噴砂工藝在碳纖維設(shè)備輥類零件中的應(yīng)用探討

劉興苗，朱延松，王 娣

（1.連云港鷹游工程技術(shù)研究院有限公司，江蘇 連云港 222000；2.連云港鷹游紡機(jī)集團(tuán)有限公司，江蘇 連云港 222000）

高性能碳纖維具有低質(zhì)量、高強(qiáng)度、高模量、耐高溫、耐腐蝕、抗沖刷和濺射以及良好的可設(shè)計(jì)性、可復(fù)合性等一系列其他材料不可替代的優(yōu)良性能，是火箭、衛(wèi)星、導(dǎo)彈、戰(zhàn)斗機(jī)和艦船等尖端武器裝備必不可少的戰(zhàn)略新興材料，被譽(yù)為21世紀(jì)的“新材料之王”。國(guó)內(nèi)的碳纖維研究起步于20世紀(jì)70年代，但遲遲未取得明顯進(jìn)展，長(zhǎng)時(shí)間停留于實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)階段。國(guó)外在這方面對(duì)中國(guó)采取完全的技術(shù)封鎖和產(chǎn)品壟斷。中復(fù)神鷹碳纖維有限公司從2006年成立之初起，依托江蘇鷹游紡機(jī)有限公司逐步形成了年產(chǎn)萬(wàn)噸碳纖維的生產(chǎn)能力，并實(shí)現(xiàn)了從聚合到紡絲再到碳化全套裝備的國(guó)產(chǎn)化。

在研制碳纖維設(shè)備初期，相關(guān)設(shè)備的很多零件和工藝方法都是在不斷摸索中產(chǎn)生的。碳纖維的制造要點(diǎn)是細(xì)旦化、細(xì)晶化和均質(zhì)化以及生產(chǎn)全過(guò)程的環(huán)境潔凈化[1]。實(shí)現(xiàn)細(xì)旦化最重要的工序就是牽伸，涉及眾多牽拉絲束的輥類零件，雖然成品碳纖維強(qiáng)度是鋼的7~10倍，密度是鋼的1/4，但每一根絲的粗細(xì)程度只有頭發(fā)絲的1/20，絲束在沒(méi)真正成型之前非常脆弱，特別是初生態(tài)原絲。經(jīng)過(guò)傳統(tǒng)表面處理的鏡面輥雖然在牽伸過(guò)程中不會(huì)損傷到纖維，但由于絲束與輥面的附著力強(qiáng)，絲束中極少量的游離絲會(huì)吸附在輥面上，一旦不能被及時(shí)帶走，就會(huì)纏繞在輥體上，進(jìn)而導(dǎo)致正常的絲束纏繞到輥面上，形成“纏絲”現(xiàn)象，若不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)和清理，則會(huì)形成斷絲，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致停車，進(jìn)而影響生產(chǎn)。因此，需要找到一種輥體表面處理方法，減小絲束在牽伸過(guò)程中與輥面間的摩擦力及附著力，避免上述不良現(xiàn)象。

1 噴砂工藝

噴砂是一種處理工件表面的工藝，采用壓縮空氣為動(dòng)力，形成高速噴射束，將噴料（銅礦砂、石英砂、金剛砂、鐵砂、海砂）高速噴射到需處理工件表面，使工件表面的外表或形狀發(fā)生變化[2]。由于磨料對(duì)工件表面的沖擊和切削作用，工件的表面獲得一定的清潔度和不同的粗糙度，同時(shí)機(jī)械性能得到一定程度的改善。通過(guò)調(diào)換不同粒度的磨料，達(dá)到不同的粗糙度，大大提高了工件與涂料、鍍料的結(jié)合力。機(jī)加工件噴砂具有毛刺清理與表面美化作用，噴砂能清理工件表面的微小毛刺，并使工件表面更加平整，消除毛刺的危害，提高工件的檔次。另外，噴砂可以改善零件的機(jī)械性能，機(jī)械零件經(jīng)噴砂后，表面產(chǎn)生均勻、細(xì)微的凹凸面，可隨意實(shí)現(xiàn)不同的反光或亞光。

