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中國拋丸機噴丸機技術與裝備現狀分析

發布時間:2015-5-22      閱讀人次:707次

拋噴丸技術應用范圍已從最初的鑄鍛件粘砂和氧化皮的去除擴展到金屬構件的強化、表面加工、拋 噴丸成形等不同的領域,但很多從事拋噴丸技術的工程技術人員由于缺乏對拋噴丸工藝的研究,多側重于設 
備的設計制造,因而出現國產拋噴丸設備的成套成線性較差、單機較多、成套成線設備穩定性差的問題。另外 拋噴丸工藝已遠遠超出了鑄造機械的范疇,幾乎涵蓋了所有行業,各行業對本行業的拋噴丸技術與裝備都有自己的要求和標準,使得有些標準不統一;希望國家有關部門對拋噴丸技術與裝備歸口進行調整,統一歸口到鑄造機械行業管理,對重大技術專項和研發給與支持和扶持。 
  1 拋噴丸技術概述 
  拋噴丸(砂)技術分拋丸、噴丸(砂)技術,也有些行業稱噴砂、吹砂、噴珠、噴彈等,最早用于鑄造、鍛造件等粘砂和氧化皮等的去除。拋丸是利用高速旋轉的葉輪把丸砂拋擲出去高速撞擊零件表面,達到表面處理的要求,丸砂速度一般在50~lOOnds。噴丸(砂)是以壓縮空氣帶動丸砂通過專門工具(一般包括噴丸器和噴槍),高速噴射于零件表面,利用丸砂的沖擊和摩擦作用,達到表面處理要求,丸砂速度一般在30~50m/s。上世紀30年代美國維爾貝萊特(wheelabrator)公司在世界上制成第一臺拋丸機。中國的拋噴丸設備生產始于上世紀50年代,主要是仿前蘇聯技術。60年代初,大豐市鑄造機械廠設計生產了一臺Q31 lO滾筒式拋丸清理機,標志著中國拋噴丸技術與裝備從純仿制到可自行開發和制造的轉變,中國也開始有拋噴丸設備專業生產廠家。多年來拋噴丸技術與裝備日臻完善,性能不斷提高,應用范圍從單純的鑄造業的表面清理擴大到冶金礦山、機械制造、汽車拖拉機、兵器制造、輕紡機械、船舶車輛、航空宇航等不同行業,其工藝范圍亦從鑄鍛件的表面清理擴展到金屬結構件的強化、表面加工、拋噴丸成形等不同的領域。隨著拋噴丸工藝的廣泛應用,至今世界上已經發展了適應各種不同工藝要求的拋噴丸設備上千種規格品種,反過來拋噴丸設備的發展又促進了拋噴丸技術的發展,擴展了拋噴丸工藝的應用。磨料(彈丸或丸砂)是拋噴丸工藝中使用的介質,根據形狀、大小、硬度、材料等分成很多類別,根據不同的拋噴丸工藝要求選用,其質量高低也影響了拋噴丸質量,。故磨料也是拋噴丸技術不可或缺的組成部分,與拋噴丸設備一起構成了拋噴丸技術。磨料為鋼或鐵質等金屬材料的拋射一般稱為拋噴丸,磨料為石英砂或河沙等非金屬材料的拋射一般稱為噴砂。 
  2 拋噴丸技術應用范圍 
  2.1 金屬表面的清理 
  2.1.1 各種鑄件的表面清理 
  拋噴丸設備首先應用于鑄造業鑄鋼、鑄鐵件的表面粘砂及氧化皮的清除。幾乎所有的鑄鋼件、灰鑄件、瑪鋼件、球鐵件等都要進行拋噴丸處理。這不僅是為了清除鑄件表面氧化皮和粘砂,同時也是鑄件質量檢查前不可缺少的準備工序, 比如大型氣輪機機殼在進行無損探傷以前必須進行嚴格的拋噴丸清理,以保證探傷結果的可靠性。在一般鑄件生產中,拋噴丸清理是發現鑄件表面缺陷如皮下氣孔、渣孔以及貼砂、冷隔、起皮等的必不可少的工藝手段。有色金屬鑄件,如鋁合金、銅合金等的表面清理,除清除氧化皮、發現鑄件的表面缺陷外,更主要的目的是以拋噴丸來清除壓鑄件的毛刺和獲得具有裝潢意義的表面質量,獲得綜合效果。 
