1.引言

　　金屬構件因長期暴露于潮濕空氣中造成腐蝕失效，其表面除鏽、塗裝與防護工藝與裝備的關鍵制造 技術成為國家十二五期間的戰略重點。據統計，每年因腐蝕消耗的鋼材價值近5 千億元。傳統的酸洗、 電鍍等除鏽防護技術從環保角度已被國家明令禁止。而通過抛噴丸工藝與裝備可以實現金屬構件表面的 快速、清潔處理，既提高了表面清理質量，又增加了表面壓應力，提升了工件抗腐蝕能力，便于實現數 字化和智能化，已成為目前綠色、高效、智能和環保的表面處理技術 [1-2] 抛丸技術(以高速旋轉的葉輪推動金屬丸料，在離心力作用下獲得加速度後沖擊工件表面，達到處理目的)和噴丸技術(利用壓縮空氣協載金屬丸砂，加速沖擊工件表面達到處理目的)涉及機械制造、 材料、力學和自動化控制領域，廣泛用于工件表面除鏽、粗化、去毛刺、褪光、成形和強化等，可實現 對機械零件、鑄鍛焊件、鋼管、鋼闆、型鋼和結構件的表面處理，在空天、造船、汽車、化工、機床、 石油、天然氣等能源輸送管道以及工程機械領域應用廣泛 [3-4] 。然而，我國現有抛噴丸工藝與設備的抛 丸效率較低，不能滿足大批量生産要求 [5-6] ，抛丸過程中仍存在如下技術難題：丸砂分離不徹底，加 劇抛丸器耐磨件磨損;抛丸器及其關鍵部件使用壽命低;設備自動化程度低，制造工藝落後;除 塵設備達不到環保要求。為解決上述難題，山東開泰抛丸機械有限公司與濟南大學聯合開發了幾種新型 的高效抛丸工藝與裝備，并對其關鍵部件的制造技術進行了研究，以期提高抛丸機的抛丸效率和使用壽

　　2.幾種新型抛丸機工作原理

　　2.1 高效大滾筒抛丸機(标準型号：QGT1500)

　　結合Q31 系列滾筒式抛丸清理機和Q32 系列履帶式抛丸清理機的特點，既克服了Q31 系列不能自動 上卸料、人工勞動強度高的缺點，又克服了Q32 系列承重能力弱，清理量少、效率低的缺點，開發了一 高效率抛丸機及其關鍵部件制造工藝與技術研究 中國鑄造行業第六屆高層論壇 201 社會責任與可持續發展 種自動化程度高、工人勞動強度低、設備承載能力強和清理效率高的新型高效大滾筒抛丸機。其主要有 抛丸器，滾筒，密封門，鬥式提升機，彈丸分離裝置，流丸閘門，上料機構，電控系統，除塵系統，液 壓系統等幾部分組成，見圖1 所示。其工作原理是：料鬥裝載工件後投入清理滾筒内，滾筒邊旋轉邊受 抛丸器抛出的鋼丸抛打，清理好的制品通過滾筒傾斜倒料邊回轉邊排出。在滾筒上升過程中，料鬥升到 45，滾筒處在35。擺臂中心與滾筒中心角度為43，如圖2a 所示。上料完成後，料鬥落回原處， 滾筒開始抛打，在滾筒抛打過程中，滾筒中心在30 度和35之間擺動，見圖2b 所示。 抛打以後的鋼丸和清理下來的氧化皮、型砂等去除物通過鬥式提升機送到上部的丸砂分離器，碎鋼 丸和清理下來的去除物被分離開，隻有能用的鋼丸經彈丸閘門再次供給抛丸器，廢物被分離出來。清理 過程中産生的粉塵則通過除塵器被捕捉分離出來。

　　(a)抛丸機結構;(b)抛丸機實物照片

　　圖1、新型滾筒抛丸清理機的結構

　　(a)加料過程; (b)抛打過程

　　圖2、新型滾筒抛丸機工作原理

　　2.2 網帶通過式抛丸機

　　網帶通過式抛丸清理機實現了中小型鑄件的連續作業，通過兩端配置輸送裝置，可以實現并線作業， 可以實現全自動化作業，既避免了工件之間的碰撞，又大大提高了清理效率。本機有輸送系統，清理室， 鬥式提升機，抛丸器，流丸閘門，檢修平台，彈丸分離裝置，縱向螺旋，橫向螺旋，高壓吹丸系統，送 進殼體，送出殼體，除塵系統以及電控系統部件組成，見圖3a 所示。網帶通過式抛丸機實物照片見圖 4a 所示。采用網帶結構，鋼丸在抛射的時候，網帶的行進速度可以根據工件類型變頻調速，抛丸會更 加均勻，清理時間會大大縮短，效率提高。如果前後與各種輸送輥道配合，可以實現并線使用，大大減輕工人的勞動強度。清理室采用滾筒結構制造，采用網帶結構，鋼丸在抛射的時候，工件不會發生碰撞， 也不會掉落到室體下方，非常适合各類鑄、鍛件，還能處理薄壁怕碰撞的各類零件等。

