高效率拋丸機(jī)及關(guān)鍵部件制造工藝和技術(shù)的研究

1．引言
金屬構(gòu)件因長(zhǎng)期暴露于潮濕空氣中造成腐蝕失效，其表面除銹、涂裝與防護(hù)工藝與裝備的關(guān)鍵制造 技術(shù)成為國(guó)家十二五期間的戰(zhàn)略重點(diǎn)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，每年因腐蝕消耗的鋼材價(jià)值近5 千億元。傳統(tǒng)的酸洗、 電鍍等除銹防護(hù)技術(shù)從環(huán)保角度已被國(guó)家明令禁止。而通過(guò)拋噴丸工藝與裝備可以實(shí)現(xiàn)金屬構(gòu)件表面的 快速、清潔處理，既提高了表面清理質(zhì)量，又增加了表面壓應(yīng)力，提升了工件抗腐蝕能力，便于實(shí)現(xiàn)數(shù) 字化和智能化，已成為目前綠色、高效、智能和環(huán)保的表面處理技術(shù) [1-2] 拋丸技術(shù)（以高速旋轉(zhuǎn)的葉輪推動(dòng)金屬丸料，在離心力作用下獲得加速度后沖擊工件表面，達(dá)到處理目的）和噴丸技術(shù)（利用壓縮空氣協(xié)載金屬丸砂，加速?zèng)_擊工件表面達(dá)到處理目的）涉及機(jī)械制造、 材料、力學(xué)和自動(dòng)化控制領(lǐng)域，廣泛用于工件表面除銹、粗化、去毛刺、褪光、成形和強(qiáng)化等，可實(shí)現(xiàn) 對(duì)機(jī)械零件、鑄鍛焊件、鋼管、鋼板、型鋼和結(jié)構(gòu)件的表面處理，在空天、造船、汽車、化工、機(jī)床、 石油、天然氣等能源輸送管道以及工程機(jī)械領(lǐng)域應(yīng)用廣泛 [3-4] 。然而，我國(guó)現(xiàn)有拋噴丸工藝與設(shè)備的拋 丸效率較低，不能滿足大批量生產(chǎn)要求 [5-6] ，拋丸過(guò)程中仍存在如下技術(shù)難題：丸砂分離不徹底，加 劇拋丸器耐磨件磨損；拋丸器及其關(guān)鍵部件使用壽命低；設(shè)備自動(dòng)化程度低，制造工藝落后；除 塵設(shè)備達(dá)不到環(huán)保要求。為解決上述難題，山東開泰拋丸機(jī)械有限公司與濟(jì)南大學(xué)聯(lián)合開發(fā)了幾種新型 的高效拋丸工藝與裝備，并對(duì)其關(guān)鍵部件的制造技術(shù)進(jìn)行了研究，以期提高拋丸機(jī)的拋丸效率和使用壽

2．幾種新型拋丸機(jī)工作原理
2.1 高效大滾筒拋丸機(jī)（標(biāo)準(zhǔn)型號(hào)：QGT1500）
結(jié)合Q31 系列滾筒式拋丸清理機(jī)和Q32 系列履帶式拋丸清理機(jī)的特點(diǎn)，既克服了Q31 系列不能自動(dòng) 上卸料、人工勞動(dòng)強(qiáng)度高的缺點(diǎn)，又克服了Q32 系列承重能力弱，清理量少、效率低的缺點(diǎn)，開發(fā)了一 高效率拋丸機(jī)及其關(guān)鍵部件制造工藝與技術(shù)研究 中國(guó)鑄造行業(yè)第六屆高層論壇 201 社會(huì)責(zé)任與可持續(xù)發(fā)展 種自動(dòng)化程度高、工人勞動(dòng)強(qiáng)度低、設(shè)備承載能力強(qiáng)和清理效率高的新型高效大滾筒拋丸機(jī)。