濕式噴砂裝置設計與研究*

張海峰 宋 強 趙愛玲

(安陽工學院機械工程學院，河南 安陽455000)

噴砂是以壓縮空氣為動力，將磨料固體顆粒經噴槍形成高速射流，高速噴射到工件表面，通過磨料沖擊和切削作用，改變工件表面清潔度、粗糙度、機械性能和工藝特性等，是模具加工過程中的關鍵工序［1］。目前普遍使用的是干式噴砂加工預處理方式，而干式噴砂存在許多不足之處:粉塵污染嚴重、危害人體健康、工件表面易附著粉塵、無法直接布置在生產線內、分開獨立設置的噴砂裝置增加了生產中轉環節影響生產效率等。為解決以上問題，設計了一種濕式噴砂裝置，能夠顯著改善工件表面粗糙度和應力分布，有效消除干式噴砂的粉塵污染，并可以直接安裝在生產線上，提高生產效率，操作便利和應用經濟性，有利于企業工藝升級和技術革新，具有較高的應用推廣價值。

1 濕式噴砂裝置工作原理與結構設計

1.1 工作原理

濕式噴砂以磨液泵為供給動力，以壓縮空氣為噴砂加速動力，把混合均勻的磨料液體經噴嘴形成射流，高速噴射到工件表面，通過高速磨料射流的沖蝕磨削作用，實現對工件表面強化、清洗、噴涂和改性等工藝目的。磨液(磨料液體)一般用清水與一定粒度的磨料(根據工件的不同材質，可用石英砂、玻璃丸、氧化鋁、碳化硅等)按一定配比混合而成，并可循環使用。

濕式噴砂能夠使工件表層產生塑性流動，細化表層金屬組織結構，改善表層殘余壓縮應力。工件表面強化能極大增進其疲勞壽命和抵抗應力腐蝕的能力，可廣泛應用于汽車、摩托車、飛機等行業。汽車工業中某些典型零件應用噴砂強化后，疲勞壽命大大得到提高:如板簧提高600%，曲軸提高900%，齒輪提高1500%［2-4］。

1.2 結構設計

濕式噴砂裝置整體結構主要包括主機系統(含噴砂工作倉)、噴槍及其驅動機構、磨液泵氣泵動力系統、工件驅動固定機構、PLC 電器控制系統、磨液池及收砂系統、工件限位單元及輸送管線等。

設計采用濕式噴砂裝置替代原有干式噴砂裝置進行模具鍍鉻前的表面處理，能夠在強化模具表面的同時改善模具表面應力。工作時，工件在驅動單元作用下，進入噴砂工作倉，磨液泵及氣源打開，磨液混合均勻，噴槍在驅動單元作用下到達工作原點，控制系統控制磨液射流經空氣驅動加速后噴射到工件表面，使之按照“S”路徑完成全部噴砂加工處理過程。設計組成原理圖如圖1 所示。

2 工作方案的設計

項目設計針對長×寬分別為435 mm ×365 mm;496 mm ×410 mm;577 mm ×471 mm;658 mm ×531 mm;740 mm×592 mm 的1～5#模具進行表面處理，模具材料為鉻鋼(3Cr2W8V)，工藝要求經噴砂處理后其表面粗糙度Ra在1.6～3.2 μm 之間，表面硬度達到80HRA 以上。設計擬采用以下3 個方案:

方案1:采用噴槍擺桿運動機構。噴槍位于工件中心上方，在擺桿機構驅動下沿中心線來回擺動，工件在電動機驅動下高速旋轉，當噴槍出口至工件中心垂直距離分別為40 mm、60 mm、80 mm 時(擺桿機構的擺動中心點距離噴槍出口20 mm)，噴槍最大擺位與工件中心法線的夾角θ 值見表1。

為保證噴砂射流能夠覆蓋整個工件表面，θ 角的最大值出現在噴槍射流中心線與工件對角線頂點連成一條直線時，如圖2 所示。

表1 擺桿機構最大擺角θ

從表1 中的數據可以看出，隨著工件尺寸增大，噴槍擺動角θ 及其相應噴射距離加大，這會造成射流實際加工效率下降。雖然增加噴槍與工件之間距離可以減小θ，但噴砂有效距離增加后，同樣會降低實際加工效率。