　　(a)CAD (b)實物圖

　　圖3、網帶通過式抛丸清理機的構成

　　2.3 機械手式抛丸機

　　機械手式高效智能抛丸機主要由抛丸器、機器人、抛丸清理室、鬥式提升機、螺旋輸送器、滾筒篩、 分離器、除塵設備等部件組成。該抛丸機是一種間歇式作業的抛丸清理設備，機器人将工件夾持後，伸 入抛丸室旋轉并進行定時抛丸清理和強化。交錯安裝的四台抛丸器，将鋼丸高速抛射到汽輪機工件的表 面，實現 100%以上的覆蓋率抛丸清理。丸料在低速抛出的情況下對工件進行清理工藝，通過變頻系統 提高電機轉速的情況下進行工件的強化工藝。抛射到清理室的鋼丸，通過V 型槽滑落到螺旋輸送器上， 丸料被批次輸送到鬥式提升機的喂料口，提升後丸料混合物進入螺旋輸送器和滾筒篩，丸料進入重力風 選區進行分離，同時粉塵被風機帶入布袋或濾筒式除塵器進行收集，少量被風機排出大氣。而大部分清 潔丸料進入儲丸室。較後鋼丸通過流量控制閥進入抛丸器進丸口，進行重複循環。其工作示意圖見圖4 所示。

　　(a)結構示意圖; (b)實物圖

　　圖4、 機械手式抛丸清理機

　　3.抛丸機關鍵部件設計與制造技術

　　3.1 抛丸器及其耐磨件關鍵制造技術

　　抛丸器是整個抛丸機的心髒，按電機與分丸輪連接方式分直聯抛丸器和分聯抛丸器(圖 片結構形式上分為曲線葉片抛丸器、雙曲面葉片抛丸器和直線葉片抛丸器。目前國内市場占據主導地位的抛丸器主要有美國技術制造的180-4RK 曲線葉片(功率22-45kW)，130-2RK 曲線葉片(功率11-22kW)， 日本技術制造的 X30(功率 5.5-30kW)、Y360(功率 5.5-30kW)，國内(濟南鑄鍛所)技術制造的 034 (功率 5.5-22kW)抛丸器。還有德國 rolser 抛丸器。直線葉片抛丸器 Y360、X30、034 與曲線葉片同 規格的抛丸器對比結構簡單、重量輕、制造成本低，安裝維護簡單。缺點：轉速高、震動和噪聲不便于 控制。 單曲線葉片(圖 6a)抛丸器具有轉速低彈丸抛射速度高的特點，曲線葉片的抛丸器和直線葉片的 抛丸器對比，在同等轉速下曲線葉片抛器的彈丸速度能提高15%，這個特點更适合大功率低轉速的抛丸 器獲得高抛射速度。例如130-2RK 抛丸器在2900r/min 可獲得81m/s 的彈丸抛射速度，Y360 在3100r/min 時可獲得71m/min 的彈丸抛射速度，兩種抛丸器圓盤直徑相同、速度相同但轉速不同，低轉速下設備會 得到良好地維護延長使用壽命。青島鑄造機械廠已經将美國技術的180-4RK 和130-2RK 的抛丸器簡 化，保留曲線抛頭的特點減少體積減輕重量，廣泛應用在産品上。 雙曲面葉片(圖6b)抛丸器如德國Rolser 公司生産的明顯C-Tubines 和Gamma-Y 型抛丸器具有以 下優點：提高抛丸速度;優良抗摩擦磨損能力;大大減少能量消耗;超常服務壽命;合适的結構形式; 高的清理質量;低的彈丸消耗;低的部件磨耗和雙向轉動，精準調節和預加速等。這種抛丸器流暢的移 動，确保了丸料輸出時速度的顯著提高。這種結構可明顯提高抛丸速度和抛丸率，例如在形同葉輪速度 和直徑下，C-Tubines 型抛丸器可提速24-30%，Gamma-Y 型抛丸器可提速25% 。相對于傳統抛丸器，抛 射能力增加了70%。

