转轨道式自动抛丸机设计


摘要:抛丸清理机是利用抛丸清理技术对工件进行清理从而达到清理工件、强化工件 的目的。根据吊钩式抛丸清理机的组成及工作原理,可以发现抛丸机不能连续的 进行清理工件。由这一特点,可以将吊钩式抛丸清理机通过改进吊钩轨道的方法 达到连续循环的清理工件,提高抛丸清理机的自动化程度。 本课题主要采用跟踪测绘、观察分析、理论计算、改进修复的设计方法,并以 弹丸循环系统为主线,利用以上设计思路,使设备既要符合理论又要顺应现实的 可行条件及环境。 本文论述了抛丸器高铬铸铁耐磨件复合型壳精密铸造工艺的特点以及生产抛 丸器耐磨件的优势,从抛丸机械公司100T复合型壳精铸生产线角度分析了复 合型壳精铸工艺生产工艺流程以及工序操作特点。并利用光学电镜和洛氏硬度计 分析了高铬铸铁耐磨件的微观组织结构和力学性能,分析了不同热处理方式对其 微观组织结构和硬度的影响。 本文以实际课题为背景对自动抛丸清理机进行了深入研究并作了大量的对比 分析,总结了各配套设备对整体工作效果的各种影响,并进行了详细的理论计算, 对研究抛丸机的工作具有一定的参考价值。
关键词:抛丸机的功用;工作原理:结构;抛丸器;分离器;运载装置;高铬铸铁耐 磨件;复合型壳熔模铸造;微观组织结构

第一章绪论 第一章绪论
1.1表面清理技术及抛丸机概述
1.1.1表面清理技术
表面清理设备是用来清除工件表面氧化物和粘结物,并使工件达到一定的表 面质量要求的设备。主要分为干式清理设备和湿式清理设备两大类。在湿态下进 行清理的湿式清理设备,一般无法清除表面的氧化物,也不能使表面达到一定的 清洁度和粗糙度,而且它的环境污染问题多、投资也较大,一般在特定的条件下 才选用。而干式清理设备由于带有一定的机械切削作用和使工件表面产生塑性变 形的冲击作用,因此它不仅能去除工件表面的粘结物和氧化物,还能使工件表面 达到一定的表面质量要求,且污染问题较少,投资较低,因而得到广泛的采用【l】。 干式清理即在干燥、无液态介质状态下对工件进行清理,这是对铸件、钢结 构件等进行表面除锈、去氧化皮、去除残留型砂的主要方法。按清理机理,可分 无磨料清理和有磨料清理。 无磨料清理是用工件间互相碰刮和摩擦来完成工件表面清理的。为增强清理 效果,常在工件中加人一些星铁。此法主要用在不怕碰撞、单件质量小于50至 lOOkg的小型铸件清理作业中【2】。 有磨料清理是利用高速飞行的弹丸对工件表面进行冲击、切削以达到清理目 的。这种方法能适应各种材质、重量和尺寸的工件,因而是目前干式清理所采用 的主要方法【3l。 按照使弹丸产生速度的方法,有磨料清理分为喷丸清理和抛丸清理两种。喷 丸清理是以压缩空气为动力,将弹丸加速;抛丸清理是利用离心力将弹丸加速。 抛丸是一种机械方面的表面处理工艺的名称,类似的工艺还有喷砂和喷丸。抛 丸的原理是利用高速旋转的抛头将钢丸加速到一定速度后,将高速钢丸流抛向所 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 一定的表面粗糙度的过程〔41,使工件变得美观,或者改变工件的焊接拉应力为压应力,提高工件的使用寿命。通过提高工件表面的粗糙度,也提高了工件后续喷漆 的漆膜附着力。抛丸这种工艺几乎用于机械的大多数领域,如修造船、汽车零部 件、飞机部件、枪炮坦克表面、桥梁、钢结构、玻璃、钢板型材、管道内外壁防 腐甚至道路表面等行业【51。
喷丸清理的特点如下:
(1)可以任意使用金属或非金属弹丸,以适应清理工件表面的不同要求。
(2)清理的灵活性大,容易清理复杂工件的内、外表面和管件的内壁,并且 不受场地限制,可将设备移至特大型工件附近。
(3)设备结构较简单,整机投资少;易损件少,维修费用低。
(4)必须配备大功率的空压站,在清理效果相同条件下,消耗的能量较大。 此外,所清理表面易有湿气,容易再生锈。
(5)清理效率低,操作人员多,劳动强度大。 而相对喷丸清理,抛丸清理有以下特点:
(1)清理效率高,费用低,操作人员少。容易实现机械化,适用于大批量生
(2)不用压缩空气加速弹丸,因而不必设置功率大的空压站,被清理的表面也无湿气。
(3)灵活性差,受场地限制。清理工件时有些盲目性,在工件内表面易产生 清理不到的死角。
(4)设备结构较复杂,易损件多,特别是叶片等零件磨损快,维修工时多, 费用高。
(5)一般情况下不能使用轻而细小的弹丸。钢材表面经弹丸冲击后会产生表 面强化现象,较大时可提高约50%的疲劳强度,其抗腐蚀能力较大时可提高一倍, 表面硬度也将提高。钢材表面经弹丸冲击后,还可消除焊缝的内应力和增加表面 粗糙度,并可显现出材料中的陇蔽裂纹。下表列出了不同材料在抛丸清理前后疲 劳强度的提高值。
表1.1材料抛丸后的疲劳强度提高值