其主要有 拋丸器，滾筒，密封門，斗式提升機(jī)，彈丸分離裝置，流丸閘門，上料機(jī)構(gòu)，電控系統(tǒng)，除塵系統(tǒng)，液 壓系統(tǒng)等幾部分組成，見圖1 所示。其工作原理是：料斗裝載工件后投入清理滾筒內(nèi)，滾筒邊旋轉(zhuǎn)邊受 拋丸器拋出的鋼丸拋打，清理好的制品通過(guò)滾筒傾斜倒料邊回轉(zhuǎn)邊排出。在滾筒上升過(guò)程中，料斗升到 45，滾筒處在35。擺臂中心與滾筒中心角度為43，如圖2a 所示。上料完成后，料斗落回原處， 滾筒開始拋打，在滾筒拋打過(guò)程中，滾筒中心在30 度和35之間擺動(dòng)，見圖2b 所示。 拋打以后的鋼丸和清理下來(lái)的氧化皮、型砂等去除物通過(guò)斗式提升機(jī)送到上部的丸砂分離器，碎鋼 丸和清理下來(lái)的去除物被分離開，只有能用的鋼丸經(jīng)彈丸閘門再次供給拋丸器，廢物被分離出來(lái)。清理 過(guò)程中產(chǎn)生的粉塵則通過(guò)除塵器被捕捉分離出來(lái)。

(a)拋丸機(jī)結(jié)構(gòu)；（b）拋丸機(jī)實(shí)物照片
圖1、新型滾筒拋丸清理機(jī)的結(jié)構(gòu)
(a)加料過(guò)程； (b)拋打過(guò)程
圖2、新型滾筒拋丸機(jī)工作原理

2.2 網(wǎng)帶通過(guò)式拋丸機(jī)
網(wǎng)帶通過(guò)式拋丸清理機(jī)實(shí)現(xiàn)了中小型鑄件的連續(xù)作業(yè)，通過(guò)兩端配置輸送裝置，可以實(shí)現(xiàn)并線作業(yè)， 可以實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化作業(yè)，既避免了工件之間的碰撞，又大大提高了清理效率。本機(jī)有輸送系統(tǒng)，清理室， 斗式提升機(jī)，拋丸器，流丸閘門，檢修平臺(tái)，彈丸分離裝置，縱向螺旋，橫向螺旋，高壓吹丸系統(tǒng)，送 進(jìn)殼體，送出殼體，除塵系統(tǒng)以及電控系統(tǒng)部件組成，見圖3a 所示。網(wǎng)帶通過(guò)式拋丸機(jī)實(shí)物照片見圖 4a 所示。采用網(wǎng)帶結(jié)構(gòu)，鋼丸在拋射的時(shí)候，網(wǎng)帶的行進(jìn)速度可以根據(jù)工件類型變頻調(diào)速，拋丸會(huì)更 加均勻，清理時(shí)間會(huì)大大縮短，效率提高。如果前后與各種輸送輥道配合，可以實(shí)現(xiàn)并線使用，大大減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。清理室采用滾筒結(jié)構(gòu)制造，采用網(wǎng)帶結(jié)構(gòu)，鋼丸在拋射的時(shí)候，工件不會(huì)發(fā)生碰撞， 也不會(huì)掉落到室體下方，非常適合各類鑄、鍛件，還能處理薄壁怕碰撞的各類零件等。
(a)CAD （b）實(shí)物圖
圖3、網(wǎng)帶通過(guò)式拋丸清理機(jī)的構(gòu)成
2.3 機(jī)械手式拋丸機(jī)
