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中国抛丸机喷丸机技术与装备现状分析

发布时间:2015-5-22      阅读人次:751次

抛喷丸技术应用范围已从最初的铸锻件粘砂和氧化皮的去除扩展到金属构件的强化、表面加工、抛 喷丸成形等不同的领域,但很多从事抛喷丸技术的工程技术人员由于缺乏对抛喷丸工艺的研究,多侧重于设 
备的设计制造,因而出现国产抛喷丸设备的成套成线性较差、单机较多、成套成线设备稳定性差的问题。另外 抛喷丸工艺已远远超出了铸造机械的范畴,几乎涵盖了所有行业,各行业对本行业的抛喷丸技术与装备都有自己的要求和标准,使得有些标准不统一;希望国家有关部门对抛喷丸技术与装备归口进行调整,统一归口到铸造机械行业管理,对重大技术专项和研发给与支持和扶持。 
  1 抛喷丸技术概述 
  抛喷丸(砂)技术分抛丸、喷丸(砂)技术,也有些行业称喷砂、吹砂、喷珠、喷弹等,最早用于铸造、锻造件等粘砂和氧化皮等的去除。抛丸是利用高速旋转的叶轮把丸砂抛掷出去高速撞击零件表面,达到表面处理的要求,丸砂速度一般在50~lOOnds。喷丸(砂)是以压缩空气带动丸砂通过专门工具(一般包括喷丸器和喷枪),高速喷射于零件表面,利用丸砂的冲击和摩擦作用,达到表面处理要求,丸砂速度一般在30~50m/s。上世纪30年代美国维尔贝莱特(wheelabrator)公司在世界上制成第一台抛丸机。中国的抛喷丸设备生产始于上世纪50年代,主要是仿前苏联技术。60年代初,大丰市铸造机械厂设计生产了一台Q31 lO滚筒式抛丸清理机,标志着中国抛喷丸技术与装备从纯仿制到可自行开发和制造的转变,中国也开始有抛喷丸设备专业生产厂家。多年来抛喷丸技术与装备日臻完善,性能不断提高,应用范围从单纯的铸造业的表面清理扩大到冶金矿山、机械制造、汽车拖拉机、兵器制造、轻纺机械、船舶车辆、航空宇航等不同行业,其工艺范围亦从铸锻件的表面清理扩展到金属结构件的强化、表面加工、抛喷丸成形等不同的领域。随着抛喷丸工艺的广泛应用,至今世界上已经发展了适应各种不同工艺要求的抛喷丸设备上千种规格品种,反过来抛喷丸设备的发展又促进了抛喷丸技术的发展,扩展了抛喷丸工艺的应用。磨料(弹丸或丸砂)是抛喷丸工艺中使用的介质,根据形状、大小、硬度、材料等分成很多类别,根据不同的抛喷丸工艺要求选用,其质量高低也影响了抛喷丸质量,。故磨料也是抛喷丸技术不可或缺的组成部分,与抛喷丸设备一起构成了抛喷丸技术。磨料为钢或铁质等金属材料的抛射一般称为抛喷丸,磨料为石英砂或河沙等非金属材料的抛射一般称为喷砂。 
  2 抛喷丸技术应用范围 
  2.1 金属表面的清理 
  2.1.1 各种铸件的表面清理 
  抛喷丸设备首先应用于铸造业铸钢、铸铁件的表面粘砂及氧化皮的清除。几乎所有的铸钢件、灰铸件、玛钢件、球铁件等都要进行抛喷丸处理。这不仅是为了清除铸件表面氧化皮和粘砂,同时也是铸件质量检查前不可缺少的准备工序, 比如大型气轮机机壳在进行无损探伤以前必须进行严格的抛喷丸清理,以保证探伤结果的可靠性。在一般铸件生产中,抛喷丸清理是发现铸件表面缺陷如皮下气孔、渣孔以及贴砂、冷隔、起皮等的必不可少的工艺手段。有色金属铸件,如铝合金、铜合金等的表面清理,除清除氧化皮、发现铸件的表面缺陷外,更主要的目的是以抛喷丸来清除压铸件的毛刺和获得具有装潢意义的表面质量,获得综合效果。 
  2.1.2 各种锻件及热处理件的抛喷丸清理 
  多数金属工件在锻造热处理加热中会产生表面氧化,这层氧化鳞皮对零件的化学涂层除锈有严重的破坏作用,需要抛喷丸清理。对需要切削加工的零件而言,清除氧化皮是减少刀具磨损、提高切削刀具使用寿命、保持机床精度、控制锻坯尺寸以获得最佳切削状态的必要条件。对自动加工机床这一点更显得重要。经最终热处理的工件进行抛喷丸可以获得清除氧化皮和强化工件的综合效果。几乎绝大多数汽车、拖拉机等车辆的齿轮要进行热处理后的抛喷丸处理。 
