基于正交試驗的噴砂工藝參數優化

李忠敏

（上海交通大學，上海200030）

0 引言

噴砂除銹是船舶噴涂前最主要的表面處理方法，噴砂除銹在造船和修船過程中都有著重要的應用，是國內造船企業中應用最廣泛的表面處理工藝［1］。噴砂工藝的工作原理為：以進氣口內的高速氣流為引射流，以含有大量磨料的低速氣流為被引射流，兩種氣流經噴砂嘴混合后從噴嘴中高速噴射出來。在槍體內，引射氣流和磨料顆粒及低速氣流（被引射氣流）進行動量和能量交換。被引射氣流和磨料在引射氣流的剪切作用下，被卷吸進入噴砂嘴，并繼續與引射氣流發生動量、能量的交換，形成氣流與磨料的混合流體。最后使磨料顆粒被加速并噴射出來，在噴砂嘴出口處形成圓形自由射流［2］。

噴砂工藝的最主要評價標準是噴砂后所得到的粗糙度，良好的粗糙度即可以提升涂層的附著力，也可以保證涂層的厚度，節約涂料用量，降低施工成本，所以如何得到理想的粗糙度是噴砂工藝優化的首要目標。在船舶涂裝的質量評定中，對于粗糙度的評定，按照GB/T 13288《涂裝前鋼材表面粗糙度等級的評定》用標準樣塊目視比較，或用儀器直接測定表面的粗糙度，Sa2.5級要求粗糙度Rz在70～85μm，以75～80μm為最佳；要得到理想的粗糙度，需要對噴砂工藝中的各項參數進行優化組合。本次研究就是為了對噴砂工藝中影響粗糙度的各項因素進行試驗分析，找到可以得到最佳粗糙度的因素組合。

目前國內對噴砂工藝的研究還主要停留在經驗總結的狀態，通過老一輩涂裝人多年的工作經驗積累，加之國內主要船企長期的施工經驗匯總，以施工中的作業習慣為主，綜合后作為現在船企生產的指導規范，缺少理論基礎，各項因素的參數設定以主觀因素為主，更強調經驗的傳承。這就造成了國內的船舶修造企業至今仍然遵循著幾十年來的傳統作業方式與規程，而沒有在理論層次上分析、總結。

噴砂工藝的研究在國外，特別是在歐美國家，其研究方向主要集中于噴砂/丸強化的冷加工方向，且在這一研究方向達到了相當高的水平，目前MIC、美國波音公司和德國羅斯勒有限公司等少數幾家公司壟斷了先進的噴砂/丸成形技術。但在噴砂除銹這一表面處理方向的研究上卻停滯不前，其研究現狀與20世紀50年代相比并無實質性的突破與發展。

綜上所述，現階段缺少一種基于生產現場的實際情況且經過實際驗證，對噴砂施工的各項施工參數進行優化的方案。

1 噴砂工藝影響因素的確定

噴砂除銹設備借助于壓縮空氣或高壓水所形成的高速氣流（或氣液兩相流）將一定濃度、一定粒徑的磨料（如砂粒、剛丸、陶粒等）噴射到船體或其他工件表面，利用磨料的沖擊、磨削作用將其表面的氧化皮、油漆、油漬等清除干凈，并得到需要的粗糙度。其中粗糙度是噴砂工藝質量的最主要評定指標。適當的調節氣體流速、流量、磨料類型以及磨料含量和其他參數，可以在底材表面達到指定等級的粗糙度要求。因此，通過對噴砂施工機理的分析，得出在噴砂施工中，其影響因素主要來自于噴砂壓力、噴槍長度、噴射角度、砂的類型、砂粒徑和噴槍的移動速度（作用時間）。

1.1 噴砂工藝影響因素分析

通過對國內現有研究材料的學習與總結，并結合國內某特大型船舶制造企業的現場實際情況，對噴砂施工中的各項影響因素進行理論分析與實際調研。在材料總結分析與實際調研的基礎上，組織國內某大型船廠涂裝技師小組進行頭腦風暴，分析噴砂施工中粗糙度的影響因素，經過分析討論得出以下影響因素：噴砂壓力、噴槍長度、噴槍口徑、噴射角度、噴槍移動速度、砂的類型、砂的粒徑。