抛丸具有操作简单、耗能少、效率高、适应面广等优点,是金属材料表面改性 的有效方法,抛丸是一项具有无限发展前途和广阔应用空间的表面加工技术。较 近几年抛丸领域出现了微粒冲击、微粒镶嵌镀膜、高能和超声抛丸等新技术。研 究表明,它们在增加表面光洁性、降低摩擦系数、提高耐磨能力、延长使用寿命、 简化氮化过程等方面表现出优异的特性【6】。 抛丸清理方法现在是世界上较经济和较可靠的清理方法。抛丸清理技术跟其它 清理技术相比具有下述优点啊: (1)提高机械产品和金属构件的抗疲劳性能 (2)消除应力集中。 (3)延长其使用寿命。 (4)优化工件的表面工艺状态。 (5)提高清理效率。 (6)减轻清理工作的劳动强度。 (7)减轻环境污染。 对材料表面进行喷丸强化清理,能使材料表面产生冷硬层和表面残余压应力, 从而提高承载能力和延长使用寿命【8】。
1.1.2抛丸清理设备的类型
根据被清理工件的运载方式,抛丸清理设备有翻滚滚式、转台式、车式、输送 带式、悬挂式及组合式等多种类型【9】。翻滚式设备是工件放在具有操作空间的室体 壁上,由运动的室壁带动工件作翻滚运动;转台式设备是工件放在转台上,随着 转台的旋转,改变着工件被清理的位置;车式设备是工件放在能移动的车式承载 装置上,使工件做平移运动或平移加旋转运动;输送带式设备是工件放在水平输 送装置上,工件平移运动或同时转动;悬挂式设备是工件悬挂在连续水平输送的 装置上,工件作平移运动或边移动边旋转,或移动到某一位置后只作旋转运动; 组合式有悬链、台车组合及行车、台车组合等组合形式。 抛丸生产线由上料系统、输送系统、抛丸清理、弹丸回收、喷漆、烘干、卸料 系统、漆雾处理、粉尘处理等组成【101。
1.1.3抛丸清理机的发展历程及前景
19世纪七十年代初,第l台机械离心式喷丸器问世主要用来做喷砂加工,它 的出现标志着喷丸机的核心部件——喷丸器正式诞生。二十世纪初,美国制造出 激冷钢丸,金属弹丸的出现,不仅使喷砂工艺获得迅速发展,而且产生了金属表 面喷丸强化技术。随后在1929年,美国人Zimmefli将喷丸清理技术应用在了弹簧 的表面强化,取得了良好表面清理效果。30--十世纪七十年代末,随着喷丸清理 和喷丸强化技术的迅速发展,喷丸机械的研究随即进入了一个新的发展阶段,从 此,喷丸机械的研究迅猛发展。目前,喷丸设备技术基本以机械离心式和气动式 为主,干湿结合、通用与专用并重的局面【l】。 100多年前世界上制造出了第一台抛丸设备,开始其主要用途为去除各种金属 或非金属表面的杂质、氧化皮,改善工件的表面粗糙度等。经过一个多世纪的发 展,抛丸清理工艺以及设备已经相对比较成熟,并且它的应用已经不仅仅局限在 各种重工业工厂。