  2.1.2 各種鍛件及熱處理件的拋噴丸清理 
  多數金屬工件在鍛造熱處理加熱中會產生表面氧化,這層氧化鱗皮對零件的化學涂層除銹有嚴重的破壞作用,需要拋噴丸清理。對需要切削加工的零件而言,清除氧化皮是減少刀具磨損、提高切削刀具使用壽命、保持機床精度、控制鍛坯尺寸以獲得最佳切削狀態的必要條件。對自動加工機床這一點更顯得重要。經最終熱處理的工件進行拋噴丸可以獲得清除氧化皮和強化工件的綜合效果。幾乎絕大多數汽車、拖拉機等車輛的齒輪要進行熱處理后的拋噴丸處理。 
  2.1.3 冶金鋼鐵生產工藝應用 
  冶金鋼鐵生產中,拋噴丸一酸洗是保證鋼鐵大量生產中獲得高生產率而采用的機械一化學聯合去除磷皮的一種工藝方法。硅鋼片、不銹鋼薄板等其他合金鋼板、帶的生產中,在冷軋工序過程中必須進行退火一拋噴丸一酸洗處理,以保證冷軋鋼板的表面粗糙度及厚度精度。 
  2.1.4 鋼板、型鋼以及鋼結構件的表面拋噴丸清理 
  在重型機器、礦山機械、船舶、車輛制造及各種高中壓容器、鍋爐制造業中,為使機器獲得最佳的表面質量和防銹功能,對其原材料鋼板、各種型鋼等必須進行拋噴丸除銹、噴漆,一般稱為預處理。預處理后金屬表面的氧化皮被清除,給以后工序特別是數控自動氣切割及各種自動焊接提供了良好的表面準備,因為金屬表面有氧化皮的情況下,自動氣割及自動焊接的工藝質量難以保證。另外,鋼結構經沖壓或焊接成型,在進行涂漆以前,要進行整體鋼結構的表面拋噴丸除銹,一般稱為后處理。這種拋噴丸設備一般是大型、專用的,是針對特定被清理的鋼結構設計的,如火車整體車廂、大型集裝箱的拋噴丸清理即屬于這種類型。以上所述均為以清除金屬表面氧化皮為主要目的,其拋噴丸工藝多采用白El鑄鐵彈丸或是中等硬度的鑄鋼彈丸,對彈丸的形狀及粒度要求不甚嚴格。鑄鍛件的拋噴丸清理,為獲得較高的拋噴丸清理效率,般采用較大粒度的彈丸,冶金鋼珠生產中的不銹鋼板硅鋼片的拋噴丸清理則常采用較細粒度的彈丸。 
  2.2 金屬工件的強化— —提高疲勞強度 
  根據現代金屬強度理論,增加金屬內部的位錯密度,是提高金屬強度的主要方向。實踐證明拋噴丸是增加金屬位錯結構的行之有效的工藝方法。這對一些金屬不能通過相變硬化(如馬氏體淬火等)或實現相變硬化的基礎上而要求再進一步強化的工件而言,更具有十分重要的意義。航空、宇航工業、汽車、拖拉機等零部件要求輕質化,但可靠性要求越來越高,其重要工藝措施就是采用拋噴丸工藝提高構件的強度和疲勞強度。 
  2.2.1 彈簧拋噴丸強化 
  彈簧等零部件經各種熱處理工藝,仍不能滿足負載對工件的要求,在這種情況下,再進行拋噴丸強化可以得到十分顯著的效果。實驗證明高速發動機的氣門彈簧的疲勞斷裂壽命,經拋噴丸強化可以由十萬次提高到百萬次以上,汽車的主負載板簧經拋噴丸強化疲勞強度也能成倍提高。目前高負荷彈簧均采用拋噴丸強化來進一步提高疲勞強度。 
  2.2.2 連桿、扭桿、齒輪等零部件的拋噴丸強化 