2 制定合理的工藝路線

在設(shè)計(jì)與制造紡織機(jī)械后整理設(shè)備類零件的過(guò)程中，噴砂設(shè)備用于工件表面涂覆前的預(yù)處理，用很粗的金剛砂去除零件表面毛刺，為下一道油漆工序作準(zhǔn)備。這種處理方式很難應(yīng)用于碳纖維設(shè)備中輥體類設(shè)備的噴砂處理，碳纖維設(shè)備牽拉絲束的成品輥表面粗糙度（Ra）必須小于等于0.4，牽拉絲束時(shí)，要求輥體不能對(duì)絲束造成損傷，每一束絲都不能有毛絲出現(xiàn)。應(yīng)用噴砂這種表面處理方法，對(duì)砂料、噴砂前處理、噴砂后處理的要求都很高，因此，從工藝路線、噴砂磨料種類、磨料目數(shù)的選擇等方面進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，找到適合碳纖維輥體類設(shè)備的噴砂工藝。

之前的鋼輥類零件工藝路線是磨—拋—電鍍，對(duì)于噴砂這道工序放在電鍍前效果好還是電鍍后效果好的問(wèn)題，專門進(jìn)行了對(duì)比測(cè)試。噴料顆粒尺寸與噴砂粗糙度有一定關(guān)系，而噴射磨料的表面粗糙度是由沖擊、切削和沖刷的組合作用引起的?？紤]到成品輥Ra必須小于等于0.4，需選用目數(shù)（指物料的粒度或粗細(xì)度，一般是指在1 in×1 in（1 in=2.54 cm）面積內(nèi)的篩網(wǎng)，物料能通過(guò)該篩網(wǎng)，篩網(wǎng)的孔數(shù)即定義為目數(shù)）大一點(diǎn)的噴料。根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，決定兩種情況均選用500目石英砂為噴料，測(cè)試零件為原絲高溫蒸汽牽伸機(jī)的鋼制導(dǎo)輥。一種采用磨—拋—電鍍—噴砂工藝，另一種采用磨—拋—噴砂—電鍍工藝，采用前一種工藝方法處理出來(lái)的工件，表面容易臟，手一碰一個(gè)?。▓D1），用絲束在輥面上牽拉，目測(cè)絲束起毛嚴(yán)重，效果不如鏡面輥，基本可以否定這種工藝方法。采用后一種工藝處理的成品輥，用絲束在輥面上牽拉，目測(cè)基本沒(méi)有毛絲產(chǎn)生，實(shí)驗(yàn)初步證明，磨—拋—噴砂—電鍍表面處理的工藝路線基本可行。

圖1 經(jīng)磨—拋—電鍍—噴砂表面處理的鋼導(dǎo)輥

在此基礎(chǔ)上，對(duì)鋁導(dǎo)輥進(jìn)行了同樣的測(cè)試，確定了磨—拋—噴砂—硬質(zhì)氧化的輥體加工工藝。

3 確定噴砂磨料

碳纖維設(shè)備中輥類零件大部分是不銹鋼輥、碳鋼輥和鋁導(dǎo)輥，用石英砂噴鋁導(dǎo)輥時(shí)效果較好，但對(duì)于鋼輥和不銹鋼輥，噴出來(lái)的效果很差，石英砂的硬度不夠好，因此，必須找到合適的噴料。最后確定采用黑碳化硅，主要是因?yàn)樘蓟杈哂泻芨叩挠捕?、化學(xué)穩(wěn)定性和一定的韌性。對(duì)于噴料粒度的選擇，分別用300目、400目、500目、600目進(jìn)行試制，并測(cè)定原絲拉毛等級(jí)以評(píng)價(jià)輥體性能。原絲拉毛等級(jí)的測(cè)試方法：用東麗T700-12K原絲一端掛400 g重物，另一端手拉或電拉，在輥或輪體表面來(lái)回拉10次，通過(guò)光線照射，查看原絲起毛狀況，無(wú)或少為1級(jí)，起毛較多為2級(jí)。300目噴砂電鍍后的鋼輥用絲束在輥面上牽拉，絲束有起毛情況，用400目和500目噴砂電鍍后的鋼輥顏色和手感都不錯(cuò)，用絲束在輥面上牽拉，目測(cè)絲束沒(méi)有起毛情況。不同材料、不同磨料噴砂測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 輥體原絲拉毛等級(jí)測(cè)定