　　(c)單曲面葉片;(d)雙曲面葉片

　　圖5、 抛丸器類型及葉片類型

　　研發了抛丸器耐磨件的複合型殼精鑄工藝(面層與過渡層采用矽溶膠锆英砂制殼工藝，背層采用水 玻璃莫來石粉制殼工藝)，該工藝采用矽溶膠锆英砂型殼輕型懸挂在線幹燥，型殼質量穩定，鑄件表面 粗糙度達到Ra 2，尺寸精度達到CT5～CT6。采用水玻璃莫來石粉制殼自動覆砂、挂漿、幹燥 等生産工藝，質量穩定，生産效率高;刺複合型殼耐磨件精鑄工藝技術比全矽溶膠制殼工藝制造成本低、 制殼周期短，可變換澆注位置，改變液态金屬充填方式，從而改變液态金屬的凝固順序，改善組織形态， 減少缺陷，提高耐磨件抗磨性，适應抛丸器高鉻鑄鐵葉片、分丸輪、定向套等耐磨件(圖6)的精鑄件 生産。

　　圖6、 抛丸器分丸輪、葉片和定向套等耐磨件

　　抛丸器上的耐磨件由進丸管、定向套、分丸輪、葉片、葉輪和抛丸器耐磨防護襯闆組成。葉片利用離心力作用将高速彈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抛丸器的使用壽命。由于高鉻鑄鐵中存在 C)硬度高許多，其形貌為闆條狀，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。本成果技術采用複合型殼精鑄工藝，通過控制凝固順序，使M 定向生長，大大提高了耐磨件的使用壽命，如圖 7(a)所示。項目通過增加納米碳化物改變了高鉻鑄鐵中碳化物 的數量和形貌，提高了鑄件的硬度，如圖 7(b)所示。通過添加 使初生碳化物團球化，提高了鑄件的韌性，如圖7(c)、(d)所示。

　　(a) m7c3定向生長;(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計與制造技術

　　采用SOLIDWORKs 三維建模，采用ANALYSIS對丸渣塵流動過程中動力學性能進行了分析(圖8)， 建立了丸渣塵的流體力學模型，研發了溢流滿幕簾丸渣塵分離裝置，實現了風選、滾筒篩選、螺旋輸送、 丸料倉儲和手動彈丸閘門控制等功能，在變螺距内螺旋和流沙孔的稀密區獲得了均勻的彈丸流幕(丸渣 混合物由鬥式提升機提至螺旋滾筒篩中，滾筒篩内外均布有螺旋葉片，内螺旋葉片将大塊雜物輸送至排 渣口排出，過篩後的丸料及粉塵等混合物經滾筒篩的外螺旋葉片即螺旋布料器的推送，使其沿分選區全 長均勻布料，形成如同瀑布一樣的丸砂流幕)，實現了丸、渣、塵完全分離。潔淨的彈丸進入下一次循 環，降低了抛丸器耐磨件的摩擦磨損，提高了清理質量。

　　圖8、溢流式滿幕簾丸渣分離器的流體力學模拟與分析

　　3.3 抛丸清理專用除塵技術

　　利用攔截、重力、慣性、擴散、電暈和電磁吸附等效應，研發了抛丸清理專用除塵設備，見圖 所示，具有布袋除塵、濾筒除塵和靜電除塵等特點，利用超細金屬線三維編織成折疊濾筒(袋)，過濾孔徑可控，透氣性強，瓦楞深度合理，不怕磕碰，耐破度強，導電導磁，其過濾效率高達 99.999% 上等特點。清灰方式為在線定阻脈沖反吹，降低了電耗;一個相同外形尺寸的金屬濾筒與普通折疊紙質濾筒相比，有效過濾面積可提高4 倍，與布袋相比較有效過濾面積可提高5 倍，處理風量大大提高;褶 式濾筒采用一體化結構設計替代了傳統袋除塵器中的濾袋和籠骨 使得濾件的安裝極為簡便，大大減少了每次更換時的工作量，減少停産時間;

采用電磁吸附原理，密封效果顯著，從而确保除塵器出口粉塵 排放濃度極低;集風機單室除塵和清灰機構于一體，結構緊湊，布置方便靈活;控制方式采用 PLC 編程程序清灰控制系統，監測除塵器的壓差變化，當壓差達到設定值1000Pa時，控制器自動啟動脈沖 清灰系統，利用比工作氣流的壓力和流量高 3-4 倍的壓縮空氣，抖動濾筒将表面聚積的粉塵清除，由 于脈沖噴吹清灰頻率較低，不僅節約了清灰耗氣量，也延長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 抛丸機專用脈沖反吹袋式電磁複合除塵器

　　4、結論

　　(1)論述了幾種新型高效率抛丸機的工作原理和結構特點，自主設計了抛丸清理室的尺寸和形狀，确定了抛丸器數目和其它技術參數。

　　(2)設計研發了抛丸器及其耐磨件關鍵制造工藝，設計了溢流滿幕簾式丸渣塵分離裝置，研發了抛丸清理專用除塵設備，并論述了抛丸機關鍵部件的制造工藝特點。

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