正交試驗設計在高精度角度傳感器粉末涂敷中的應用

易科勝，潘忠誠，任 武，左 佳，張子富

(北京航天控制儀器研究所，北京 100039)

0 引言

傳統的三浮慣性儀表高精度角度傳感器鐵芯絕緣方式包括：1)在鐵芯端面粘接絕緣端片、槽內放置絕緣薄膜及槽底安裝絕緣槽楔；2)鐵芯端面及槽內表面涂絕緣漆代替絕緣薄膜及絕緣膠帶[1-3]。傳統鐵芯絕緣方式存在棱邊露出、漆膜厚度不均等問題，易產生絕緣薄弱環節，無法從根本上保證產品的絕緣可靠性。

二十世紀六七十年代開發出了粉末涂敷新工藝，粉末涂料由樹脂、顏料、填料、固化劑和添加劑等成份組成[4]。粉末涂料高溫加熱后能熔化成液態，在物體表面形成一層附著牢固、堅韌、光滑的高分子樹脂涂層[5-6]，該涂層具有附著力好、光滑、邊角覆蓋率高等優點。粉末涂敷具有不污染大氣和水源、材料利用率高、經濟性好的優點[7]，在絕緣應用領域能從根本上保證鐵芯的絕緣性能，因此得到了許多國家的重視，其應用越來越廣泛。

目前，國內外應用最廣泛的涂敷工藝主要有流化床涂敷和靜電涂敷[8-9]。從國內外應用現狀分析，靜電涂敷粉末飛揚大、涂敷速度慢，絕緣涂層均勻性差；相比而言，流化床涂敷工藝速度快，絕緣涂層均勻性、質量可靠性相對較高。國內外主要廠家無論是應用流化床涂敷還是靜電涂敷，涂敷出的產品涂層厚度范圍寬、一致性較差，對涂敷工藝參數未有詳細介紹或只是簡單地進行定性分析，或簡單地進行工藝試驗將涂敷層涂上即可，且涂敷出的產品表面外觀不一，難以應用于對涂層厚度要求一致性高的場合。針對國內外主要廠家現有涂敷工藝難以應用于高精度角度傳感器的現狀，通過采用科學的正交試驗設計方法，進一步定量確定了涂敷工藝參數，滿足了高精度角度傳感器對涂層厚度的要求。

1 粉末熱浸涂敷設備及工藝

在粉末涂敷工藝中，流化床法仍占相當大的比重[10]。流化床熱浸涂敷的主要設備是流化床，包括了氣室、微孔隔板、流化槽、干燥空氣進氣口等，如圖1所示。其中，h1和h2分別為流化前后的粉末料位。將凈化的壓縮空氣輸入至氣室，使氣體在粉末的容器底部截面上均勻分布。其中的關鍵部件是微孔隔板，它可以讓干燥潔凈的氣流通過并使氣流變得均勻，利用此氣流使料槽中的粉末懸浮和流化，使粉末像液體一樣流動。

圖1 流化床示意圖Fig.1 Schematic diagram of fluidized bed

粉末熱浸涂敷的主要工藝過程如圖2所示。

圖2 粉末熱浸涂敷的主要工藝流程Fig.2 Main technologicalprocess of powder hot dip coating

1)表面清洗：目的在于提高鐵芯金屬表面與涂敷層間的粘接力，表面處理的好壞將直接影響涂敷層的質量和壽命，清洗后鐵芯表面應潔凈。將定子鐵芯放入燒杯中，倒入適量120＃汽油，并采用超聲波清洗機進行清洗，清洗后將定子鐵芯吹干。

2)蔽覆：鐵芯某些部位不需要噴涂涂敷層，預熱前用防護工裝或其它蔽覆物進行遮蓋，避免不需要涂敷的部位涂上涂敷層。

3)鐵芯預熱：在一定高溫下，涂敷粉末中的各成份交鏈成大分子網狀結構形成平整的硬化涂層，鐵芯預熱溫度應高于涂敷粉末的熔融溫度，其具體合適的預熱溫度及時間需根據鐵芯大小、厚薄而定。對于表面積大的薄壁鐵芯，出箱后熱量容易散失，預熱溫度應適當提高，預熱時間應適當延長。