随着在美国佰莱泰克(BLASTRAC)诞生的世界上第一台水平 移动式抛丸清理设备,抛丸清理的应用领域也迅速扩展到船舶甲板金属表面处理 以及混凝土表面的涂装处理上,并且引发了该行业的标准制订和行业施工方法的规范【llJ。 随着美国佰莱泰克抛丸处理设备的不断改进和技术成熟,抛丸处理工艺和设备 已经进入欧美发达国家公路养护、桥梁施工和机场维护等领域。中国在抛丸处理 上的应用及技术的发展远远落后于欧美等国家,只是在很少数的机械加工项目中 使用抛丸处理工艺,而在高速公路、市政道路以及混凝土桥梁的防水涂装等绝大 多数非机械的行业中,此技术的应用很少。
1.2课题概述
1.2.1选题的背景及意义
当前,随着技术的成熟和发展,清理设备已经逐渐摆脱了“铸造机械”的范畴, 已不仅仅应用在铸造业,包括高等*公路路面、港口、造船、钢铁冶炼业、铁路机车、汽车的车身、底盘、航空航天及军事领域如飞机机翼、尾翼、军工件等、 工程机械、建筑机械、桥梁工程如建筑塔机、公路跨江跨海钢结构大桥等、电力设备制造业、公路两边的护栏、暖气片、液化气瓶、铝合金、窗框等都是经过抛 丸处理过的,抛丸技术正在影响和改变着我们的生活【121。 国内的机械制造行业的竞争激烈,抛丸机市场的竞争激烈程度也不断的升*。抛丸机制造是典型的制造业,作为机械行业中不可或缺的一员,其为工业生产与 加工提供了各种机械装备和设备。产业转移是驱动我国机械行业发展的重要因素, 由于我国的机械行业拥有较完善的设计和制造产业链,具有综合的人力和原材料 成本较低等优势,因此近年来海外的机械制造纷纷向国内转移,体现在机械产品 的进出口额快速增加。在此良好氛围下,抛丸机制造加工业也一直被看好。抛丸 清理机像许多发明一样源于~种自然现象,它是利用机械离心原理将磨料高速射 出,冲击工件表面致使表面氧化皮、锈层、粘砂或杂质剥落,或使其表面形变并 产生压应力。表面抛丸或喷丸清理与强化所使用的设备及装置类型基本一致,但 两者的应用范围和技术要求是不同的。

在国外,比如美国、德国、日本、法国等,在铸件、压铸件、锻件的表面清理为应用较多的行业,对钢板、H型钢、线材及各种钢材的清理次之【131。抛丸清理 设备抛丸机的关键部件是抛丸器,它从诞生到现在己经有百余年的使用历史,已 经有了完整的理论体系和多种型号的抛丸器产品【l4】。但在国内抛丸清理技术应用 较少。目前在国内,抛丸机械设备及技术做得比较好的有青岛吉川机械公司、比如在山东省有山东大学、济南大学等在对其进行研究。 在国内抛丸机械尚属新兴产业,其应用前景广阔,而在国外,抛丸机械的技术已 经相当成熟。本课题的研究旨在为以后的设计创新打下一个良好的基础,赶超国 外技术,为中国制造业贡献一份力量。
1.2.2课题的选择
目前常用的抛丸清理机有吊钩抛丸机、辊道通过式抛丸机、履带式抛丸机、悬 链式抛丸机等115】。 随着我国经济的高速发展,制造业水平的大幅提高,人们对高精尖产品的不断 需求,一种结构紧凑、高效经济、噪音污染小、成套性能好、自动化程度高的清 理设备的出现迫在眉睫。就目前抛丸清理行业,适于清理小型铸件、锻件、冲压 件、齿轮、弹簧等零件的设备仍然很少。此次与抛丸机械公司合作就是设计 出这样的一套设备。预期设备具有以下特点:寿命长,结构简单;具有良好的分 离效果和较高的生产率;彻底改变工人的工作环境,使粉尘排放浓度低于国家规 定标准;明显减少零件碰撞损伤现象和对环境的噪声污染;清理卸料自动化,降 低工人的劳动强度。 传统的吊钩式抛丸清理机无法实现工件的循环进给,为提高生产效率,实现工 业生产的自动化,在吊钩式抛丸清理机的基础上加以改进,与机械公司 合作设计并制作了转轨道式自动抛丸机。该抛丸机操作时,准备工作完成之后, 机器进行正常生产,此时,工件快速进入抛丸室,吊钩自转机构与吊钩啮合并运 行,带动工件旋转,供丸闸打开,开始清理工作,同时,操作人员在上卸料工位 装卸工件,等给定时间达到之后,供丸阀关闭,抛丸器始终开启,本次清理过程 完成。吊钩自转机构上的链条与吊钩上的链轮脱开,室体内部的工件送出抛丸室, 同时预备工位上的工件快速进入抛丸室,重复上述动作以清理其它工件,从而使 抛丸机实现自动化。