1.2 噴砂工藝影響因素篩選

在以上各項因素中，部分因素為固定因素，在施工過程中不會發生改變（或不會因為人的操作而發生變化），如噴槍長度與噴槍口徑、磨料的材質，通過對國內最大造船下屬7家大型造船廠的調研得知，在實際的生產應用中，這些因素不會發生變化，所以在本次研究中屬固定因素。

本次研究針對會因設備的調節或人的操作而發生改變的因素，即動能壓力、噴射角度、噴槍移動速度、砂的粒徑4項因素，針對這些因素進行試驗方案的制定，通過試驗對各因素影響噴砂結果的情況以數據的形式進行匯總、分析，找出最優的噴砂施工參數組合。

2 正交試驗

使用正交試驗法，設計正交試驗，制定試驗方案，對4項可變因素進行試驗，并對試驗數據進行分析，確定最優的粗糙度影響因素數值組合。

2.1 試驗目的

使用正交試驗法，設計合理的試驗方案，利用機器人設備，對噴砂施工中可調節或可改變的4項影響因素（噴砂壓力、噴射角度、噴槍移動速度、砂的粒徑）進行試驗，通過試驗，找出最合適的噴砂施工影響因素的數值組合（可得到最佳粗糙度值，且在施工中易于設置的因素水平值）。為后續制定噴砂施工指導規范提供有力的數據基礎。

2.2 試驗流程

基于安全原則與噴砂施工的施工流程制定噴砂試驗流程，噴砂試驗流程如圖1所示。

2.3 正交試驗設計

2.3.1 明確評價指標

本次試驗的評價指標為噴砂施工后所得的鋼板粗糙度。

2.3.2 確定因素與水平

根據前文論述，本試驗需對4項因素進行研究，即噴砂壓力、噴射角度、噴槍移動速度、砂的粒徑。對4項因素分析確定其水平，如表1所示。

為避免人為的編排水平（所有水平都從小到大排列）給試驗帶來影響，所以將水平重新編排，同時，由于試驗中砂的更換工作量大，需重新清潔噴砂機砂缸，工作量巨大，因此砂的粒徑屬于不易更改因素，需將砂的粒徑調整為首選因素，經過優化后得到正式的因素水平表，如表2所示。

本次試驗為4因素3水平，應采用（34）正交表，即需9次試驗，整理后得到試驗方案表，如表3所示。

粗糙度的測量，使用國內涂裝界普遍應用的觸針式表面粗糙度測量儀對試驗后的鋼板表面進行測量。

2.4 試驗材料與裝置

試驗材料為G40，G50，G80三種型號的貝氏體鋼砂各一噸。試驗裝置最主要為“羅隆”自動機器人手臂（控制系統由一臺西門子公司可編程控制器S7-1200和昆侖通態觸摸屏組成，操作簡單，精度高，機械手可實現X，Y雙向的精準定速運動），另外準備噴砂機、直管型噴砂槍、普通船用鋼板40塊、粗糙度測量儀、壓力表、卷尺。

2.5 試驗結果與極差分析

本次試驗為單指標試驗，通過極差分析法進行直觀分析。試驗結果與極差分析數據如表4所示。

圖1 噴砂試驗流程

表1 試驗因素水平分析

表2 試驗因素水平

表3 試驗方案

對上述數據進行初步檢查分析，發現所有的粗糙度均低于最理想粗糙度75μm（實際生產中也是這種情況），在對各項參數在以上取值范圍之外進行了補充試驗，在減小砂的粒徑、減小噴槍與鋼板夾角、提高噴槍移動速度、減小噴砂壓力的情況下，所得的粗糙度更小，沒有意義；而增加砂的粒徑后，砂的質量的增加所形成的射流不夠穩定，無法穩定施工。降低噴槍的移動速度后，噴槍作用于鋼板的時間過長，對鋼板厚度造成了影響，厚度較小的鋼板會出現擊穿的情況，無法在生產中應用。噴砂壓力增加會超過安全施工的壓力上限，生產中不能采用。而在增加噴槍與鋼板的夾角后，雖得到了更高的粗糙度，但所得數據混亂，離散性很大，無法取得有效的試驗數據，不具備可研究性。因為噴槍與鋼板夾角增大后，噴槍噴出的射流與之前噴射到鋼板后反彈回的射流形成了對沖，導致了噴槍射流的不穩定性，所以無法取得有效數據。從試驗的有效性、實際生產的安全性及可操作性考慮，仍在原試驗的取值區間進行試驗，延用原試驗的試驗數據作為研究依據進行分析與研究。