  2.1.3 冶金钢铁生产工艺应用 
  冶金钢铁生产中,抛喷丸一酸洗是保证钢铁大量生产中获得高生产率而采用的机械一化学联合去除磷皮的一种工艺方法。硅钢片、不锈钢薄板等其他合金钢板、带的生产中,在冷轧工序过程中必须进行退火一抛喷丸一酸洗处理,以保证冷轧钢板的表面粗糙度及厚度精度。 
  2.1.4 钢板、型钢以及钢结构件的表面抛喷丸清理 
  在重型机器、矿山机械、船舶、车辆制造及各种高中压容器、锅炉制造业中,为使机器获得最佳的表面质量和防锈功能,对其原材料钢板、各种型钢等必须进行抛喷丸除锈、喷漆,一般称为预处理。预处理后金属表面的氧化皮被清除,给以后工序特别是数控自动气切割及各种自动焊接提供了良好的表面准备,因为金属表面有氧化皮的情况下,自动气割及自动焊接的工艺质量难以保证。另外,钢结构经冲压或焊接成型,在进行涂漆以前,要进行整体钢结构的表面抛喷丸除锈,一般称为后处理。这种抛喷丸设备一般是大型、专用的,是针对特定被清理的钢结构设计的,如火车整体车厢、大型集装箱的抛喷丸清理即属于这种类型。以上所述均为以清除金属表面氧化皮为主要目的,其抛喷丸工艺多采用白El铸铁弹丸或是中等硬度的铸钢弹丸,对弹丸的形状及粒度要求不甚严格。铸锻件的抛喷丸清理,为获得较高的抛喷丸清理效率,般采用较大粒度的弹丸,冶金钢珠生产中的不锈钢板硅钢片的抛喷丸清理则常采用较细粒度的弹丸。 
  2.2 金属工件的强化— —提高疲劳强度 
  根据现代金属强度理论,增加金属内部的位错密度,是提高金属强度的主要方向。实践证明抛喷丸是增加金属位错结构的行之有效的工艺方法。这对一些金属不能通过相变硬化(如马氏体淬火等)或实现相变硬化的基础上而要求再进一步强化的工件而言,更具有十分重要的意义。航空、宇航工业、汽车、拖拉机等零部件要求轻质化,但可靠性要求越来越高,其重要工艺措施就是采用抛喷丸工艺提高构件的强度和疲劳强度。 
  2.2.1 弹簧抛喷丸强化 
  弹簧等零部件经各种热处理工艺,仍不能满足负载对工件的要求,在这种情况下,再进行抛喷丸强化可以得到十分显著的效果。实验证明高速发动机的气门弹簧的疲劳断裂寿命,经抛喷丸强化可以由十万次提高到百万次以上,汽车的主负载板簧经抛喷丸强化疲劳强度也能成倍提高。目前高负荷弹簧均采用抛喷丸强化来进一步提高疲劳强度。 
  2.2.2 连杆、扭杆、齿轮等零部件的抛喷丸强化 
  汽车、拖拉机发动机连杆、齿轮及扭杆等零部件由于受结构尺寸限制制造过程中虽然经过热处理其材料力学性能有很大改善,但在运行中仍不能保证其疲劳寿命高于发动机或车辆的整体寿命,因而这些零部件经常因为疲劳失效引起整机破坏性事件。所以这些零部件已普遍采用抛喷丸工艺进行强化,提高其疲劳寿命。抛喷丸强度化工艺已经成为目前汽车、拖拉机、发动机制造业中必不可少的制造工艺,也是最有效、最经济的工艺方法。 
  2.2.3 诸此应用在航空、宇航业等起升支架、螺旋桨等关键部件都进行严格的抛喷丸强化。 
  2.3 表面加工 
  抛喷丸技术已经远远超出了铸造行业等金属表面抛喷丸清理的范围,而发展成为金属表面加工的主要工艺方法之一,与磨削、抛光等跻身于金属表面加工技术行列,并有磨削、抛光所不及的工艺特点。 
  2.3.1 刀具刃具的表面强化 
  钻头,丝锥,成型铣刀、滚刀、绞刀等热处理以后进行抛喷丸来提高工件疲劳强度,清除热处理氧化层,获得装饰性喷抛表面的综合效果。以强化工具刃具为主要目的抛喷丸所用的弹丸要求较高的硬度,一般在45 55HRC;而经马氏体淬火的刀具刃具往往采用石英砂、氧化铝等高硬度弹丸,这些弹丸的粒度也较表面清理用的细小。 
  2.3.2 为获得金属光洁表面的抛喷丸加工 
  在某些情况下,为获得窄细沟槽的光洁表面,采用磨削因受砂轮外形尖锐度的限制,往往显得无能为力或者费用很高,在这种情况下采用细小弹丸来抛射工件,则可达到比较理想的效果。 
  2.3.3 获得一定金属表面毛糙度的抛喷丸加工 
