中国喷抛丸技术与装备现状分析

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欢迎访问e展厅 展厅 7 喷涂/清洗/表面工程展厅 PVD涂层设备, 电镀设备, 热镀锌设备, 超声波清洗机, 静电喷粉机, ... 一.喷抛丸技术概述 喷抛丸(砂)技术分抛丸、喷丸(砂)技术，也有些行业称喷砂、吹砂、喷珠、喷弹等，最早用于铸造、锻造件等粘砂和氧化皮等的去除。抛丸是利用高速旋转的叶轮把丸砂抛掷出去高速撞击零件表面，达到表面处理的要求，丸砂速度一般在50～lOOnds。喷丸(砂)是以压缩空气带动丸砂通过专门工具(一般包括喷丸器和喷枪)，高速喷射于零件表面，利用丸砂的冲击和摩擦作用，达到表面处理要求，丸砂速度一般在30～50m／s。上世纪30年代美国维尔贝莱特(wheelabrator)公司在世界上制成第一台抛丸机。中国的喷抛丸设备生产始于上世纪50年代，主要是仿前苏联技术。60年代初，青岛机械厂设计生产了一台Q31 lO滚筒式抛丸清理机，标志着中国喷抛丸技术与装备从纯仿制到可自行开发和制造的转变，中国也开始有喷抛丸设备专业生产厂家。多年来喷抛丸技术与装备日臻完善，性能不断提高，应用范围从单纯的铸造业的表面清理扩大到冶金矿山、机械制造、汽车拖拉机、兵器制造、轻纺机械、船舶车辆、航空宇航等不同行业，其工艺范围亦从铸锻件的表面清理扩展到金属结构件的强化、表面加工、喷抛丸成形等不同的领域。随着喷抛丸工艺的广泛应用，至今世界上已经发展了适应各种不同工艺要求的喷抛丸设备上千种规格品种，反过来喷抛丸设备的发展又促进了喷抛丸技术的发展，扩展了喷抛丸工艺的应用。磨料(弹丸或丸砂)是喷抛丸工艺中使用的介质，根据形状、大小、硬度、材料等分成很多类别，根据不同的喷抛丸工艺要求选用，其质量高低也影响了喷抛丸质量,。故磨料也是喷抛丸技术不可或缺的组成部分，与喷抛丸设备一起构成了喷抛丸技术。磨料为钢或铁质等金属材料的抛射一般称为喷抛丸，磨料为石英砂、钢砂等抛射一般称为喷砂。 二.喷抛丸技术应用范围 2.1 金属表面的清理 2.1.1 各种铸件的表面清理 喷抛丸设备首先应用于铸造业铸钢、铸铁件的表面粘砂及氧化皮的清除。几乎所有的铸钢件、灰铸件、玛钢件、球铁件等都要进行喷抛丸处理。这不仅是为了清除铸件表面氧化皮和粘砂，同时也是铸件质量检查前不可缺少的准备工序， 比如大型气轮机机壳在进行无损探伤以前必须进行严格的喷抛丸清理，以保证探伤结果的可靠性。在一般铸件生产中，喷抛丸清理是发现铸件表面缺陷如皮下气孔、渣孔以及贴砂、冷隔、起皮等的必不可少的工艺手段。有色金属铸件，如铝合金、铜合金等的表面清理，除清除氧化皮、发现铸件的表面缺陷外，更主要的目的是以喷抛丸来清除压铸件的毛刺和获得具有装潢意义的表面质量，获得综合效果。 2.1.2 各种锻件及热处理件的喷抛丸清理 多数金属工件在锻造热处理加热中会产生表面氧化，这层氧化鳞皮对零件的化学涂层除锈有严重的破坏作用，需要喷抛丸清理。对需要切削加工的零件而言，清除氧化皮是减少刀具磨损、提高切削刀具使用寿命、保持机床精度、控制锻坯尺寸以获得最佳切削状态的必要条件。对自动加工机床这一点更显得重要。经最终热处理的工件进行喷抛丸可以获得清除氧化皮和强化工件的综合效果。几乎绝大多数汽车、拖拉机等车辆的齿轮要进行热处理后的喷抛丸处理。 2.1.3 冶金钢铁生产工艺应用 冶金钢铁生产中，喷抛丸一酸洗是保证钢铁大量生产中获得高生产率而采用的机械一化学联合去除磷皮的种工艺方法。