高效率抛丸机及关键部件制造工艺和技术的研究


1.引言
金属构件因长期暴露于潮湿空气中造成腐蚀失效,其表面除锈、涂装与防护工艺与装备的关键制造 技术成为国家十二五期间的战略重点。据统计,每年因腐蚀消耗的钢材价值近5 千亿元。传统的酸洗、 电镀等除锈防护技术从环保角度已被国家明令禁止。而通过抛喷丸工艺与装备可以实现金属构件表面的 快速、清洁处理,既提高了表面清理质量,又增加了表面压应力,提升了工件抗腐蚀能力,便于实现数 字化和智能化,已成为目前绿色、高效、智能和环保的表面处理技术 [1-2] 抛丸技术(以高速旋转的叶轮推动金属丸料,在离心力作用下获得加速度后冲击工件表面,达到处理目的)和喷丸技术(利用压缩空气协载金属丸砂,加速冲击工件表面达到处理目的)涉及机械制造、 材料、力学和自动化控制领域,广泛用于工件表面除锈、粗化、去毛刺、褪光、成形和强化等,可实现 对机械零件、铸锻焊件、钢管、钢板、型钢和结构件的表面处理,在空天、造船、汽车、化工、机床、 石油、天然气等能源输送管道以及工程机械领域应用广泛 [3-4] 。然而,我国现有抛喷丸工艺与设备的抛 丸效率较低,不能满足大批量生产要求 [5-6] ,抛丸过程中仍存在如下技术难题:丸砂分离不彻底,加 剧抛丸器耐磨件磨损;抛丸器及其关键部件使用寿命低;设备自动化程度低,制造工艺落后;除 尘设备达不到环保要求。为解决上述难题,山东开泰抛丸机械有限公司与济南大学联合开发了几种新型 的高效抛丸工艺与装备,并对其关键部件的制造技术进行了研究,以期提高抛丸机的抛丸效率和使用寿

2.几种新型抛丸机工作原理
2.1 高效大滚筒抛丸机(标准型号:QGT1500)
结合Q31 系列滚筒式抛丸清理机和Q32 系列履带式抛丸清理机的特点,既克服了Q31 系列不能自动 上卸料、人工劳动强度高的缺点,又克服了Q32 系列承重能力弱,清理量少、效率低的缺点,开发了一 高效率抛丸机及其关键部件制造工艺与技术研究 中国铸造行业第六届高层论坛 201 社会责任与可持续发展 种自动化程度高、工人劳动强度低、设备承载能力强和清理效率高的新型高效大滚筒抛丸机。其主要有 抛丸器,滚筒,密封门,斗式提升机,弹丸分离装置,流丸闸门,上料机构,电控系统,除尘系统,液 压系统等几部分组成,见图1 所示。其工作原理是:料斗装载工件后投入清理滚筒内,滚筒边旋转边受 抛丸器抛出的钢丸抛打,清理好的制品通过滚筒倾斜倒料边回转边排出。在滚筒上升过程中,料斗升到 45,滚筒处在35。摆臂中心与滚筒中心角度为43,如图2a 所示。上料完成后,料斗落回原处, 滚筒开始抛打,在滚筒抛打过程中,滚筒中心在30 度和35之间摆动,见图2b 所示。 抛打以后的钢丸和清理下来的氧化皮、型砂等去除物通过斗式提升机送到上部的丸砂分离器,碎钢 丸和清理下来的去除物被分离开,只有能用的钢丸经弹丸闸门再次供给抛丸器,废物被分离出来。清理 过程中产生的粉尘则通过除尘器被捕捉分离出来。

