拋丸機清理設備選型及研磨鋼丸替代鑄鋼丸

文/曹國輝，王影，劉念·一汽鍛造（吉林）有限公司

拋丸機清理設備選型及研磨鋼丸替代鑄鋼丸

文/曹國輝，王影，劉念·一汽鍛造（吉林）有限公司

曹國輝：熱處理工藝員、工程師，主要從事鍛件鍛后熱處理、清理工作。工作期間完成DQ200系列齒輪的熱處理工藝開發，二廠區新建曲軸調質懸掛線初始工藝調試及鍛鋼活塞熱處理工藝開發等工作。

拋丸工藝

拋丸是一種機械方面的表面處理工藝的名稱，是一個冷處理過程，分為拋丸清理和拋丸強化。

拋丸清理與拋丸強化最主要的區別在于拋丸器、拋丸速度的不同。

拋丸清理是為了去除表面氧化皮等雜質、提高外觀質量，鋼丸經過拋丸器加速后線速度一般≤60m/s，拋丸清理主要應用在有后序機加工及最終熱處理工序的鍛件預處理工序。

拋丸強化是利用高速運動的鋼丸（60～110m/s）連續沖擊被強化工件表面，迫使靶材表面和表層（0.10～0.85mm）在循環性變形過程中發生以下變化：⑴顯微組織結構發生改性；⑵非均勻的塑變外表層引入殘余壓應力，內表層產生殘余拉應力；⑶外表面粗糙度發生變化，提高零件疲勞壽命。拋丸強化主要應用在后序處理僅有局部處理（如：局部機加工，中、高頻感應淬火等）的鍛件，成為最終處理工序的組成部分。

典型鍛件的拋丸設備選擇

我公司主要產品系列如下：

⑴載重卡車用發動機系統鍛件（連桿、曲軸、活塞等）、轉向系統鍛件（轉向節、轉向節臂、凸輪軸等）、傳動系統鍛件（變速箱齒軸、突緣、殼體等）。

⑵轎車發動機系統鍛件（曲軸等）、傳動系統鍛件（變速箱齒軸等）、行走系統鍛件（輪轂軸等）。

⑶工程機械行走系統鍛件（鏈軌節等）。

⑷礦山機械鍛件（刮板、導軌等）。

汽車鍛件產品根據用戶不同的產品表面質量要求及鍛件外形特點，采用不同的拋丸設備對鍛件進行拋丸處理。

我公司目前有吊鉤式拋丸機（圖1）、滾筒式拋丸機（圖2）、轉臺式拋丸機（圖3）等幾類拋丸機設備。

針對不同的鍛件產品類型選用不同的拋丸設備，大體設備選用原則如下：

⑴載重卡車發動機系統鍛件產品采用吊鉤式拋丸機進行強化拋丸。

⑵轉向系統、傳動系統、行走系統、工程機械及礦山機械鍛件產品采用滾筒式拋丸機清理氧化皮。

⑶轎車發動機系統鍛件產品采用轉臺式拋丸機進行強化拋丸。

研磨鋼丸（鍛鋼丸）的推廣

我公司原有拋丸工序鋼丸采用高錳鋼鑄鋼丸，鑄鋼丸由于制造工藝限制，自身存在氣孔、砂眼等鑄造缺陷，導致拋丸工序出現一系列問題：

⑴質量不穩定、硬度不穩定、脆性大、易破碎、壽命低。

⑵鑄鋼丸破碎后產生大量粉塵，導致除塵器負擔過重、除塵器過濾效果急劇下降、除塵器布袋更換頻繁，除塵器維護間隔短。工作現場環境粉塵的大量產生，嚴重影響操作者個人呼吸道健康。

⑶單一循環破碎率接近30%，噴丸效果不穩定，操作者頻繁添加新鋼丸，勞動強度大。

⑷成本高昂。

研磨鋼丸（鍛鋼丸）為鍛造產品，是使用高錳鋼絲高速切割成圓柱體，然后再進行棱角磨圓的一種產品，是鋼絲切丸的新品種，即將鋼絲切割成長度與直徑相等的圓柱體的鋼絲切丸后再進行研磨，去除其棱角使其成球珠體。再經過調質處理來獲得組織改性及理想的硬度。研磨鋼丸同時具備鑄鋼丸和鋼絲切丸的優點：可均勻拋磨、不傷工件、不易破裂、耐磨度高、循環拋磨的壽命長等。