根据工作原理,要想实现工件的循环进给,可以将吊钩改成圆形轨道,或者是 将抛丸室由方形变成近似圆形,从而使工件循环运动,可以实现抛丸清理的自动 不同方式的强化清理能够达到的效果不同,如何实现高效快速而又方便灵活的达到强化清理标准是重中之重,本课题的内容就是通过对不同的强化清理方式进 行分析预算,找出一种较经济适用的方案,通过分析设计后实现转轨道式自动抛 丸机,转轨道式自动抛丸机是吊钩式抛丸机的一种改进形式,选择这个课题对了 解国内制造业和以后在机械设计方向上的发展有很好的帮助。该抛丸机能够达到 的以下特点:
(1)采用大抛丸量、高抛射速度的国际上第四代悬臂离心式抛丸器,显著地 提高了清理效率、可以获得满意的清理质量。
(2)模拟抛射图(包括抛丸器型号、个数和空间布置位置的确定等)及抛丸 机的全部图纸均完全采用计算机辅助设计(CAD)绘制,抛丸器的选用及布置更为合 理。提高了弹丸的利用率和劳动生产率,保证了清理效果,减小了对室体护板的 磨损。
(3)配有lO个吊钩,并配有工件检测装置,达到吊钩上“有工件抛,无工件 不抛’’的目的,满足自动化操作的要求。
(4)清理室内热区采用高铬铸铁材料,相对于以前的橡胶板防护,其使用寿 命大大提高,且外形美观、易于更换,是目前抛丸清理设备中较好的室体防护板, 其使用寿命可达两年以上(按每年300个工作日,每天连续工作8小时)。
(5)分离器采用美国潘邦恩公司BE型满幕帘式分离器技术,分离效果好。
(6)设备结构紧凑,占地面积小;电控系统设有故障检测装置,若设备的某 一部分发生故障,能够具有自动报警的功能;弹丸控制系统采用抛丸机械公司专利技术,电磁控制,简单可靠。 综上所述,本课题通过各种参数计算,结构改造,较终实现稳定高效的强化清理
1.2.3课题研究的内容

本课题是在吊钩式抛丸机的基础上改进了悬链输送机构,使工件实现连续循环 进给,同时为了配合工件的自动循环,对吊钩式抛丸清理机的抛丸清理室、丸料 循环净化系统、吊钩自转机构、除尘系统、控制系统等结构进行了改造,从结构 上实现抛丸清理的自动化,对抛丸器、螺旋输送器等的相关参数进行了优化计算, 同时还对高铬铸铁抗磨材料进行了实验研究,在本机上实现了应用,也为该耐磨 材料的应用提供了一定的理论基础。通过本课题的研究,制作出了一个自动化程 度较高、生产效率较高的抛丸清理机,也为后续自动化抛丸清理机的生产研究提 供了理论及实物参考。目前该抛丸机正在抛丸机械公司批量生产