機(jī)械手式高效智能拋丸機(jī)主要由拋丸器、機(jī)器人、拋丸清理室、斗式提升機(jī)、螺旋輸送器、滾筒篩、 分離器、除塵設(shè)備等部件組成。該拋丸機(jī)是一種間歇式作業(yè)的拋丸清理設(shè)備，機(jī)器人將工件夾持后，伸 入拋丸室旋轉(zhuǎn)并進(jìn)行定時(shí)拋丸清理和強(qiáng)化。交錯(cuò)安裝的四臺(tái)拋丸器，將鋼丸高速拋射到汽輪機(jī)工件的表 面，實(shí)現(xiàn) 100%以上的覆蓋率拋丸清理。丸料在低速拋出的情況下對(duì)工件進(jìn)行清理工藝，通過(guò)變頻系統(tǒng) 提高電機(jī)轉(zhuǎn)速的情況下進(jìn)行工件的強(qiáng)化工藝。拋射到清理室的鋼丸，通過(guò)V 型槽滑落到螺旋輸送器上， 丸料被批次輸送到斗式提升機(jī)的喂料口，提升后丸料混合物進(jìn)入螺旋輸送器和滾筒篩，丸料進(jìn)入重力風(fēng) 選區(qū)進(jìn)行分離，同時(shí)粉塵被風(fēng)機(jī)帶入布袋或?yàn)V筒式除塵器進(jìn)行收集，少量被風(fēng)機(jī)排出大氣。而大部分清 潔丸料進(jìn)入儲(chǔ)丸室。較后鋼丸通過(guò)流量控制閥進(jìn)入拋丸器進(jìn)丸口，進(jìn)行重復(fù)循環(huán)。其工作示意圖見圖4 所示。
(a)結(jié)構(gòu)示意圖； (b)實(shí)物圖
圖4、 機(jī)械手式拋丸清理機(jī)
3．拋丸機(jī)關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)與制造技術(shù)
3.1 拋丸器及其耐磨件關(guān)鍵制造技術(shù)
拋丸器是整個(gè)拋丸機(jī)的心臟，按電機(jī)與分丸輪連接方式分直聯(lián)拋丸器和分聯(lián)拋丸器（圖 片結(jié)構(gòu)形式上分為曲線葉片拋丸器、雙曲面葉片拋丸器和直線葉片拋丸器。目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)占據(jù)主導(dǎo)地位的拋丸器主要有美國(guó)技術(shù)制造的180-4RK 曲線葉片（功率22-45kW），130-2RK 曲線葉片（功率11-22kW）， 日本技術(shù)制造的 X30（功率 5.5-30kW）、Y360（功率 5.5-30kW），國(guó)內(nèi)（濟(jì)南鑄鍛所）技術(shù)制造的 034 （功率 5.5-22kW）拋丸器。還有德國(guó) rolser 拋丸器。直線葉片拋丸器 Y360、X30、034 與曲線葉片同 規(guī)格的拋丸器對(duì)比結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、重量輕、制造成本低，安裝維護(hù)簡(jiǎn)單。缺點(diǎn)：轉(zhuǎn)速高、震動(dòng)和噪聲不便于 控制。 單曲線葉片（圖 6a）拋丸器具有轉(zhuǎn)速低彈丸拋射速度高的特點(diǎn)，曲線葉片的拋丸器和直線葉片的 拋丸器對(duì)比，在同等轉(zhuǎn)速下曲線葉片拋器的彈丸速度能提高15%，這個(gè)特點(diǎn)更適合大功率低轉(zhuǎn)速的拋丸 器獲得高拋射速度。例如130-2RK 拋丸器在2900r/min 可獲得81m/s 的彈丸拋射速度，Y360 在3100r/min 時(shí)可獲得71m/min 的彈丸拋射速度，兩種拋丸器圓盤直徑相同、速度相同但轉(zhuǎn)速不同，低轉(zhuǎn)速下設(shè)備會(huì) 得到良好地維護(hù)延長(zhǎng)使用壽命。青島鑄造機(jī)械廠已經(jīng)將美國(guó)技術(shù)的180-4RK 和130-2RK 的拋丸器簡(jiǎn) 化，保留曲線拋頭的特點(diǎn)減少體積減輕重量，廣泛應(yīng)用在產(chǎn)品上。 