一種異型材表面拋丸的工藝設(shè)計(jì)

牛 博，劉 恒

（山西太鋼不銹鋼鋼管有限公司，山西 太原 030008）

1 鋼管生產(chǎn)概述

在生產(chǎn)鋼管過程中，由于管坯需要在高溫狀態(tài)下進(jìn)行加工，因此會(huì)導(dǎo)致鋼管內(nèi)外表面產(chǎn)生氧化物等附著物，而通常情況下需要使用拋丸機(jī)對(duì)鋼管內(nèi)外進(jìn)行處理（見圖1），其原理是利用拋丸器產(chǎn)生高速彈丸流束，同時(shí)配合鋼管進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，從而清除鋼管內(nèi)、外壁的氧化層與附著物，使之獲得均勻精細(xì)的潔凈表面，顯露鋼管基材色[1]，同時(shí)每顆鋼丸會(huì)撞擊金屬零件，如一個(gè)微型棒捶在敲打表面，捶出小壓痕或凹陷。為形成凹陷，金屬表層必定會(huì)產(chǎn)生拉伸，在表層下，壓縮的晶粒試圖將表面恢復(fù)到原來形狀，從而產(chǎn)生一個(gè)高度壓縮力作用下的半球。無數(shù)凹陷重疊形成均勻的殘余壓應(yīng)力層，壓應(yīng)力層下的細(xì)紋延展緩慢，因此增加壓應(yīng)力層深度，能有效抑制裂紋的發(fā)生和發(fā)展，從而極大地延緩疲勞裂紋的形成，同時(shí)表面呈壓應(yīng)力時(shí)，材料的疲勞壽命大大提高，因此對(duì)于軸類等容易疲勞斷裂的部件通常采用噴丸方式形成表面壓應(yīng)力，以提高產(chǎn)品壽命[2-3]。但由于異型材形狀不規(guī)則，無法在輥道上實(shí)現(xiàn)自轉(zhuǎn)，因此通常使用噴砂方式進(jìn)行表面處理，噴砂是指利用高速砂流的沖擊作用清理和粗化基體表面的過程，磨料顆粒以很高的速度接觸工件表面時(shí)，在其表面進(jìn)行撞擊、切削、沖刷，但噴砂會(huì)導(dǎo)致表面處理不均勻，同時(shí)容易損壞表面鈍化膜，導(dǎo)致材料發(fā)生腐蝕。本文通過合理設(shè)計(jì)一種新的工藝方案，使傳統(tǒng)拋丸機(jī)同樣適用于H 型鋼、T 型鋼等各種型材表面。

圖1 拋丸器示意圖

2 方案設(shè)計(jì)

2.1 拋丸器的排布

在任意一個(gè)單位時(shí)間內(nèi)，拋丸器的拋丸量在一平面基準(zhǔn)內(nèi)可以看作是一個(gè)矩形，而異型材表面形狀不是一個(gè)平面，可能存在表面凹凸，因此實(shí)際等價(jià)面積大于拋丸的矩形投影截面。為保證拋丸效果，使異型材表面保持一致性，因此需要將拋丸的覆蓋面增大，同時(shí)為了保證表面拋丸不出現(xiàn)遺漏，采用交叉覆蓋，并將3 臺(tái)拋丸器設(shè)置為1 組，進(jìn)行線性排布。

拋丸器由葉輪、葉片、定向套、分丸輪、護(hù)板、主軸等部件組成。鋼丸流入到分丸輪里面，和主軸一起旋轉(zhuǎn)的分丸輪卷著鋼丸旋轉(zhuǎn)，在離心力的作用下，鋼丸被壓到了定向套的內(nèi)側(cè)，然后通過定向套的開口處被葉片以扇形的形式拋射出去，最后擊打到用戶的工件上，形成拋丸器對(duì)待處理工件表面加工的工藝。