第二章自动抛丸机的设计方案及工艺流程

21自动抛丸机的方案确定
抛丸机常见的自动化实现方式有以下 三种【16】: 第一种方案为滚筒式抛丸清理,简图 如图2-1所示用于清理单件质量在35蚝以 下的、容易翻转面又不怕碰撞的工件。用 于间歇作业时,小直径滚筒用人工装卸工 件,大直径滚筒备有机械化设备装卸工件。 连续式用于大批量生产,装卸料可连续进 第二种方案为间歇作业式抛丸清理,如图2.2所示用于清理中、小型怕碰撞的 工件,易于实现机械化装卸料,生产效率 比转筒式高。它的铸件运转装置有两个圆 形端盘和一条封闭的履带组成。可以借助 履带的反转卸出铸件,实现了装卸机械 第三种方案为悬链式抛丸清理,如图2.3所示适于大批量生产的中小型工件。 生产效率高,易组成连续自动生产线。体 积较大、结构复杂。
图2.1滚筒式抛丸清理
图2-2间歇作业式
图2.3悬链式抛丸清理
综上所述,本课题设计的转轨道式自动抛丸机采用了第三种方案。根据预期设计目标,要求设备具有结构紧凑、高效 经济、污染小等特点,并且适合于大批量生产零件的抛丸清理,此方案装料卸料 自动化,大幅度降低了操作工人的劳动强度,并且能够满足自动化生产设备的基 本标准,改善了工人的工作环境。
2.2吊钩式抛丸机的结构及工艺流程
2.2.1吊钩式抛丸机的结构
吊钩式抛丸清理机主要由抛丸清理室、气动开关门、抛丸器总成、丸料循环净 化系统、悬链输送机、工件自转机构、除尘系统和控制系统等部分组成,适合各 种型号的齿轮和曲轴清理,其中包括吊钩、重卡、轻卡、公共汽车、各种小车的 部件等【171。广泛应用于工程机械、铸造,汽车制造厂。
1、抛丸清理室: 抛丸清理室的侧壁为大功率抛丸器总成,保证对被清理工件进行全面的抛丸清 理,室体内衬防护板均采用优质进口Mnl2护板,抛丸器的布置经过计算机三维动 态模拟,所有布置的角度、位置均由计算机设计确定。在照顾所有需清理工件的 基础上,尽量减少弹丸的空抛,从而较大限度地提高了弹丸的利用率,减少了对 清理室内防护板的磨损。 清理室顶部吊钩行走槽处采用护板、多层抗磨胶版,并且底层为耐冲击的聚胺 脂板密封,顶部尼龙刷组成迷宫式密封带,以杜绝弹丸反弹至室体外。同时抛丸 室进出口密封附室采用弹性夹钢耐磨橡胶板密封。 室体底部设有集丸料斗,料斗上面全部设有穿孔筛板,对弹丸进行筛选,只有 合格弹丸落入料斗进行循环使用,大块物料落在筛板上面,人工定期进行清理, 这样可安全有效地保护弹丸循环系统及抛丸器,穿孔筛板上面全部铺设材料为 ZGMnl3的铸孔板进行防护。
2、抛丸器总成:

抛丸器总成由抛丸器、电机等组成。一般有2 ̄4台抛丸器,抛丸器引进国外先 进技术,抛丸量大、易损件耐磨程度高。它的易磨损件采用高铬钢制成,具有很 高的耐磨性,它具有下述优点【18】:
(1)高效:特殊的分丸轮结构,抛丸比能可达到16.5ke/min kw。
(2)叶片装拆迅速。
(3)采用单圆盘叶轮,稳定性好,抛射区集中,抛丸均匀。
(4)抛丸器中的叶片、分丸轮、定向套等,采用高铬耐磨材料,经特殊热处 理工艺制作而成,使叶片重量差控制在5克之内,大大降低抛丸器运行时的噪声, 延长了易损件的寿命。
(5)外形美观、结构精致、制造维修方便,噪声低。
(6)抛丸器上安装有限位装置:在打开抛丸器顶盖进行检修时,保证设备不 能启动,从而保护检修人员的安全。
3、磨料净化:净化器采用了传统的可调窗帘系统,选择性地筛选系统(振动 筛)的应用,需要一个更精确的研磨材料的分类。
4、螺旋输送机/提升机:输送带和提升机一般都很大,是完全密封的,由齿轮 马达驱动。提升机料斗的材料是铸造球墨铸铁,具有较高的耐磨性。
5、吊钩:抛丸机吊钩的运动是通过一个齿轮马达驱动,产生的传动力直接作 用在吊钩上。吊钩吊装的工件运动到直接暴露在叶片抛出的磨料到达的位置,实 现对工件的抛丸清理。该吊架的旋转和前进速度通过变频器控制【191。 6、除尘系统:结构紧凑,排气系统采用筒式过滤元件,具有通过脉冲射流, 该系统可达到污染物排放和安全工作的国际标准。 吊钩式抛丸机适用范围:
1.除砂和铸件的较终抛丸清理,尤其适用于易于遭受破碎和碰撞危险的工
2.锻件的除锈和工件的表面强化。
3.工件表面除锈、粗糙化和清理。
4.工件表面强化。
5.塑料件的去毛刺。