硅钢片、不锈钢薄板等其他合金钢板、带的生产中，在冷轧工序过程中必须进行退火一喷抛丸一酸洗处理，以保证冷轧钢板的表面粗糙度及厚度精度。 2.1.4 钢板、型钢以及钢结构件的表面喷抛丸清理 在重型机器、矿山机械、船舶、车辆制造及各种高中压容器、锅炉制造业中，为使机器获得最佳的表面质量和防锈功能，对其原材料钢板、各种型钢等必须进行喷抛丸除锈、喷漆，一般称为预处理。预处理后金属表面的氧化皮被清除，给以后工序特别是数 控自动气切割及各种自动焊接提供了良好的表面准备，因为金属表面有氧化皮的情况下，自动气割及自动焊接的工艺质量难以保证。另外，钢结构经冲压或焊接成型，在进行涂漆以前，要进行整体钢结构的表面喷抛丸除锈，一般称为后处理。这种喷抛丸设备一般是大型、专用的，是针对特定被清理的钢结构设计的，如火车整体车厢、大型集装箱的喷抛丸清理即属于这种类型。以上所述均为以清除金属表面氧化皮为主要目的，其喷抛丸工艺多采用白铸铁弹丸或是中等硬度的铸钢弹丸，对弹丸的形状及粒度要求不甚严格。铸锻件的喷抛丸清理，为获得较高的喷抛丸清理效率，般采用较大粒度的弹丸，冶金钢珠生产中的不锈钢板硅钢片的喷抛丸清理则常采用较细粒度的弹丸。 2.2 金属工件的强化—提高疲劳强度 根据现代金属强度理论，增加金属内部的位错密度，是提高金属强度的主要方向。实践证明喷抛丸是增加金属位错结构的行之有效的工艺方法。这对一些金属不能通过相变硬化(如马氏体淬火等)或实现相变硬化的基础上而要求再进一步强化的工件而言，更具有十分重要的意义。航空、宇航工业、汽车、拖拉机等零部件要求轻质化，但可靠性要求越来越高，其重要工艺措施就是采用喷抛丸工艺提高构件的强度和疲劳强度。 2.2.1 弹簧喷抛丸强化 弹簧等零部件经各种热处理工艺，仍不能满足负载对工件的要求，在这种情况下，再进行喷抛丸强化可以得到十分显著的效果。实验证明高速发动机的气门弹簧的疲劳断裂寿命，经喷抛丸强化可以由十万次提高到百万次以上，汽车的主负载板簧经喷抛丸强化疲劳强度也能成倍提高。目前高负荷弹簧均采用喷抛丸强化来进一步提高疲劳强度。 2.2.2 连杆、扭杆、齿轮等零部件的喷抛丸强化 汽车、拖拉机发动机连杆、齿轮及扭杆等零部件由于受结构尺寸限制制造过程中虽然经过热处理其材料力学性能有很大改善，但在运行中仍不能保证其疲劳寿命高于发动机或车辆的整体寿命，因而这些零部件经常因为疲劳失效引起整机破坏性事件。所以这些零部件已普遍采用喷抛丸工艺进行强化，提高其疲劳寿命。喷抛丸强度化工艺已经成为目前汽车、拖拉机、发动机制造业中必不可少的制造工艺，也是最有效、最经济的工艺方法。 2.2.3诸此应用在航空、宇航业等起升支架、螺旋桨等关键部件都进行严格的喷抛丸强化。 2.3表面加工 喷抛丸技术已经远远超出了铸造行业等金属表面喷抛丸清理的范围，而发展成为金属表面加工的主要工艺方法之一，与磨削、抛光等跻身于金属表面加工技术行列，并有磨削、抛光所不及的工艺特点。 2.3.1刀具刃具的表面强化 钻头，丝锥，成型铣刀、滚刀、绞刀等热处理以后进行喷抛丸来提高工件疲劳强度，清除热处理氧化层，获得装饰性喷抛表面的综合效果。以强化工具刃具为主要目的喷抛丸所用的弹丸要求较高的硬度；而经马氏体淬火的刀具刃具往往采用石英砂、氧化铝等高硬度弹丸，这些弹丸的粒度也较表面清理用的细小。 2.3.2为获得金属光洁表面的喷抛丸加工 在某些情况下，为获得窄细沟槽的光洁表面，采用磨削因受砂轮外形尖锐度的限制，往往显得无能为力或者费用很高，在这种情况下采用细小弹丸来抛射工件，则可达到比较理想的效果。 