(a)抛丸机结构;(b)抛丸机实物照片
图1、新型滚筒抛丸清理机的结构
(a)加料过程; (b)抛打过程
图2、新型滚筒抛丸机工作原理

2.2 网带通过式抛丸机
网带通过式抛丸清理机实现了中小型铸件的连续作业,通过两端配置输送装置,可以实现并线作业, 可以实现全自动化作业,既避免了工件之间的碰撞,又大大提高了清理效率。本机有输送系统,清理室, 斗式提升机,抛丸器,流丸闸门,检修平台,弹丸分离装置,纵向螺旋,横向螺旋,高压吹丸系统,送 进壳体,送出壳体,除尘系统以及电控系统部件组成,见图3a 所示。网带通过式抛丸机实物照片见图 4a 所示。采用网带结构,钢丸在抛射的时候,网带的行进速度可以根据工件类型变频调速,抛丸会更 加均匀,清理时间会大大缩短,效率提高。如果前后与各种输送辊道配合,可以实现并线使用,大大减轻工人的劳动强度。清理室采用滚筒结构制造,采用网带结构,钢丸在抛射的时候,工件不会发生碰撞, 也不会掉落到室体下方,非常适合各类铸、锻件,还能处理薄壁怕碰撞的各类零件等。
(a)CAD (b)实物图
图3、网带通过式抛丸清理机的构成
2.3 机械手式抛丸机
机械手式高效智能抛丸机主要由抛丸器、机器人、抛丸清理室、斗式提升机、螺旋输送器、滚筒筛、 分离器、除尘设备等部件组成。该抛丸机是一种间歇式作业的抛丸清理设备,机器人将工件夹持后,伸 入抛丸室旋转并进行定时抛丸清理和强化。交错安装的四台抛丸器,将钢丸高速抛射到汽轮机工件的表 面,实现 100%以上的覆盖率抛丸清理。丸料在低速抛出的情况下对工件进行清理工艺,通过变频系统 提高电机转速的情况下进行工件的强化工艺。抛射到清理室的钢丸,通过V 型槽滑落到螺旋输送器上, 丸料被批次输送到斗式提升机的喂料口,提升后丸料混合物进入螺旋输送器和滚筒筛,丸料进入重力风 选区进行分离,同时粉尘被风机带入布袋或滤筒式除尘器进行收集,少量被风机排出大气。而大部分清 洁丸料进入储丸室。较后钢丸通过流量控制阀进入抛丸器进丸口,进行重复循环。其工作示意图见图4 所示。
(a)结构示意图; (b)实物图
图4、 机械手式抛丸清理机
3.抛丸机关键部件设计与制造技术
3.1 抛丸器及其耐磨件关键制造技术
抛丸器是整个抛丸机的心脏,按电机与分丸轮连接方式分直联抛丸器和分联抛丸器(图 片结构形式上分为曲线叶片抛丸器、双曲面叶片抛丸器和直线叶片抛丸器。目前国内市场占据主导地位的抛丸器主要有美国技术制造的180-4RK 曲线叶片(功率22-45kW),130-2RK 曲线叶片(功率11-22kW), 日本技术制造的 X30(功率 5.5-30kW)、Y360(功率 5.5-30kW),国内(济南铸锻所)技术制造的 034 (功率 5.5-22kW)抛丸器。还有德国 rolser 抛丸器。直线叶片抛丸器 Y360、X30、034 与曲线叶片同 规格的抛丸器对比结构简单、重量轻、制造成本低,安装维护简单。缺点:转速高、震动和噪声不便于 控制。 单曲线叶片(图 6a)抛丸器具有转速低弹丸抛射速度高的特点,曲线叶片的抛丸器和直线叶片的 抛丸器对比,在同等转速下曲线叶片抛器的弹丸速度能提高15%,这个特点更适合大功率低转速的抛丸 器获得高抛射速度。例如130-2RK 抛丸器在2900r/min 可获得81m/s 的弹丸抛射速度,Y360 在3100r/min 时可获得71m/min 的弹丸抛射速度,两种抛丸器圆盘直径相同、速度相同但转速不同,低转速下设备会 得到良好地维护延长使用寿命。青岛铸造机械厂已经将美国技术的180-4RK 和130-2RK 的抛丸器简 化,保留曲线抛头的特点减少体积减轻重量,广泛应用在产品上。 双曲面叶片(图6b)抛丸器如德国Rolser 公司生产的明显C-Tubines 和Gamma-Y 型抛丸器具有以 下优点:提高抛丸速度;优良抗摩擦磨损能力;大大减少能量消耗;超常服务寿命;合适的结构形式; 高的清理质量;低的弹丸消耗;低的部件磨耗和双向转动,精准调节和预加速等。这种抛丸器流畅的移 动,确保了丸料输出时速度的显著提高。这种结构可明显提高抛丸速度和抛丸率,例如在形同叶轮速度 和直径下,C-Tubines 型抛丸器可提速24-30%,Gamma-Y 型抛丸器可提速25% 。相对于传统抛丸器,抛 射能力增加了70%。
(c)单曲面叶片;(d)双曲面叶片