4)浸涂：將預熱后的鐵芯工件浸入到硫化床處于流化狀態的粉末中，粉末受熱熔化，黏附在工件表面形成一定厚度的涂敷層。

5)后固化：熱浸后涂敷層基本已固化粘接在鐵芯表面，通過后固化處理進行充分固化，進一步增加涂敷層與鐵芯基體之間的結合力。

6)清理：由于防護工裝及蔽覆物的存在，其與鐵芯的結合部位不可避免地存在一定的毛邊、毛刺、多余涂敷層現象，需將其進行清理，保證平整。

2 影響涂層厚度因素的定性分析

采用流化床涂敷工藝，影響涂敷層厚度的因素較多，主要有：氣壓(kPa)、預熱溫度(℃)、預熱時間(min)和熱浸時間(s)。

1)氣壓：氣壓大小影響流化床中粉末的流化狀態，氣壓過大會引起粉末流化沸騰，導致粉末流出流化床，大量飄浮于大氣；氣壓過小會使粉末無法成流化狀態，導致流動性不足，兩種情況均會影響涂敷層的厚度及均勻性。

2)預熱溫度：預熱溫度是流化床熱浸涂敷較為重要的工藝參數，其不僅影響到涂敷層的厚度，而且溫度過高會引起絕緣粉末熱分解，導致絕緣粉末變質。

3)預熱時間：預熱時間長短與鐵芯本身的材料特性及幾何形狀結構相關，材料不同其比熱不同，幾何形狀不同其表面積不同，單位表面積吸收或放出的熱量也不同，一般熱容量大的鐵芯預熱時間應適當延長。

圖3 高精度角度傳感器鐵芯及線圈組件結構示意圖Fig.3 Structure diagram of iron core and coilpacks of high-precision angle sensor

4)熱浸時間：熱浸時間與涂敷層的厚度有直接關系，涂敷層的厚度隨熱浸時間而變厚，但并不是線性關系——因達到一定時間后，鐵芯溫度下降至粉末熔融溫度以下時，便不再黏附在鐵芯表面，涂敷層厚度就不再增加。

3 正交試驗設計定量確定工藝參數

對于三浮慣性儀表高精度角度傳感器鐵芯的絕緣涂敷，如圖3所示，端面及磁極的涂敷層厚度是重要的工藝參數指標，涂敷層太薄(＜0.10mm)會影響產品的絕緣性能，降低了絕緣可靠性；涂敷層太厚(＞0.30mm)會影響線圈的下線，甚至導致線圈無法裝入鐵芯磁極。

為保證高精度角度傳感器線圈與鐵芯之間的絕緣性能，同時保證裝配的可操作性，要求鐵芯絕緣涂敷層厚度為0.15mm～0.20mm，且要求涂敷層均勻、平整。為定量確定最佳工藝參數，本文采用正交試驗設計方法。

正交試驗法也稱正交設計，它是用來科學地設計多因素試驗的一種方法，實現了因素和水平的均勻分散性和整齊可比性，極大地減少了試驗次數，其試驗結果具有科學的結論[11-12]。

(1)確定正交試驗因素及因素水平

熱浸涂敷法考察氣壓、預熱溫度、預熱時間和熱浸時間對涂敷層厚度的影響，每個因素取四個水平，其影響因素及因素水平取值如表1所示。

表1 熱浸涂敷正交試驗影響因素及因素水平取值Table 1 Influencing factors and factor levelvalues of orthogonalexperiment for hot dip coating

(2)確定正交試驗方案

根據試驗中各因素的水平數確定一個抽樣均衡的正交表，選用標準正交表L16(45)設計正交試驗，其能容納五因素四水平的試驗。利用標準正交表L16(45)的前四列，其設計方案及結果如表2所示。

表2 熱浸涂敷正交試驗設計方案及結果Table 2 Design scheme and results of orthogonalexperiment for hot dip coating

(3)試驗結果的極差分析

極差(R)為某個因素各個水平所得試驗結果平均值的最大值與最小值之差， 即R＝max(ˉTi)－min(ˉTi)。 極差分析表是鑒別各因素主次的依據，正交試驗結果極差分析如表3所示，極差(R)的大小可衡量因素的主次：極差大，表明此因素對試驗的產生與結果影響大，即此因素重要；反之，此因素較次要。

表3 各因素對涂敷層厚度影響的正交試驗結果極差分析(單位：mm)Table 3 Range analysis of orthogonalexperiment results of influence of various factors on coating thickness

從極差的計算結果可以看出，氣壓和預熱時間對涂敷層厚度的影響較小，影響最大的是預熱溫度，其次是熱浸時間。

將計算結果與各因素水平的變化繪制成圖4所示的關系圖，可以進一步看出各因素水平變化對涂敷層厚度的影響趨勢。

圖4 各因素水平變化對正交試驗結果影響趨勢Fig.4 Influencetrend of factors levelchange on orthogonal experiment results