  汽車、拖拉機發動機連桿、齒輪及扭桿等零部件由于受結構尺寸限制制造過程中雖然經過熱處理其材料力學性能有很大改善,但在運行中仍不能保證其疲勞壽命高于發動機或車輛的整體壽命,因而這些零部件經常因為疲勞失效引起整機破壞性事件。所以這些零部件已普遍采用拋噴丸工藝進行強化,提高其疲勞壽命。拋噴丸強度化工藝已經成為目前汽車、拖拉機、發動機制造業中必不可少的制造工藝,也是最有效、最經濟的工藝方法。 
  2.2.3 諸此應用在航空、宇航業等起升支架、螺旋槳等關鍵部件都進行嚴格的拋噴丸強化。 
  2.3 表面加工 
  拋噴丸技術已經遠遠超出了鑄造行業等金屬表面拋噴丸清理的范圍,而發展成為金屬表面加工的主要工藝方法之一,與磨削、拋光等躋身于金屬表面加工技術行列,并有磨削、拋光所不及的工藝特點。 
  2.3.1 刀具刃具的表面強化 
  鉆頭,絲錐,成型銑刀、滾刀、絞刀等熱處理以后進行拋噴丸來提高工件疲勞強度,清除熱處理氧化層,獲得裝飾性噴拋表面的綜合效果。以強化工具刃具為主要目的拋噴丸所用的彈丸要求較高的硬度,一般在45 55HRC;而經馬氏體淬火的刀具刃具往往采用石英砂、氧化鋁等高硬度彈丸,這些彈丸的粒度也較表面清理用的細小。 
  2.3.2 為獲得金屬光潔表面的拋噴丸加工 
  在某些情況下,為獲得窄細溝槽的光潔表面,采用磨削因受砂輪外形尖銳度的限制,往往顯得無能為力或者費用很高,在這種情況下采用細小彈丸來拋射工件,則可達到比較理想的效果。 
  2.3.3 獲得一定金屬表面毛糙度的拋噴丸加工 
  在鋼鐵制造業中,一些薄板的表面有一定的特殊要求,如制造搪瓷制品的鋼板、熱鍍鋁板、不銹鋼板等,為利于涂層與基體金屬的結合,要求金屬具有定的毛糙度來增加其附著力或亞光效果。獲得毛糙度有兩種方法,一是采用具有一定毛糙度的精軋 
  輥進行軋制,二是直接進行拋、噴射。第一種方法所用的精軋輥要經熱處理淬火硬化得到HS95以上硬度,然后以外圓磨床進行磨削加工,得到一定的軸向鼓形度和Ra0.8的表面粗糙度,然后采用硬度HRC58以上的、形狀為多角形的、粒度經嚴格篩選的彈丸(鋼丸)的拋(噴)射,來獲得要求的毛糙度。這種表面加工技術是上世紀70年代末武漢鋼鐵公司一七口口工程從原西德引進的。這種方法主要是對大型制品或批量生產適用。在單件、小批生產的情況下,可以采用第二種方法,金屬表面一定毛糙度的獲得可以直接用彈丸拋、噴射,而不必以昂貴的軋輥來軋制。 
  2.3.4 裝飾鍍層的拋噴丸拋光 
  大量的鍍鉻裝飾件,為獲得光亮奪目的表層,傳統作法是進行布輪拋光,這種拋光勞動條件惡劣,對工人健康危害大,生產效率低。為解決這些問題可以采用拋(噴)丸拋光,拋光用的彈丸亦是含有一定磨料的專用塑料丸。此外,拋噴丸還用來清除細小橡膠制品、塑料制品的毛刺、飛邊,具有較高的生產率,代替手工操作。 
  2.4 拋噴丸成形 
  拋噴丸成形工藝是將金屬板材料的拋噴丸成形及強化結合起來,已經應用到飛機機翼、機身等薄殼結構的制造中,美國波音飛機采用了拋噴丸成型技術,不僅節省了大型壓力機,降低了制造費用,同時還提高了薄殼結構的強度和剛度,對改進飛機的負載性能起了重要作用。 