  在钢铁制造业中,一些薄板的表面有一定的特殊要求,如制造搪瓷制品的钢板、热镀铝板、不锈钢板等,为利于涂层与基体金属的结合,要求金属具有定的毛糙度来增加其附着力或亚光效果。获得毛糙度有两种方法,一是采用具有一定毛糙度的精轧 
  辊进行轧制,二是直接进行抛、喷射。第一种方法所用的精轧辊要经热处理淬火硬化得到HS95以上硬度,然后以外圆磨床进行磨削加工,得到一定的轴向鼓形度和Ra0.8的表面粗糙度,然后采用硬度HRC58以上的、形状为多角形的、粒度经严格筛选的弹丸(钢丸)的抛(喷)射,来获得要求的毛糙度。这种表面加工技术是上世纪70年代末武汉钢铁公司一七口口工程从原西德引进的。这种方法主要是对大型制品或批量生产适用。在单件、小批生产的情况下,可以采用第二种方法,金属表面一定毛糙度的获得可以直接用弹丸抛、喷射,而不必以昂贵的轧辊来轧制。 
  2.3.4 装饰镀层的抛喷丸抛光 
  大量的镀铬装饰件,为获得光亮夺目的表层,传统作法是进行布轮抛光,这种抛光劳动条件恶劣,对工人健康危害大,生产效率低。为解决这些问题可以采用抛(喷)丸抛光,抛光用的弹丸亦是含有一定磨料的专用塑料丸。此外,抛喷丸还用来清除细小橡胶制品、塑料制品的毛刺、飞边,具有较高的生产率,代替手工操作。 
  2.4 抛喷丸成形 
  抛喷丸成形工艺是将金属板材料的抛喷丸成形及强化结合起来,已经应用到飞机机翼、机身等薄壳结构的制造中,美国波音飞机采用了抛喷丸成型技术,不仅节省了大型压力机,降低了制造费用,同时还提高了薄壳结构的强度和刚度,对改进飞机的负载性能起了重要作用。 
  2.5 其他方面的应用 
  抛喷丸技术的应用不仅是上述金属材料的加工处理,还应用到非金属的加工中,如剪除各种橡胶制品和塑料制品的毛刺是一件效率低、费人工的操作,现已应用带有冷冻装置的抛喷丸设备,将各种橡胶制品低温冷冻脆化后,在抛喷丸设备中接受弹丸抛、喷射,毛刺很容易被清除。酚醛类塑料制品采用核桃皮制成的弹丸喷射,既可清除毛刺又不破坏其制件的表面粗糙度;变压器总成后要去掉其上的一些多余线头或其它不需要的杂物,采用核桃皮制成的弹丸喷射可有效清除。另外在现代化机场、高速公路的养护中,需要对旧水泥地面清刷干净才能接合新水泥层,采用专用的移动式抛喷丸设备进行地面抛射,得到具有高结合强度的表面,施工效率高,可有效降低工程造价。新型建材,如砌块,已经采用抛喷丸工艺增加砌 
  块的表面效果;大理石等石材业开始采用抛喷丸工艺逐渐代替传统的火烧方法,提高成材率和表面光饰效果。有些模具清理或清洗采用了抛喷丸或喷砂,也有采用喷射干冰等工艺。 
  总之,抛喷丸技术作为一种加工工艺,应用范围越来越广泛,已经从铸造领域脱颖而出渗透到各行各业中,抛喷丸装备市场和应用范围也越来越大、越宽。 
  从上世纪8O年代以后,随着中国改革开放的深入,抛喷丸技术与装备发展非常迅速,很多抛喷丸设备被开发和研制出来,替代了国外进口,生产厂家也越来越多。
   总体来说,目前国内抛丸清理机生产厂家研发能力比较弱,还是以模仿和测绘为主,除几个比较大的设备生产厂家有自己的研发机构和研发人员以外,其它抛喷丸生产厂家技术开发力量很弱,甚至没有,靠低成本、低价格生存,这也是目前中国抛喷丸设备技术水平不高也难以提高的主要原因。 
  3.2 喷砂机(喷丸器) 
  喷砂机及喷砂房等设备是中船重工所属企业和院所上世纪80年代引进日本技术消化吸收而开发的,另外还有航空 业所属企业和院所致力于喷砂技术的开发。喷砂机生产厂家主要分布在北京、上海、重庆、广东东莞等。 
    4 抛喷丸装备市场情况及技术水平 
  4.1 抛喷丸装备市场情况 