2.2.2吊钩式抛丸机的工艺流程
抛丸机工作时,抛丸器抛出弹丸及砂粒经橡胶履带上的孔,流入底部的钢板网 筛,经螺旋输送器送入提升机内,由提升机提入分离器内进行分离,粉尘由风机 吸到除尘器中进行过滤,清洁空气排入大气中,布袋上的灰尘经空气反吹后落入 除尘器底部的集尘箱中,使用中可以定期清理,废砂由废料口流出,也可以回收 再利用,砂丸混合物由回用管回收进室体,待分离器分离后再回用,干净的弹丸 由电磁供丸闸门进入抛丸器抛打工件【20】。
2.3转轨道式自动抛丸机的工艺流程及工作原理
2.3.1转轨道式自动抛丸机的结构
通过以上分析发现,吊钩式抛丸清理机*先在结构上不能实现自动化生产,无 法适应当前快速发展的工业自动化,同时它的易磨损件采用了高锰材料或高铬钢 制成,耐磨度较低、成本高,不适合企业的批量生产。因此设计了转轨道式自动 抛丸清理机,它的结构是在吊钩式抛丸机的基础上加以改进,实现了抛丸清理的 自动化。 转轨道式自动抛丸清理机为吊钩式清理设备,由抛丸清理室、提升机、分离器、 螺旋输送器、抛丸器总成、弹丸控制系统、吊钩行走轨道、吊钩系统、自转装置、 地基、除尘系统及电气控制部分等组成。
2.3.2工艺流程

转轨道式自动抛丸机是一种特殊的自动化设备,其具体工作过程如下:装零件 一一步进一一抛丸清理一一步进一一卸零件一一装零件。其工艺流程图见上图。 工件在吊具的吊装下进入抛丸清理室,当进入抛丸清理区后,悬链自动停止, 工件在自转机构的驱动下自转,同时抛丸器对工件进行抛丸清理,清理完毕,弹 丸控制器停止供丸,工件在悬链输送系统的驱动下被输送出抛丸清理室,同时下 一钩吊装的工件被输送进抛丸清理室,重复以上过程,对工件进行高效率的抛丸 清理。
图2.4 工艺流程

2.3.3工作原理

本产品由PLC控制。操作时,准备工作完成之后,机器进行正常生产。此时, 工件快速进入抛丸室,吊钩自转机构与吊钩啮合并运行,带动工件旋转,供丸闸 打开,开始清理工作,同时,操作人员在上卸料工位装卸工件,等给定时间达到 之后,供丸阀关闭,抛丸器始终开启,本次清理过程完成。吊钩自转机构上的链 条与吊钩上的链轮脱开,室体内部的工件送出抛丸室,同时预备工位上的工件快 速进入抛丸室,重复上述动作以清理其它工件。
2.4本章小结
l、本章主要通过对现在常用的几种抛丸机自动化实现的方案进行对比,选择 了适合不同抛丸机的不同方案,以达到抛丸机清理不同类型工件及实现自动化的 目的。
2、分析了吊钩式抛丸机的结构特点及工作方式,通过分析发现了吊钩式抛丸 机的优点,以及在设计上的不足之处。
3、根据工业自动化的需要,提出了转轨道式自动抛丸机设计的工作流程及工 作原理,根据此工作原理展开自动抛丸机的设计研究。

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