鋼丸拋射到待處理工件表面上會(huì)反彈散落到設(shè)備的底部，設(shè)備的底部屬于螺旋輸送系統(tǒng)，底部螺旋將鋼丸輸送至提升斗，再由提升斗提升至頂部的分離器。分離器的作用就是分離鋼丸和灰塵及雜質(zhì)的，好的鋼丸會(huì)進(jìn)入拋丸器繼續(xù)循環(huán)使用，而且灰塵會(huì)被分離出去，吸到除塵器進(jìn)行凈化處理，丸料雜質(zhì)被過濾篩網(wǎng)過濾出來。此為設(shè)備循環(huán)系統(tǒng)的工作概況。鋼丸的選型對(duì)拋丸作業(yè)的效果有很重要的影響。

2.2 拋丸機(jī)鋼丸規(guī)格

拋丸機(jī)外表面處理異型材選型使用鋼丸，呈圓珠狀，流動(dòng)性好，有利于機(jī)內(nèi)循環(huán)，在加工時(shí)能夠保證對(duì)鑄件表面進(jìn)行高效率和高覆蓋的表面處理，能夠掩蓋工件表面上的缺陷。鋼丸規(guī)格選取S170，最大幾何尺寸為Φ0.5 mm。

為了適應(yīng)新產(chǎn)品開發(fā)的節(jié)奏和質(zhì)量控制，針對(duì)鋼管內(nèi)外壁表面拋丸機(jī)進(jìn)行了改進(jìn)，目的為節(jié)省材料、節(jié)約資源。均勻的拋丸后使鋼管表面層硬化，產(chǎn)生壓應(yīng)力，促使表面微細(xì)紋彌合，去除表面氧化層，鋼丸質(zhì)量與反彈性的關(guān)系如圖2 所示。

圖2 鋼丸質(zhì)量與反彈性的關(guān)系

作業(yè)前期通過調(diào)整設(shè)備，使鋼丸的拋射速度保持穩(wěn)定，控制工件的黏砂量、上機(jī)前物料的直線度以及鋼丸的送量。每次添加不超過機(jī)內(nèi)存量的10%，需要保證鋼丸的顆粒數(shù)配比，使鋼丸在運(yùn)行中的新舊配比盡量達(dá)到1∶1。調(diào)整前后鋼丸情況如圖3、圖4 所示。

圖3 鋼丸調(diào)整前

圖4 鋼丸調(diào)整后

鋼丸硬度與清理速度成正比，但與壽命成反比。鋼丸硬度高，清理速度快，但壽命短，消耗量大，故硬度（HRC）應(yīng)適中，約40～50。鋼丸內(nèi)部若存在氣孔、龜裂，將影響鋼丸壽命，增加消耗量。后期需將以上條件加入采購技術(shù)條件標(biāo)準(zhǔn)。

2.3 升級(jí)提升機(jī)配置

通過對(duì)提升機(jī)內(nèi)部鏈接方式進(jìn)行改進(jìn)，將2 排鏈接改成3 排鏈接，使流量波動(dòng)減小，拋丸中每一角度位置皆能被清理，減少處理時(shí)間。

拋丸機(jī)在對(duì)鋼管外表面清理過程中，撒落下來的丸塵混合物料經(jīng)清理室內(nèi)帶孔底護(hù)板流入下部螺旋輸送器再輸送匯集于提升機(jī)下部，再提升到機(jī)器上部的分離器里，分離后的好彈丸落入料斗內(nèi)供拋丸器循環(huán)使用。前期使用過程當(dāng)中，由于機(jī)械結(jié)構(gòu)老化，存在提升機(jī)打滑的情況，可能造成拋丸器供丸量不足，影響外表面拋丸質(zhì)量，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成提升機(jī)軸承損壞，減速機(jī)故障，影響作業(yè)效率。

采取的改進(jìn)措施：在現(xiàn)場(chǎng)增加1 個(gè)M30 型號(hào)限位開關(guān)；增加間隔3 s 的檢測(cè)模塊，正常運(yùn)行過程當(dāng)中，有信號(hào)反饋，說明提升機(jī)正常運(yùn)行，無信號(hào)反饋時(shí)自動(dòng)停機(jī)，由人工打開觀察孔來調(diào)節(jié)皮帶松緊度或者處理磨料堆積造成的堵轉(zhuǎn)。