方案2:采用工件滑臺機構。噴槍垂直工件固定，工件在驅動機構作用下相對噴槍滑動，其優點是不存在噴槍擺桿機構噴射角θ 影響，缺點是高速磨料射流可能滲入工作滑臺機構，造成滑動機構磨損或失效。

方案3:采用噴槍驅動機構。工件固定不動，噴槍移動噴砂。噴槍運動分3 個方向，分別為垂直工件表面的縱向(z向)和平行于工件表面的x、y方向?？v向實際為噴砂加工距離H，選用推桿電動機驅動，其值相對固定。在x、y方向選用絲杠步進電動機驅動機構完成“S”路徑噴砂加工過程。首先噴槍從坐標原點沿x方向到達終點，然后y向偏移Δy距離后，再逆x方向到達原點，多次反復完成一個“S”路徑噴砂加工過程;其次沿y方向行進，x向偏移Δx的方法，多次反復完成一個“S”路徑噴砂加工過程。多次往復可保證工件表面噴砂加工當量時間要求，顯著提高了噴砂加工效果和均勻性。

綜合對比3 種工作方案，方案3 采用噴槍驅動工作方式既可避免高速磨液對驅動裝置的直接作用，工作穩定可靠，同時兼具動力消耗成本優勢。因此，本設計采用方案3 為最終方案［5］。

3 參數優化與CFD 仿真研究

影響噴砂加工效果的主要因素包括噴槍噴嘴、加速磨液射流的壓縮空氣P、磨料的類型及濃度、噴砂加工距離H等，選擇合理的工藝參數對濕式噴砂裝置的研制具有重要作用。

3.1 噴槍噴嘴的影響

噴槍的結構和參數是影響噴砂加工效率的重要因素，主要包括噴嘴直徑、噴嘴內孔結構等。噴嘴直徑D與加工效率S的定量關系為S=KD2，K為噴砂加工綜合系數［6］。加工效率和噴槍噴嘴直徑成指數關系，但當空氣驅動功率、壓力及流量恒定時，空氣消耗量隨著噴嘴直徑增大而增大，實際噴砂射流速度反而下降，噴砂效率降低。

3.2 壓縮空氣壓力P 對噴砂加工效率的影響

空氣壓力P(噴嘴進氣端的壓力)與噴砂加工效率S成正比［5］，其表達式為S=KP，K為綜合系數。原則上空氣壓力越大，加工效率越高，但壓力升高后，磨料砂粒的破碎率、對工件材料的切削沖蝕、噴射的有效距離及空氣紊流都會隨之變化，而且壓力過大，磨料破碎率會顯著上升，磨料尖角嵌入機率升高，噴砂表面處理就轉變成射孔成型等強力切削加工，如果壓力太小，加工效率顯著下降。綜合考慮，噴砂表面處理空氣壓力以不超過0.75 MPa 為宜，一般應保持在0.5～0.75 MPa 之間。

3.3 磨料的類型及濃度的影響

設計中選用磨料粒度為0.3～0.6 mm 玻璃丸和46#～220#之間各種粒度號的剛玉磨料。考慮到增加濃度可以增加磨料在射流加工試樣上單位時間內的沖擊次數，加大沖蝕力度，但隨著磨料濃度的增加，有限的管道空間內因磨料顆粒的擁擠而產生磨粒之間的干涉，在噴射過程中相互碰撞，對工件表面的有效沖擊次數減少，降低加工效率。降低磨料濃度同樣減少磨料對工件表面的有效沖擊次數，降低加工效率。因此，磨料濃度過高或過低，都會影響實際加工效率。最佳磨料濃度值范圍為6%～8%，4%～10%的濃度適宜，體積加載率在1000 倍左右［7］。

3.4 噴槍噴嘴與工件表面距離H

噴槍噴嘴是能量轉換的工具，其至工件表面的距離直接影響著噴砂加工的效率。高壓含砂磨液經噴嘴所形成的射流VH與噴嘴出口距離H關系［7］為:

式中:VH為離微粒噴嘴出口H處的射流軸心速度，m/s;C為試驗常數，約等于6;V0為射流初速度，m/s;D為噴嘴直徑，mm;H為噴嘴出口至噴射物距離，mm。

式(1)表明，當H=6D時，其射流軸心速度仍保持初速度V0不變。另外，射流徑向速度還與流束的軸心半徑有關，即與噴射形成截面中心的距離比例有關，一般選取噴射截面直徑的70%～80%核算噴砂加工的有效面積。

3.5 CFD 仿真結果與分析

噴砂加工工件表面為平面，用CFD 仿真技術對平板射流相關參數進行模擬仿真研究［8］。仿真研究基本假設為:

(1)磨液射流對工件表面的作用與總壓成正比，即與固體顆粒在該位置的動量大小和射流靜壓成正比。

(2)不考慮固體顆粒溫度影響。取平板(工件)在噴槍噴嘴距離分別為10 mm、20 mm、50 mm、100 mm這4 個位置，研究射流在不同距離下平板射流的全壓分布。仿真按照液固兩相之間的耦合模型，依次計算連續相流場，計算每個噴射源開始的顆粒軌道，利用相間動量等交換項重新計算連續相流場和修正后顆粒軌跡，直至獲得收斂解。選擇S -A 湍流模型，采用遵循歐拉-拉格朗日方法的離散相模型進行仿真［9］。

液固兩相射流在平板表面距軸心徑向總壓分布如圖3 所示，射流出口孔徑10 mm;徑口總壓0.6 MPa;環境壓力0.101 MPa(標準大氣壓)。

由圖3 可知，射流出口至平板距離為10～20 mm時，全壓沿軸心徑向距離分布梯度過大，不均勻;100 mm 時，全壓沿軸心徑向距離分布均勻，梯度小，但全壓值太小;50 mm 時，即5 倍于射流初始孔徑時，噴砂全壓在沿軸心徑向距離1.5 倍，仍可達到全壓峰值的70%以上，全壓沿軸心徑向距離分布比較均勻(圖中全壓值均為表壓)。

4 試驗結果及分析

設計對1#工件進行噴砂測試，噴槍口徑12. 5 mm，垂直工件噴砂加工，距離60 mm，實際噴砂加工時間約40 min，當量時間2 min，測試結果如下:

4.1 表面粗糙度測試

用2206B 型粗糙度測量儀測試噴砂后1#工件，發現工件表面磨削條紋明顯減輕，并有輕微捶擊凹坑，產生了均勻細微的凹凸面(基礎圖式)，表明濕式噴砂裝置有效地改變了工件表面微形貌，使工件表面產生塑性變形，其表面粗糙度Ra在1.6～3.2 μm 之間，達到了預期要求。

4.2 表面殘余應力測試

分別以0.1 MPa;0.3 MPa;0.5 MPa;0.75 MPa 氣源動力對1#工件進行表面噴砂處理，選擇MAX2500型X 射線衍射儀進行應力測試，其他條件同前，測得不同氣源壓力下工件表面殘余應力沿表層方向上的分布如圖4 所示。

由圖4 可以看出，當噴砂加工壓力小于0.5 MPa時，隨噴砂加工壓力增加，表面應力顯著增加，當噴砂加工壓力增加到0.5～0.75 MPa 時，表面殘余應力大小和深度分布不再顯著變化。

測試結果表明:噴砂加工可增加表面應力層厚度，改善工件表面的應力分布，有利于提高工件表面強度。噴砂合理壓力范圍為0.5～0.75 MPa，一般選用0.6 MPa 為最佳。

5 結語

實際測試結果表明:濕式噴砂裝置適宜噴砂加工距離為4～6 倍噴嘴孔徑，合適磨液濃度在4%～10%之間。設計采用PLC 控制系統，實現噴槍驅動和射流加工處理，整個裝置工作穩定可靠，噴砂處理后工件表面應力分布狀況得到顯著改善，表面粗糙度達到工藝要求。濕式噴砂可較好地解決干式噴砂存在的粉塵污染問題，減少了自動化加工生產中的周轉環節，符合企業實際生產要求，達到預期設計目標，可廣泛應用在金屬工件表面強化與改性等方面，具有較高的應用推廣價值。

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