因實際氣壓表讀數、烘箱溫度均勻性等存在一定的偏差，相應的工藝參數為在設定值一定范圍內的變化值，根據表2的試驗結果得出較好的涂敷工藝參數：1)氣壓4kPa±0.1kPa、預熱溫度200℃±3℃、預熱時間15min±0.25min、熱浸時間4 s～5 s；2)氣壓4 kPa±0.1 kPa、預熱溫度240℃±3℃、預熱時間45min±0.25min、熱浸時間2s～3s。但從涂敷層的外觀質量考察，預熱溫度為200℃±3℃時的涂敷層流平性不是很好，表面存在橘皮、褶皺等現象，如圖5(a)所示；而240℃±3℃時的流平性非常好，表面平整、光滑，如圖5(b)所示。因此，較好的涂敷工藝參數應為：氣壓4kPa±0.1kPa、預熱溫度240℃±3℃、預熱時間45min±0.25min、熱浸時間2s～3s。

圖5 高精度角度傳感器粉末涂敷表面對比Fig.5 Comparison of high-precision angle sensor powder coated surface

4 涂敷層性能檢測

(1)絕緣性能檢測

涂敷層絕緣性能及耐壓性能均通過定子綜合測試儀在圓周方向均勻取8個點進行測試，涂敷層與鐵芯基體之間施加500V直流電，絕緣電阻均遠大于500MΩ(0.5GΩ)，具體數據如表4所示；涂敷層與鐵芯基體之間施加600V、50Hz、0.6KVA的交流電壓作用1min，涂敷層不出現火花、飛弧、擊穿現象，均通過耐壓性能檢測，且漏電流遠小于2mA，具體數據也如表4所示。

表4 絕緣電阻值及漏電流大小Table 4 Data of insulation resistance and leakage current

(2)耐高低溫沖擊性能檢測

高低溫溫循試驗條件：－40℃～+120℃，共循環20次，升降溫速率為5℃／min～10℃／min，高低溫各保溫1h，高溫后隨爐冷至常溫。在經歷高低溫沖擊試驗后，涂敷層均未出現斷裂、剝落或缺失等現象，試驗前后涂敷層表面外觀質量無明顯變化，如圖6所示，說明涂敷層在交變溫度沖擊作用下性能穩定，涂敷效果好。

圖6 高低溫沖擊試驗前后涂敷層表面外觀質量對比Fig.6 Comparison of coating surface appearance quality before and after high and low temperature impact test

(3)附著力性能檢測

利用劃網格法對涂敷層進行附著力測試，如圖7所示。所用樣品為熱浸涂敷后的單層1J95疊片，涂層厚度約為0.20mm。經評定，涂層附著力為1級，在切口交叉處涂層有極少許薄片分離，但影響區域很小，滿足高精度角度傳感器對涂敷層附著力的要求。

圖7 劃網格法對涂層進行附著力測試Fig.7 Adhesion test of coating by grid method

依據《GB／T 1732-93漆膜耐沖擊測定法》[13]以及參照鋼板沖擊試驗方法[14]，重錘質量為1kg，沖擊球頭直徑為3mm，以3cm高度自由落體沖擊鐵芯涂敷層，如圖8所示，涂層未出現剝落、破損等現象，涂層附著力滿足要求。

圖8 力沖擊法對涂層進行附著力測試Fig.8 Adhesion test of coating by force impact method

5 結論

本文首先介紹了粉末熱浸涂敷設備及涂敷工藝，依次定性分析了氣壓大小、預熱溫度、預熱時間、熱浸時間對高精度角度傳感器鐵芯涂敷層厚度的影響，再通過設計四因素四水平的正交試驗定量優化確定涂敷工藝參數：對于外徑約為Φ40mm、厚度約為4mm的鐵芯，其較好的涂敷工藝參數為氣壓4kPa±0.1kPa、預熱溫度240℃±3℃、預熱時間45min±0.25min、熱浸時間2s～3s。根據正交試驗結果的極差分析，得出影響涂敷層厚度最大的因素是預熱溫度，其次是熱浸時間，氣壓大小和預熱時間的影響較小。最后，通過對涂敷層的各項性能檢測，驗證了涂敷層滿足各項性能指標要求，實現了高精度角度傳感器粉末涂敷工藝參數優化與研究。