在批量成品件投入使用的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，還有一些輥體偶爾會(huì)出現(xiàn)絲束起毛以及纏繞在輥面上的情況，必須找到問(wèn)題的根源。在對(duì)有問(wèn)題的輥件進(jìn)行檢查和分析的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，這些輥件的Ra大于0.4，噴砂前道工序（磨—拋）對(duì)成品的效果有很大影響。對(duì)成品輥Ra的要求是0.4，只有拋光工序結(jié)束后工件的Ra小于0.1，成品輥Ra才能小于等于0.4，經(jīng)過(guò)多次試制確定噴砂前工件的表面粗糙度比噴砂后工件的表面粗糙度要高1~2個(gè)級(jí)別。噴砂電鍍前零件表面粗糙度的高低對(duì)零件成品的影響如圖2所示。

圖2 表面粗糙度對(duì)比（放大1 600倍）

在分析成品輥的問(wèn)題時(shí)發(fā)現(xiàn)，超過(guò)2 m的輥體問(wèn)題更嚴(yán)重，用顯微鏡查看零件表面時(shí)發(fā)現(xiàn)，零件表面不均勻分布著細(xì)微的凹凸面（圖3），白色的點(diǎn)是凹坑，黑色是零件表面。由圖3可知，噴砂是不均勻的，對(duì)成品的使用效果有較大影響。

圖3 零件顯微鏡下的基礎(chǔ)圖式

4 自研自動(dòng)噴砂機(jī)

日常生產(chǎn)和實(shí)驗(yàn)時(shí)采用的均是手工噴砂。噴砂時(shí)，工人將工件放在軸承臺(tái)上，將輥體沿圓周面均分幾個(gè)部分，噴完一個(gè)部分轉(zhuǎn)動(dòng)一下輥體，再噴下一部分，直到完成整個(gè)輥體輥面的噴砂處理工作。這種方法不但噴射不均勻，而且效率低，工人的工作環(huán)境也不好，會(huì)危害工人的身體健康。為了解決噴砂不均勻的問(wèn)題，可自制噴砂工裝—自動(dòng)噴砂機(jī)。

自動(dòng)噴砂機(jī)的工作原理：輥體隨著主軸做徑向旋轉(zhuǎn)、噴槍做軸向運(yùn)動(dòng)，對(duì)輥面進(jìn)行噴砂處理，這樣的處理方式可使輥面噴砂均勻，達(dá)到亞光效果，微觀上形成均勻的凹凸面，減小絲與輥面之間的摩擦。噴砂機(jī)外圍設(shè)計(jì)了防塵罩，減輕了噴砂機(jī)粉塵污染，噴砂機(jī)下面有接砂裝置，可以實(shí)現(xiàn)噴料二次利用，大大節(jié)約了生產(chǎn)成本（圖4）。

圖4 自動(dòng)噴砂機(jī)

用自動(dòng)噴砂機(jī)噴過(guò)的零件砂粒均勻，成品檢測(cè)各項(xiàng)指標(biāo)均合格，裝到設(shè)備上使用，沒(méi)有出現(xiàn)絲束纏繞在輥面上的情況，絲束經(jīng)過(guò)檢驗(yàn)，符合各項(xiàng)要求，說(shuō)明這樣的表面處理方式是可行且有效的。此種噴砂工藝與自動(dòng)噴砂機(jī)結(jié)合起來(lái)使用，既保證了產(chǎn)品質(zhì)量，又保證了碳纖維原絲及碳絲的質(zhì)量。

5 結(jié)語(yǔ)

上述噴砂表面處理方法及自動(dòng)噴砂機(jī)在生產(chǎn)碳纖維設(shè)備輥類零件的過(guò)程中大量使用。采用這種工藝方法加工出來(lái)的輥類零件，不僅解決了絲束在牽拉的過(guò)程中纏繞在輥面上的情況，還避免了毛絲的產(chǎn)生，較好地保證了碳纖維絲束的質(zhì)量，為生產(chǎn)高質(zhì)量的高強(qiáng)纖維復(fù)合材料提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，為我國(guó)高強(qiáng)纖維復(fù)合材料領(lǐng)先世界水平提供了有力的技術(shù)保障。