  2.5 其他方面的應用 
  拋噴丸技術的應用不僅是上述金屬材料的加工處理,還應用到非金屬的加工中,如剪除各種橡膠制品和塑料制品的毛刺是一件效率低、費人工的操作,現已應用帶有冷凍裝置的拋噴丸設備,將各種橡膠制品低溫冷凍脆化后,在拋噴丸設備中接受彈丸拋、噴射,毛刺很容易被清除。酚醛類塑料制品采用核桃皮制成的彈丸噴射,既可清除毛刺又不破壞其制件的表面粗糙度;變壓器總成后要去掉其上的一些多余線頭或其它不需要的雜物,采用核桃皮制成的彈丸噴射可有效清除。另外在現代化機場、高速公路的養護中,需要對舊水泥地面清刷干凈才能接合新水泥層,采用專用的移動式拋噴丸設備進行地面拋射,得到具有高結合強度的表面,施工效率高,可有效降低工程造價。新型建材,如砌塊,已經采用拋噴丸工藝增加砌 
  塊的表面效果;大理石等石材業開始采用拋噴丸工藝逐漸代替傳統的火燒方法,提高成材率和表面光飾效果。有些模具清理或清洗采用了拋噴丸或噴砂,也有采用噴射干冰等工藝。 
  總之,拋噴丸技術作為一種加工工藝,應用范圍越來越廣泛,已經從鑄造領域脫穎而出滲透到各行各業中,拋噴丸裝備市場和應用范圍也越來越大、越寬。 
  從上世紀8O年代以后,隨著中國改革開放的深入,拋噴丸技術與裝備發展非常迅速,很多拋噴丸設備被開發和研制出來,替代了國外進口,生產廠家也越來越多。
   總體來說,目前國內拋丸清理機生產廠家研發能力比較弱,還是以模仿和測繪為主,除幾個比較大的設備生產廠家有自己的研發機構和研發人員以外,其它拋噴丸生產廠家技術開發力量很弱,甚至沒有,靠低成本、低價格生存,這也是目前中國拋噴丸設備技術水平不高也難以提高的主要原因。 
  3.2 噴砂機(噴丸器) 
  噴砂機及噴砂房等設備是中船重工所屬企業和院所上世紀80年代引進日本技術消化吸收而開發的,另外還有航空 業所屬企業和院所致力于噴砂技術的開發。噴砂機生產廠家主要分布在北京、上海、重慶、廣東東莞等。 
    4 拋噴丸裝備市場情況及技術水平 
  4.1 拋噴丸裝備市場情況 
  國外高水平拋噴丸設備公司集中在歐美,像美國的潘邦(PANBORN)公司、丹麥的迪砂(DISA)、日本新東(SINTO)、德國施力克(Schlick)等。與中國其它行業類似,國外拋噴丸設備公司在中國經歷了合作、引進、合資、獨資等過程。2000年以前以作、引進、合資為主。近年來國外先進拋噴丸設備制造廠家也在中國國內建廠,為了保護知識產權,基本是獨資或控股,像迪砂公司在青島已設立工廠;日本新東公司在國內的合資公司青島新東機械有限公司,其股份已達到95%(另有5%股份屬于青島市機械工業總公司)。國內拋噴丸設備生產企業,生產主要拋噴丸設備,約占80%以上是滾筒式、履帶式、轉臺式、臺車式、吊鏈式、輥道通過式及專機,成套成線設備主要是鋼材預處理線,包括上料、預熱、拋丸、噴漆、烘干、卸料等工序;其次為噴砂設備。這些拋噴丸設備主要分布在船舶、汽車、工程機、鐵路、石油管道等行業。 
  4.2 拋噴丸裝備技術水平 