图5、 抛丸器类型及叶片类型
研发了抛丸器耐磨件的复合型壳精铸工艺(面层与过渡层采用硅溶胶锆英砂制壳工艺,背层采用水 玻璃莫来石粉制壳工艺),该工艺采用硅溶胶锆英砂型壳轻型悬挂在线干燥,型壳质量稳定,铸件表面 粗糙度达到Ra 2,尺寸精度达到CT5~CT6。采用水玻璃莫来石粉制壳自动覆砂、挂浆、干燥 等生产工艺,质量稳定,生产效率高;刺复合型壳耐磨件精铸工艺技术比全硅溶胶制壳工艺制造成本低、 制壳周期短,可变换浇注位置,改变液态金属充填方式,从而改变液态金属的凝固顺序,改善组织形态, 减少缺陷,提高耐磨件抗磨性,适应抛丸器高铬铸铁叶片、分丸轮、定向套等耐磨件(图6)的精铸件 生产。
图6、 抛丸器分丸轮、叶片和定向套等耐磨件
抛丸器上的耐磨件由进丸管、定向套、分丸轮、叶片、叶轮和抛丸器耐磨防护衬板组成。叶片利用离心力作用将高速弹丸流抛向所要清理的工件表面,以去除工件表面的粘砂、氧化皮和小的飞边毛刺等, 并得到一定粗糙度的表面。叶片的抗摩擦磨损情况直接影响抛丸器的使用寿命。由于高铬铸铁中存在 C)硬度高许多,其形貌为板条状,改变了渗碳体(Fe C)的蜂窝状形貌,脆性大大降低,耐磨性明显提高,但使用寿命仍有巨大提升空间。本成果技术采用复合型壳精铸工艺,通过控制凝固顺序,使M 定向生长,大大提高了耐磨件的使用寿命,如图 7(a)所示。项目通过增加纳米碳化物改变了高铬铸铁中碳化物 的数量和形貌,提高了铸件的硬度,如图 7(b)所示。通过添加 使初生碳化物团球化,提高了铸件的韧性,如图7(c)、(d)所示。
(a) m7c3定向生长;(b) m7c3SEM形貌;(c) m7c3SEM三维形貌;(d)EDS 分析
图7、耐磨件中碳化物的形貌及物性表征
3.2 溢流满幕帘分离器设计与制造技术
采用SOLIDWORKs 三维建模,采用ANALYSIS对丸渣尘流动过程中动力学性能进行了分析(图8), 建立了丸渣尘的流体力学模型,研发了溢流满幕帘丸渣尘分离装置,实现了风选、滚筒筛选、螺旋输送、 丸料仓储和手动弹丸闸门控制等功能,在变螺距内螺旋和流沙孔的稀密区获得了均匀的弹丸流幕(丸渣 混合物由斗式提升机提至螺旋滚筒筛中,滚筒筛内外均布有螺旋叶片,内螺旋叶片将大块杂物输送至排 渣口排出,过筛后的丸料及粉尘等混合物经滚筒筛的外螺旋叶片即螺旋布料器的推送,使其沿分选区全 长均匀布料,形成如同瀑布一样的丸砂流幕),实现了丸、渣、尘完全分离。洁净的弹丸进入下一次循 环,降低了抛丸器耐磨件的摩擦磨损,提高了清理质量。
图8、溢流式满幕帘丸渣分离器的流体力学模拟与分析
3.3 抛丸清理专用除尘技术
利用拦截、重力、惯性、扩散、电晕和电磁吸附等效应,研发了抛丸清理专用除尘设备,见图 所示,具有布袋除尘、滤筒除尘和静电除尘等特点,利用超细金属线三维编织成折叠滤筒(袋),过滤孔径可控,透气性强,瓦楞深度合理,不怕磕碰,耐破度强,导电导磁,其过滤效率高达 99.999% 上等特点。清灰方式为在线定阻脉冲反吹,降低了电耗;一个相同外形尺寸的金属滤筒与普通折叠纸质滤筒相比,有效过滤面积可提高4 倍,与布袋相比较有效过滤面积可提高5 倍,处理风量大大提高;褶 式滤筒采用一体化结构设计替代了传统袋除尘器中的滤袋和笼骨 使得滤件的安装极为简便,大大减少了每次更换时的工作量,减少停产时间;采用电磁吸附原理,密封效果显著,从而确保除尘器出口粉尘 排放浓度极低;集风机单室除尘和清灰机构于一体,结构紧凑,布置方便灵活;控制方式采用 PLC 编程程序清灰控制系统,监测除尘器的压差变化,当压差达到设定值1000Pa时,控制器自动启动脉冲 清灰系统,利用比工作气流的压力和流量高 3-4 倍的压缩空气,抖动滤筒将表面聚积的粉尘清除,由 于脉冲喷吹清灰频率较低,不仅节约了清灰耗气量,也延长了脉冲阀和滤筒的使用寿命,通常为普通滤料的150-350倍
(a)滤筒除尘示意图;(b)布袋除尘示意图;(c)滤筒除尘CAD图;
图9 抛丸机专用脉冲反吹袋式电磁复合除尘器
4、结论

(1)论述了几种新型高效率抛丸机的工作原理和结构特点,自主设计了抛丸清理室的尺寸和形状,确定了抛丸器数目和其它技术参数。
(2)设计研发了抛丸器及其耐磨件关键制造工艺,设计了溢流满幕帘式丸渣尘分离装置,研发了抛丸清理专用除尘设备,并论述了抛丸机关键部件的制造工艺特点。