雙曲面葉片（圖6b）拋丸器如德國(guó)Rolser 公司生產(chǎn)的明顯C-Tubines 和Gamma-Y 型拋丸器具有以 下優(yōu)點(diǎn)：提高拋丸速度；優(yōu)良抗摩擦磨損能力；大大減少能量消耗；超常服務(wù)壽命；合適的結(jié)構(gòu)形式； 高的清理質(zhì)量；低的彈丸消耗；低的部件磨耗和雙向轉(zhuǎn)動(dòng)，精準(zhǔn)調(diào)節(jié)和預(yù)加速等。這種拋丸器流暢的移 動(dòng)，確保了丸料輸出時(shí)速度的顯著提高。這種結(jié)構(gòu)可明顯提高拋丸速度和拋丸率，例如在形同葉輪速度 和直徑下，C-Tubines 型拋丸器可提速24-30%，Gamma-Y 型拋丸器可提速25% 。相對(duì)于傳統(tǒng)拋丸器，拋 射能力增加了70%。
(c)單曲面葉片；(d)雙曲面葉片
圖5、 拋丸器類型及葉片類型
研發(fā)了拋丸器耐磨件的復(fù)合型殼精鑄工藝（面層與過(guò)渡層采用硅溶膠鋯英砂制殼工藝，背層采用水 玻璃莫來(lái)石粉制殼工藝），該工藝采用硅溶膠鋯英砂型殼輕型懸掛在線干燥，型殼質(zhì)量穩(wěn)定，鑄件表面 粗糙度達(dá)到Ra 2，尺寸精度達(dá)到CT5～CT6。采用水玻璃莫來(lái)石粉制殼自動(dòng)覆砂、掛漿、干燥 等生產(chǎn)工藝，質(zhì)量穩(wěn)定，生產(chǎn)效率高；刺復(fù)合型殼耐磨件精鑄工藝技術(shù)比全硅溶膠制殼工藝制造成本低、 制殼周期短，可變換澆注位置，改變液態(tài)金屬充填方式，從而改變液態(tài)金屬的凝固順序，改善組織形態(tài)， 減少缺陷，提高耐磨件抗磨性，適應(yīng)拋丸器高鉻鑄鐵葉片、分丸輪、定向套等耐磨件（圖6）的精鑄件 生產(chǎn)。
圖6、 拋丸器分丸輪、葉片和定向套等耐磨件
拋丸器上的耐磨件由進(jìn)丸管、定向套、分丸輪、葉片、葉輪和拋丸器耐磨防護(hù)襯板組成。葉片利用離心力作用將高速?gòu)椡枇鲯佅蛩謇淼墓ぜ砻妫匀コぜ砻娴恼成?、氧化皮和小的飛邊毛刺等， 并得到一定粗糙度的表面。葉片的抗摩擦磨損情況直接影響拋丸器的使用壽命。由于高鉻鑄鐵中存在 C）硬度高許多，其形貌為板條狀，改變了滲碳體（Fe C）的蜂窩狀形貌，脆性大大降低，耐磨性明顯提高，但使用壽命仍有巨大提升空間。本成果技術(shù)采用復(fù)合型殼精鑄工藝，通過(guò)控制凝固順序，使M 定向生長(zhǎng)，大大提高了耐磨件的使用壽命，如圖 7(a)所示。項(xiàng)目通過(guò)增加納米碳化物改變了高鉻鑄鐵中碳化物 的數(shù)量和形貌，提高了鑄件的硬度，如圖 7(b)所示。通過(guò)添加 使初生碳化物團(tuán)球化，提高了鑄件的韌性，如圖7(c)、(d)所示。
(a) m7c3定向生長(zhǎng)；(b) m7c3SEM形貌；(c) m7c3SEM三維形貌；（d）EDS 分析
圖7、耐磨件中碳化物的形貌及物性表征
3.2 溢流滿幕簾分離器設(shè)計(jì)與制造技術(shù)