2.3.3获得一定金属表面毛糙度的喷抛丸加工 在钢铁制造业中，一些薄板的表面有一定的特殊要求，如制造搪瓷制品的钢板、热镀铝板、不锈钢板等，为利于涂层与基体金属的结合，要求金属具有定的毛糙度来增加其附着力或亚光效果。获得毛糙度有两种方法，一是采用具有一定毛糙度的精轧 辊进行轧制，二是直接进行抛、喷射。第一种方法所用的精轧辊要经热处理淬火硬化得到HS95以上硬度，然后以外圆磨床进行磨削加工，得到一定的轴向鼓形度和Ra0．8的表面粗糙度，然后采用硬度HRC58以上的、形状为多角形的、粒度经严格筛选的弹丸(钢丸)的抛(喷)射，来获得要求的毛糙度。这种表面加工技术是上世纪70年代末武汉钢铁公司一七口口工程从原西德引进的。这种方法主要是对大型制品或批量生产适用。在单件、小批生产的情况下，可以采用第二种方法，金属表面一定毛糙度的获得可以直接用弹丸抛、喷射，而不必以昂贵的轧辊来轧制。 2.3.4 装饰镀层的喷抛丸抛光 大量的镀铬装饰件，为获得光亮夺目的表层，传统作法是进行布轮抛光，这种抛光劳动条件恶劣，对工人健康危害大，生产效率低。为解决这些问题可以采用抛(喷)丸抛光，抛光用的弹丸亦是含有一定磨料的专用塑料丸。此外，喷抛丸还用来清除细小橡胶制品、塑料制品的毛刺、飞边，具有较高的生产率，代替手工操作。 2.4喷抛丸成形 喷抛丸成形工艺是将金属板材料的喷抛丸成形及强化结合起来，已经应用到飞机机翼、机身等薄壳结构的制造中，美国波音飞机采用了喷抛丸成型技术，不仅节省了大型压力机，降低了制造费用，同时还提高了薄壳结构的强度和刚度，对改进飞机的负载性能起了重要作用。 2.5 其他方面的应用 喷抛丸技术的应用不仅是上述金属材料的加工处理，还应用到非金属的加工中，如剪除各种橡胶制品和塑料制品的毛刺是一件效率低、费人工的操作，现已应用带有冷冻装置的喷抛丸设备，将各种橡胶制品低温冷冻脆化后，在喷抛丸设备中接受弹丸抛、喷射，毛刺很容易被清除。酚醛类塑料制品采用核桃皮制成的弹丸喷射，既可清除毛刺又不破坏其制件的表面粗糙度；变压器总成后要去掉其上的一些多余线头或其它不需要的杂物，采用核桃皮制成的弹丸喷射可有效清除。另外在现代化机场、高速公路的养护中，需要对旧水泥地面清刷干净才能接合新水泥层，采用专用的移动式喷抛丸设备进行地面抛射，得到具有高结合强度的表面，施工效率高，可有效降低工程造价。新型建材，如砌块，已经采用喷抛丸工艺增加砌 块的表面效果；大理石等石材业开始采用喷抛丸工艺逐渐代替传统的火烧方法，提高成材率和表面光饰效果。有些模具清理或清洗采用了喷抛丸或喷砂，也有采用喷射干冰等工艺。 总之，喷抛丸技术作为一种加工工艺，应用范围越来越广泛，已经从铸造领域脱颖而出渗透到各行各业中，喷抛丸装备市场和应用范围也越来越大、越宽。 三.国内喷抛丸设备生产厂家历史沿革与现状分布 3.1 喷抛丸设备生产厂家 上世纪8O年代以前，喷抛丸设备管理划归铸造机械行业管理，归口济南铸造锻压机械研究所，技术标准归口“全国铸造机械标准化技术委员会”。济南铸造锻压机械研究所是铸造机械和喷抛丸技术与装备的行业归口研究所，成立于1956年，也是国内成立最早的行业研究所，也是唯一的喷抛丸技术与装备归口研究所，研制的多种喷抛丸设备填补国内空白，目前归属中国机械工业集团公司。青岛机械公司是国内最早生产喷抛丸设备的专业厂家，成立于1949年，1954年专业生产铸造机械和喷抛丸(砂)设备，是国内喷抛丸设备规格最为齐全的生产厂家，行政上曾一度划归机械工业部机床工具局管理，技术水平直在国内居领先地位，拥有山东省和青岛市级技术中心。