研磨鋼丸（鍛鋼丸）主要技術指標如下表1。

圖1 吊鉤式拋丸機

圖2 滾筒式拋丸機

圖3 轉臺式拋丸機

表1 研磨鋼丸主要技術指標

鋼丸的顆粒形狀的選用

鋼丸顆粒形狀，可分為球形、棱角形和柱形三種基本形狀。拋丸清理所用的鋼丸普遍采用球形，其次是柱形；從提高外觀質量角度考慮，鍛件表面清理及噴丸強化時最好采用球形鋼丸。

研磨鋼丸顆粒選用帶有棱角的近似球形顆粒，新鋼丸具有一定的棱角，可以實現快速清理、提高清理效率。首次添加時應適當混加一定比例的球形研磨鋼丸，來改善外觀質量。隨著鋼丸棱角經過反復使用磨損后，會逐漸變為球形的。

研磨鋼丸（鍛鋼丸）外觀照片，如圖4所示。

鋼丸粒度的選用

鋼丸的粒度分級，是根據篩選后篩網尺寸確定的。

鋼丸直徑的選擇不宜太小．也不宜太大。直徑太小，則沖擊力也小，清理、強化效率低。直徑過大，單位時間內噴打在工件表面的顆粒數就少，也會降低效率，并使鍛件表面的粗糙度(彈痕)增大，影響外觀質量。從使用情況看，使用時鋼丸因磨損直徑不斷減小，有利于照顧到較小的內圓角的清理及強化。拋丸清理時使用一段時間達到平衡后，鋼丸粒度尺寸基本保持不變。因而鋼丸直徑范圍可選擇寬一些，亦可配級使用，即各種型號按一定比例摻起來使用。

圖4 研磨鋼丸（鍛鋼丸）外觀照片

圖5 鋼丸硬度對清理及反彈效果的影響

我公司采用兩種規格配級研磨鋼丸。

⑴小型鍛件（≤20kg的鍛件）采用1.0mm鋼丸（1.0mm為60%、1.1～1.2mm為5%、0.9mm為25%、0.8mm以內為10%）；

⑵大型鍛件（20～150kg的鍛件）采用1.5mm鋼丸（1.5mm為60%、1.6～1.7mm為5%、1.3mm為25%、1.2mm以內為10%）。

鋼丸硬度的選用

鋼丸硬度相較鍛件表面硬度對清理效果有影響，如圖5所示。

鋼丸硬度與鋼丸壽命和清理及表面強化效果的關系：鋼丸硬度過高，則打到工件表面上易破裂，并吸收能量，降低沖擊功，循環壽命短。鋼丸硬度太低時，鋼丸易變形，自身變形時吸收了沖擊能量，降低沖擊功，清理及表面強化效果不理想。只有硬度適中時，不但能延長鋼丸使用壽命，而且還能達到理想的清理和表面強化效果，從而產生最佳經濟效益。

鋼丸硬度與反彈效果的關系：反彈效果越好，可起二次沖擊作用，清理及表面強化清理效果越好。硬度適中的鋼丸清理及表面強化清理效果為最好。

黑色金屬一般要求鋼丸硬度值應高于鍛件表面硬度5～10HRC。我公司鍛件表面硬度普遍≤30HRC，選用硬度在40～45HRC的研磨鋼丸進行生產驗證。

通過生產驗證，研磨鋼丸（鍛鋼丸）改善了鑄鋼丸的不足。研磨鋼丸相較鑄鋼丸具有如下優勢。

⑴研磨鋼丸成分穩定，無氣孔，無龜裂，不破碎，使用壽命長，它的消耗形狀由大到小直至顆粒小到原顆粒的3/10時，才由拋丸機除塵系統及分離設備分離出去，不再參與拋丸，完成它整個循環使用壽命周期。循環使用壽命可達到鑄鋼丸的3倍以上。

⑵粉塵少，環境污染少，操作者工作環境得到明顯改善。

⑶清理效率提高，操作者勞動強度降低。

⑷綜合成本低，鍛件鋼丸噸耗降低約30%。

結束語

⑴結合鍛件產品形狀及用戶要求選擇合適的拋丸設備，達到清理工序效率的最佳化。

⑵通過研磨鋼丸（鍛鋼丸）進一步優化清理工序，達到改善工作環境、降低操作者勞動強度、效率優化、成本降低的目的。