины сот ячеек 2 в направлении перемещения загрузочной кассеты 1 к ширине полости 5 пресс-формы равно 7, а размер отверстий калибровочной сетки равен 1 мм. Прямоугольная в плане полость 5 пресс-формы образована донной плитой и боковыми стенками. Форма сечения ячеек 2 может иметь также вид сот треугольного, квадратного, прямоугольного или шестигранного сечения.
Настройка устройства загрузки порошкового электродного материала в матрицу пресс-формы осуществляется с учетом следующих условий. Калибровочная сетка 6 должна быть плоской за счет натяжения на рамке 7 и должна плотно прилегать к стенкам по периметру заполняемого объема пресс-формы. Нижние кромки пластин 3 ячеек 2 загрузочной кассеты 1 должны плотно прилегать к указанной сетке 6, а сами ячейки 2 должны быть заполнены порошковым электродным материалом на одинаковую высоту. Затем приготавливают порошковый материал с размером фракций 1-100 мкм, состоящий из металлического порошка или из смеси порошков активного угля, сажи и фторопласта в экспериментально подобранных пропорциях.
Устройство загрузки порошкового электродного материала в матрицу пресс-формы функционирует следующим образом.
Порошковый материал, расположенный в ячейках 2 загрузочной кассеты 1 перемещается с помощью механизма 4 горизонтального возвратно-поступательного движения с частотой 1 Гц и амплитудой, равной шагу указанных ячеек 2. Порошковый материал, расположенный в ячейках 2 загрузочной кассеты 1, перемещается относительно калибровочной сетки 6, и просеивается через нее до тех пор, пока не заполнит полость 5 матрицы до уровня сетки 6. После этого просыпанию оставшегося в ячейках 2 порошка препятствует порошок, заполнивший объем полости 5 матрицы. Лишний порошок остается в ячейках 2 загрузочной кассеты 1.
Очистка калибровочной сетки 6 при просеивании осуществляется за счет скольжения по ней нижних кромок пластин 3 ячеек и одновременного приложения вибрации к загрузочной кассете 1 и калибровочной сетке 6. Объем полости 5 матрицы может последовательно заполняться слоями с различным составом электродных порошков. Для этого после просеивания порошка одного состава, загрузочная кассета 1 заполняется порошком другого состава и проводится его просеивание на образовавшийся в матрице предыдущий слой.
Конструкция предложенного устройства была разработана в ОИВТ РАН и успешно прошла испытания на сетках нормальной точности с размером ячеек 0,63 мм, 1 мм и 1,2 мм. Размер ячеек 2 загрузочной кассеты 1 выполнен во всех случаях с шагом 20 мм. Амплитуда качания загрузочной кассеты 1 относительно калибровочной сетки 6 составляла 20 мм с частотой 1 Гц. Амплитуда качания загрузочной кассеты 1 может незначительно превышать размер ячеек 2. Частота вибрации загрузочной кассеты 1 и сетки 6 в различных вариантах выполнения устройства составила 50 Гц с амплитудой 1 мм.
Высота засыпки порошкового материала в ячейки 2 загрузочной кассеты 1 в разных случаях составляла 2, 4, 6 и 8 мм для композитного материала на основе углерода с малой текучестью и 2, 8, 16 мм для металлических порошков.
В результате применения предложенного устройства для прессования электродных порошковых материалов на экспериментальной установке ОИВТ РАН получена неоднородность плотности отпрессованного электродного материала менее 5% при толщинах конечного продукта от 0,1 до 1,5 мм для композитного материала на основе углерода и от 1 до 8 мм для металлического порошка.