2008年被批准为“全国铸造机械标准化技术委员会喷抛丸分技术委员会”秘书长单位。上世纪8O年代以前，济南铸造锻压机械研究所与青岛机械厂保持了良好的合作关系，在计划经济体制下，很多产品都是联合开发。也是当时“产学研”结合的典范，几乎所有的喷抛丸技术标准都是双方或联合编写的。双方对抛丸机核心部件——抛丸器也做过专门研究和实验，双方合作两年多，研制出具有自主知识产权的Q3O2系列(Q3o23、Q3o24、Q3o25等)双圆盘抛丸器，沿用至今。 从上世纪8O年代以后，随着中国改革开放的深入，喷抛丸技术与装备发展非常迅速，很多喷抛丸设备被开发和研制出来，替代了国外进口，生产厂家也越来越多。逐渐形成了许多喷抛丸生产基地。特别是1987～1990年青岛机械厂通过许可证贸易，引进并消化吸收了美国潘邦(PANBORN)公司GN系列(6GN＼15GN＼28GN)履带式抛丸清理机以及ES1422弹簧抛丸强化机，将中国抛丸技术与装备水平提高了很大一步。时至今日，GN系列产品仍然是国内履带式抛丸机市场上比较可靠的产品，由GN系列产品转化而成的单圆盘抛丸器也是国内抛丸机设备厂家推崇的抛丸器。 山东青岛是铸造机械之乡，也是国内喷抛丸设备最大的制造基地，喷抛丸制造企业有30多家，除青岛迪砂机械集团公司以外，其它喷抛丸制造企业主要兴起于上世纪80年代以后，集中在青岛的市区、即墨、胶南等地。山东潍坊的诸城也是喷抛丸设备生产基地，有近20家抛丸机制造企业，兴起于上世纪90年代末，喷抛丸制造企业较多，但规模都不大，喷抛丸设备年销售收入大都在3000万元左右 江苏无锡市在20世纪90年代后期发展起来许多喷抛丸设备生产厂家，但规模都不大，年销售收入都在3000万元以下。 江苏大丰是近年发展起来的抛丸机设备生产集散地，作坊式工厂较多，价格比较低，生产的产品质量水平也比较低。 总体来说，目前国内抛丸清理机生产厂家研发能力比较弱，还是以模仿和测绘为主，除几个比较大的设备生产厂家有自己的研发机构和研发人员以外，其它喷抛丸生产厂家技术开发力量很弱，甚至没有，靠低成本、低价格生存，这也是目前中国喷抛丸设备技术水平不高也难以提高的主要原因。 3.2 喷砂机(喷丸器) 喷砂机及喷砂房等设备是中船重工所属企业和院所上世纪80年代引进日本技术消化吸收而开发的，另外还有航空业所属企业和院所致力于喷砂技术的开发。喷砂机生产厂家主要分布在北京、上海、重庆、广东东莞等。 3.3 磨料 磨料主要生产厂家有大丰大奇、上海摩根、山东等几家年销售收入在千万元以上，其它磨料生产厂家规模比较小。 四.喷抛丸装备市场情况及技术水平 4.1 喷抛丸装备市场情况 国外高水平喷抛丸设备公司集中在欧美，像美国的潘邦(PANBORN)公司、丹麦的迪砂(DISA)、日本新东(SINTO)、德国施力克(Schlick)等。与中国其它行业类似，国外喷抛丸设备公司在中国经历了合作、引进、合资、独资等过程。2000年以前以作、引进、合资为主。近年来国外先进喷抛丸设备制造厂家也在中国国内建厂，为了保护知识产权，基本是独资或控股，像迪砂公司在青岛已设立工厂；日本新东公司在国内的合资公司青岛新东机械有限公司，其股份已达到95％(另有5％股份属于青岛市机械工业总公司)。国内喷抛丸设备生产企业，生产主要喷抛丸设备，约占80％以上是滚筒式、履带式、转台式、台车式、吊链式、辊道通过式及专机，成套成线设备主要是钢材预处理线，包括上料、预热、抛丸、喷漆、烘干、卸料等工序；其次为喷砂设备。这些喷抛丸设备主要分布在船舶、汽车、工程机、铁路、石油管道等行业。 4．