  國內拋噴丸設備技術水平較低,總體達到國外上世紀80年代初期到中期水平。存在的問題是:可靠性差,故障率高;能耗高;作業環境差,環境污染嚴重;操作者素質和技能比較差,存在安全隱患;設備控制水平較低,自動化水平較低;易損備件不過關,壽命大概是國外的1/5不到。發動機缸體缸蓋機械手自動拋丸清理,基本靠國外進口或國內獨資企業生產的設備;鋼材預處理線設計、制造和電氣控制水平較低,寬厚板(寬超過5m、厚超過100mm)鋼材預處理線尚靠進口,影響了船舶工業的發展;航空航天工業需要的計算機監控強化和成形控制設備,無論是控制軟件還是主要控制元件都要靠國外進口。 
  拋丸清理機設備核心部件拋丸器定向套調整與檢測,國外已經實現自動在線調整,定向套窗口磨損情況也已實現在線監測,而國內此項技術尚未開始研究。彈丸電磁流量閘門尚依靠進口。諸如此類,國內拋噴丸設備無論是在機械結構性能還是在設備控制、監測等方面與國外先進技術相比都存在較大差距。 
  5 對中國拋噴丸技術與裝備的思考 
  綜上所述,我國在拋丸機技術與裝備方面與國外先進水平相比差距是非常明顯的,主要原因:是我國由于機械工業整體設計與制造水平較低,影響了拋噴丸設備的水平。如拋噴丸設備主要的耐磨材料,耐磨鑄鐵制造水平大概與國外1970年代水平相當,工藝落后,鑄造工藝基本靠手工造型,表面和內在質量都比較差,耐磨壽命低,極大地影響了設備可靠性,增大了設備故障率,加大了用戶使用成本;國外很多拋噴丸設備室體或護板采用軋制高錳鋼,而國內大多還采用室體使用普通鋼材加以鑄造高錳鋼護板,即使有些使用了軋制高錳鋼板,性能方面比國外也有很大差距。所以提高基礎原材料及配套元器件的設計和制造水平,才能保證拋丸機設備整體水平的提高,保證設備的可靠性。 
  二是國內企業普遍對產品研發特別是自主研發投入不夠,靠低價競爭,甚至沒有研發機構或研發人員,擁有自主知識產權的成果比較少,產品技術水平離國外先進技術水平差距越來越大。信息技術應用水平比較低下,產品設計基本采用二維CAD三維CAD設計以及CAM(計算機輔助制造)/CAPP(計算機輔助工藝規程設計)/CAE(計算機輔助分析)/ERP(企業資源規劃)等設計驗證和管理手段應用比較少,故產品研發周期比較長、差錯率比較高、成本比較高,應用到產品控制中的信息技術如人機界面、計算機監控等先進控制技術就更少了。希望國內企業充分意識到這一點,加大研發投入,盡快走出低水平競爭。 
  三是由于院所專業調整等原因,國內專門研究拋噴丸工藝的科研院所比較少,專業研究人員也比較少。在拋噴丸技術基礎研究方面比較薄弱。 
  四是隨著拋噴丸技術應用領域的拓展'彳艮多從事拋噴丸技術的工程技術人員由于缺乏對拋噴丸工藝的研究,而多側重于拋噴丸設備設計制造方面,故成套成線性比較差,單機較多,成套成線設備穩定性差。 
  五是國家宏觀管理沒有到位,缺乏相應的激勵政策。目前拋噴丸技術與裝備歸El濟南鑄造鍛壓機械研究所,也僅僅以鑄造行業的拋噴丸工藝為主,但目前拋噴丸工藝已遠遠超出了鑄造機械的范疇,幾乎涵蓋了所有行業,各行各業對本行業的拋噴丸技術與裝備都有自己行業的要求和標準,所以造成了有些標準不統一,不好管理。希望對拋噴丸技術與裝備歸口進行調整,統一歸口到鑄造機械行業管理,對重大技術專項和研發給與支持和扶持,提高中國拋噴丸設備自主品牌水平,為中國裝備制造業的振興貢獻應有的力量。