  国外高水平抛喷丸设备公司集中在欧美,像美国的潘邦(PANBORN)公司、丹麦的迪砂(DISA)、日本新东(SINTO)、德国施力克(Schlick)等。与中国其它行业类似,国外抛喷丸设备公司在中国经历了合作、引进、合资、独资等过程。2000年以前以作、引进、合资为主。近年来国外先进抛喷丸设备制造厂家也在中国国内建厂,为了保护知识产权,基本是独资或控股,像迪砂公司在青岛已设立工厂;日本新东公司在国内的合资公司青岛新东机械有限公司,其股份已达到95%(另有5%股份属于青岛市机械工业总公司)。国内抛喷丸设备生产企业,生产主要抛喷丸设备,约占80%以上是滚筒式、履带式、转台式、台车式、吊链式、辊道通过式及专机,成套成线设备主要是钢材预处理线,包括上料、预热、抛丸、喷漆、烘干、卸料等工序;其次为喷砂设备。这些抛喷丸设备主要分布在船舶、汽车、工程机、铁路、石油管道等行业。 
  4.2 抛喷丸装备技术水平 
  国内抛喷丸设备技术水平较低,总体达到国外上世纪80年代初期到中期水平。存在的问题是:可靠性差,故障率高;能耗高;作业环境差,环境污染严重;操作者素质和技能比较差,存在安全隐患;设备控制水平较低,自动化水平较低;易损备件不过关,寿命大概是国外的1/5不到。发动机缸体缸盖机械手自动抛丸清理,基本靠国外进口或国内独资企业生产的设备;钢材预处理线设计、制造和电气控制水平较低,宽厚板(宽超过5m、厚超过100mm)钢材预处理线尚靠进口,影响了船舶工业的发展;航空航天工业需要的计算机监控强化和成形控制设备,无论是控制软件还是主要控制元件都要靠国外进口。 
  抛丸清理机设备核心部件抛丸器定向套调整与检测,国外已经实现自动在线调整,定向套窗口磨损情况也已实现在线监测,而国内此项技术尚未开始研究。弹丸电磁流量闸门尚依靠进口。诸如此类,国内抛喷丸设备无论是在机械结构性能还是在设备控制、监测等方面与国外先进技术相比都存在较大差距。 
  5 对中国抛喷丸技术与装备的思考 
  综上所述,我国在抛丸机技术与装备方面与国外先进水平相比差距是非常明显的,主要原因:是我国由于机械工业整体设计与制造水平较低,影响了抛喷丸设备的水平。如抛喷丸设备主要的耐磨材料,耐磨铸铁制造水平大概与国外1970年代水平相当,工艺落后,铸造工艺基本靠手工造型,表面和内在质量都比较差,耐磨寿命低,极大地影响了设备可靠性,增大了设备故障率,加大了用户使用成本;国外很多抛喷丸设备室体或护板采用轧制高锰钢,而国内大多还采用室体使用普通钢材加以铸造高锰钢护板,即使有些使用了轧制高锰钢板,性能方面比国外也有很大差距。所以提高基础原材料及配套元器件的设计和制造水平,才能保证抛丸机设备整体水平的提高,保证设备的可靠性。 
  二是国内企业普遍对产品研发特别是自主研发投入不够,靠低价竞争,甚至没有研发机构或研发人员,拥有自主知识产权的成果比较少,产品技术水平离国外先进技术水平差距越来越大。信息技术应用水平比较低下,产品设计基本采用二维CAD三维CAD设计以及CAM(计算机辅助制造)/CAPP(计算机辅助工艺规程设计)/CAE(计算机辅助分析)/ERP(企业资源规划)等设计验证和管理手段应用比较少,故产品研发周期比较长、差错率比较高、成本比较高,应用到产品控制中的信息技术如人机界面、计算机监控等先进控制技术就更少了。希望国内企业充分意识到这一点,加大研发投入,尽快走出低水平竞争。 
  三是由于院所专业调整等原因,国内专门研究抛喷丸工艺的科研院所比较少,专业研究人员也比较少。在抛喷丸技术基础研究方面比较薄弱。 
  四是随着抛喷丸技术应用领域的拓展'彳艮多从事抛喷丸技术的工程技术人员由于缺乏对抛喷丸工艺的研究,而多侧重于抛喷丸设备设计制造方面,故成套成线性比较差,单机较多,成套成线设备稳定性差。 
  五是国家宏观管理没有到位,缺乏相应的激励政策。目前抛喷丸技术与装备归El济南铸造锻压机械研究所,也仅仅以铸造行业的抛喷丸工艺为主,但目前抛喷丸工艺已远远超出了铸造机械的范畴,几乎涵盖了所有行业,各行各业对本行业的抛喷丸技术与装备都有自己行业的要求和标准,所以造成了有些标准不统一,不好管理。希望对抛喷丸技术与装备归口进行调整,统一归口到铸造机械行业管理,对重大技术专项和研发给与支持和扶持,提高中国抛喷丸设备自主品牌水平,为中国装备制造业的振兴贡献应有的力量。