2 喷抛丸装备技术水平 国内喷抛丸设备技术水平较低，总体达到国外上世纪80年代初期到中期水平。存在的问题是：可靠性差，故障率高；能耗高；作业环境差，环境污染严重；操作者素质和技能比较差，存在安全隐患；设备控制水平较低，自动化水平较低；易损备件不过关，寿命大概是国外的1／5不到。发动机缸体缸盖机械手自动抛丸清理，基本靠国外进口或国内独资企业生产的设备；钢材预处理线设计、制造和电气控制水平较低，宽厚板(宽超过5m、厚超过100mm)钢材预处理线尚靠进口，影响了船舶工业的发展；航空航天工业需要的计算机监控强化和成形控制设备，无论是控制软件还是主要控制元件都要靠国外进口。 抛丸清理机设备核心部件抛丸器定向套调整与检测，国外已经实现自动在线调整，定向套窗口磨损情况也已实现在线监测，而国内此项技术尚未开始研究。弹丸电磁流量闸门尚依靠进口。诸如此类，国内喷抛丸设备无论是在机械结构性能还是在设备控制、监测等方面与国外先进技术相比都存在较大差距。 五. 对中国喷抛丸技术与装备的思考 综上所述，我国在抛丸机技术与装备方面与国外先进水平相比差距是非常明显的，主要原因： 1.是我国由于机械工业整体设计与制造水平较低，影响了喷抛丸设备的水平。如喷抛丸设备主要的耐磨材料，耐磨铸铁制造水平大概与国外1970年代水平相当，工艺落后，铸造工艺基本靠手工造型，表面和内在质量都比较差，耐磨寿命低，极大地影响了设备可靠性，增大了设备故障率，加大了用户使用成本；国外很多喷抛丸设备室体或护板采用轧制高锰钢，而国内大多还采用室体使用普通钢材加以铸造高锰钢护板，即使有些使用了轧制高锰钢板，性能方面比国外也有很大差距。所以提高基础原材料及配套元器件的设计和制造水平，才能保证抛丸机设备整体水平的提高，保证设备的可靠性。 2.是国内企业普遍对产品研发特别是自主研发投入不够，靠低价竞争，甚至没有研发机构或研发人员，拥有自主知识产权的成果比较少，产品技术水平离国外先进技术水平差距越来越大。信息技术应用水平比较低下，产品设计基本采用二维CAD三维CAD设计以及CAM(计算机辅助制造)／CAPP(计算机辅助工艺规程设计)／CAE(计算机辅助分析)／ERP(企业资源规划)等设计验证和管理手段应用比较少，故产品研发周期比较长、差错率比较高、成本比较高，应用到产品控制中的信息技术如人机界面、计算机监控等先进控制技术就更少了。希望国内企业充分意识到这一点，加大研发投入，尽快走出低水平竞争。 3.是由于院所专业调整等原因，国内专门研究喷抛丸工艺的科研院所比较少，专业研究人员也比较少。在喷抛丸技术基础研究方面比较薄弱。 4.是随着喷抛丸技术应用领域的拓展,很多从事喷抛丸技术的工程技术人员由于缺乏对喷抛丸工艺的研究，而多侧重于喷抛丸设备设计制造方面，故成套成线性比较差，单机较多，成套成线设备稳定性差。 5.是国家宏观管理没有到位，缺乏相应的激励政策。目前喷抛丸技术与装备归济南铸造锻压机械研究所，也仅仅以铸造行业的喷抛丸工艺为主，但目前喷抛丸工艺已远远超出了铸造机械的范畴，几乎涵盖了所有行业，各行各业对本行业的喷抛丸技术与装备都有自己行业的要求和标准，所以造成了有些标准不统一，不好管理。希望对喷抛丸技术与装备归口进行调整，统一归口到铸造机械行业管理，对重大技术专项和研发给与支持和扶持，提高中国喷抛丸设备自主品牌水平，为中国装备制造业的振兴贡献应有的力量! 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文章内容仅供参考 (投稿) (4/12/2015)