2.4 相關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了使得異型材能夠在輥道上實(shí)現(xiàn)自轉(zhuǎn)和前進(jìn)，因此將異型鋼材前后以焊接方式安置規(guī)則形鋼管，連接部位中插入鋁板焊接，以防止損壞異型材，通過輥道由規(guī)則形鋼管力帶動(dòng)異型材進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)和前進(jìn)。在實(shí)際運(yùn)行過程中，與現(xiàn)場(chǎng)條件結(jié)合，前后增加的鋼管在輥道當(dāng)中的實(shí)際重量發(fā)生變化，且前后兩邊增加的鋼管重量保持一致，保證重心部位處于中間部位的異形鋼材中間。而焊接的鋼管尺寸選取不當(dāng)，會(huì)導(dǎo)致輥道電機(jī)減速機(jī)發(fā)生過載燒毀的情況，同時(shí)考慮輥間間距是否可使前后分置的鋼管在輥道表面前進(jìn)時(shí)不發(fā)生栽入的情況，因此其焊接鋼管長(zhǎng)度增加范圍不應(yīng)大于異型材長(zhǎng)度的1 倍。如圖5 所示，L 為異型材長(zhǎng)度，L1為異型材支撐管長(zhǎng)度，L=2L1，D1為支撐管外徑，D 為異型材外接圓直徑，異型材質(zhì)量為m，單側(cè)支撐鋼管質(zhì)量為m1，拋丸機(jī)輥道托輥輥間距0.5L1，單側(cè)支撐鋼管長(zhǎng)度為L(zhǎng)1，鋼管外徑選取為異型材外接圓直徑+10 mm的余量（余量為考慮到焊接位置，防止焊肉突出造成支撐管與異型材連接處的變形）。

圖5 H 型鋼異型材與支撐管結(jié)構(gòu)示意圖

3 設(shè)計(jì)結(jié)果

3.1 H 型異形鋼的拋丸結(jié)果

H 型鋼外接圓直徑為160mm，選取外徑為168 mm，壁厚10 mm，鋼管作為支撐管。外拋丸輥道V 型托輥間距為850 mm，前后固定輥道長(zhǎng)度為1.5 m。單側(cè)支撐管長(zhǎng)度為2 m，異型材長(zhǎng)度為4.2 m。通過焊接夾層鋁板，使H 型鋼可以在輥道上旋轉(zhuǎn)前進(jìn)，達(dá)到外表面被清理的目的。對(duì)鋼管重心是否在幾何尺寸中間進(jìn)行測(cè)試，H 型鋼經(jīng)過工藝處理后，等效于鋼管存在于輥道上。通過提升機(jī)對(duì)料斗增加鋼丸，使拋丸器固定方向的流量在要求范圍內(nèi)波動(dòng)，不可超出拋丸器配套電機(jī)的額定電流。H 型異形鋼的拋丸效果圖如圖6 所示。

圖6 H 型異形鋼的拋丸效果圖

3.2 T 型異形鋼的拋丸結(jié)果

T 型鋼外接圓直徑100 mm，選取支撐管外徑為108 mm，壁厚8 mm。外拋丸輥道V 型托輥間距為850 mm，前后固定輥道長(zhǎng)度為1.5 m。通過焊接夾層鋁板，使T 型鋼可以在輥道上旋轉(zhuǎn)前進(jìn)，達(dá)到外表面被清理的目的。對(duì)鋼管重心是否在幾何尺寸中間進(jìn)行測(cè)試，T 型鋼經(jīng)過工藝處理后，等效于鋼管存在于輥道上。支撐管長(zhǎng)度2 m，異型材長(zhǎng)度3.9 m。T 型鋼凹面相應(yīng)較小，速度可以得到相應(yīng)提高。T 型異形鋼的拋丸效果圖如圖7 所示。

圖7 T 型異形鋼的拋丸效果圖

4 結(jié)語

通過對(duì)異型材表面拋丸進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)，可使特殊截面形狀異型材在輥道上旋轉(zhuǎn)前進(jìn)，可以通過拋丸器實(shí)現(xiàn)對(duì)異型材表面的完全處理，適用于H 型鋼、T 型鋼等異型材。經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，此種設(shè)計(jì)使異型材能很好地適用于在鋼管內(nèi)外壁表面拋丸機(jī)上的應(yīng)用處理。