采用SOLIDWORKs 三維建模，采用ANALYSIS對(duì)丸渣塵流動(dòng)過(guò)程中動(dòng)力學(xué)性能進(jìn)行了分析（圖8）， 建立了丸渣塵的流體力學(xué)模型，研發(fā)了溢流滿幕簾丸渣塵分離裝置，實(shí)現(xiàn)了風(fēng)選、滾筒篩選、螺旋輸送、 丸料倉(cāng)儲(chǔ)和手動(dòng)彈丸閘門控制等功能，在變螺距內(nèi)螺旋和流沙孔的稀密區(qū)獲得了均勻的彈丸流幕（丸渣 混合物由斗式提升機(jī)提至螺旋滾筒篩中，滾筒篩內(nèi)外均布有螺旋葉片，內(nèi)螺旋葉片將大塊雜物輸送至排 渣口排出，過(guò)篩后的丸料及粉塵等混合物經(jīng)滾筒篩的外螺旋葉片即螺旋布料器的推送，使其沿分選區(qū)全 長(zhǎng)均勻布料，形成如同瀑布一樣的丸砂流幕），實(shí)現(xiàn)了丸、渣、塵完全分離。潔凈的彈丸進(jìn)入下一次循 環(huán)，降低了拋丸器耐磨件的摩擦磨損，提高了清理質(zhì)量。
圖8、溢流式滿幕簾丸渣分離器的流體力學(xué)模擬與分析
3.3 拋丸清理專用除塵技術(shù)
利用攔截、重力、慣性、擴(kuò)散、電暈和電磁吸附等效應(yīng)，研發(fā)了拋丸清理專用除塵設(shè)備，見圖 所示，具有布袋除塵、濾筒除塵和靜電除塵等特點(diǎn)，利用超細(xì)金屬線三維編織成折疊濾筒（袋），過(guò)濾孔徑可控，透氣性強(qiáng)，瓦楞深度合理，不怕磕碰，耐破度強(qiáng)，導(dǎo)電導(dǎo)磁，其過(guò)濾效率高達(dá) 99.999% 上等特點(diǎn)。清灰方式為在線定阻脈沖反吹，降低了電耗；一個(gè)相同外形尺寸的金屬濾筒與普通折疊紙質(zhì)濾筒相比，有效過(guò)濾面積可提高4 倍，與布袋相比較有效過(guò)濾面積可提高5 倍，處理風(fēng)量大大提高；褶 式濾筒采用一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)替代了傳統(tǒng)袋除塵器中的濾袋和籠骨 使得濾件的安裝極為簡(jiǎn)便，大大減少了每次更換時(shí)的工作量，減少停產(chǎn)時(shí)間；采用電磁吸附原理，密封效果顯著，從而確保除塵器出口粉塵 排放濃度極低；集風(fēng)機(jī)單室除塵和清灰機(jī)構(gòu)于一體，結(jié)構(gòu)緊湊，布置方便靈活；控制方式采用 PLC 編程程序清灰控制系統(tǒng)，監(jiān)測(cè)除塵器的壓差變化，當(dāng)壓差達(dá)到設(shè)定值1000Pa時(shí)，控制器自動(dòng)啟動(dòng)脈沖 清灰系統(tǒng)，利用比工作氣流的壓力和流量高 3-4 倍的壓縮空氣，抖動(dòng)濾筒將表面聚積的粉塵清除，由 于脈沖噴吹清灰頻率較低，不僅節(jié)約了清灰耗氣量，也延長(zhǎng)了脈沖閥和濾筒的使用壽命，通常為普通濾料的150-350倍
(a)濾筒除塵示意圖；(b)布袋除塵示意圖；(c)濾筒除塵CAD圖；
圖9 拋丸機(jī)專用脈沖反吹袋式電磁復(fù)合除塵器
4、結(jié)論

（1）論述了幾種新型高效率拋丸機(jī)的工作原理和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，自主設(shè)計(jì)了拋丸清理室的尺寸和形狀，確定了拋丸器數(shù)目和其它技術(shù)參數(shù)。
（2）設(shè)計(jì)研發(fā)了拋丸器及其耐磨件關(guān)鍵制造工藝，設(shè)計(jì)了溢流滿幕簾式丸渣塵分離裝置，研發(fā)了拋丸清理專用除塵設(shè)備，并論述了拋丸機(jī)關(guān)鍵部件的制造工藝特點(diǎn)。