表4 試驗方案及試驗結果分析

通過表4中的極差對比可以得出RA＞RD＞RB＞RC，所以各因素的從主到次的順序為：A（砂的粒徑）、D（噴砂壓力）、B（噴槍與鋼板夾角）、C（噴槍移動速度）。

優方案的確定：在本次試驗中，評價指標為粗糙度，在實際的生產中，最為理想的粗糙度為75μm，而全部試驗的粗糙度均低于該指標，所以需要所得的指標越大越好，這就要求挑選每個因素的K1，K2，K3中最大的值對應的那個水平，由于：

第二天在學校，秦風不再跟我說一句話，我明白他在生氣，但并不想解釋，成長環境不同，他不會懂得我當時有多尷尬。只是我沒有想到，放學后，他還是繼續到操場練習跑步。看見他來了，我很高興，于是跑過去，攬著他的肩膀說：“秦風，你來啦！”

A因素列：K1＞K2＞K3

B因素列：K3＞K2＞K1

C因素列：K2＞K3＞K1

D因素列：K3＞K2＞K1

所以，優方案為A1B3C2D3，即砂的粒徑為0.7 mm，噴槍與鋼板夾角為65°，噴槍移動速度為0.03 m/s，噴砂壓力為0.7 MPa［3］。

將本次試驗的因素水平作為橫坐標，以它的試驗指標的平均值Ki作為縱坐標，畫出因素與指標的關系，如圖2所示。

通過趨勢圖可以清楚地看出粗糙度隨各因素的水平變化而變化的趨勢，同時也可清晰地看出本次試驗的優方案出現在砂的粒徑為0.7 mm，噴槍與鋼板夾角為65°，噴槍移動速度為0.03 m/s，噴砂壓力為0.7 MPa時，即A1B3C2D3。

因優方案并不包含在上文的正交試驗中，所以要做進一步的驗證試驗。

2.6 優參數方案驗證試驗

在本次試驗中，通過極差分析得到的優方案A1B3C2D3，并不屬于正交表中已做過的9個試驗方案，雖然體現了正交試驗的優越性，但是是由分析推導而出，故為了嚴謹起見，還需要進一步驗證。

在正交試驗中的9個方案中，第3組試驗所得到的粗糙度最接近理想值，是9個方案中所得評價指標最好的方案，所以將第3組試驗的方案作為比較，作對比試驗，以驗證推導所得的優方案是否為實際的優方案。

經過試驗后，所得數據如表5所示。

優方案驗證試驗，4個因素的水平分別取第1，3，2，3水平，即砂的粒徑為0.7 mm，噴槍與鋼板夾角為65°，噴槍移動速度為0.03 m/s，噴砂壓力為0.7 MPa。對這個方案進行3輪試驗，所得結果取平均值，得到粗糙度為74.43μm。

試驗3方案為已做9輪試驗中粗糙度最理想的一組試驗方案（原第3組試驗方案），4個因素的水平分別取第1，3，3，3水平，即砂的粒徑為0.7 mm，噴槍與鋼板夾角為65°，噴槍移動速度為0.05 m/s，噴砂壓力為0.7 MPa。對這個方案進行3輪試驗，所得結果取平均值，得到粗糙度為73.07μm。

對兩個試驗方案進行對比，優方案所得的粗糙度更為理想。

通過驗證試驗的比對得出結論，通過極差分析所得到的優方案A1B3C2D3，優于全部9個試驗方案，更加接近理想指標，是試驗最終得到的優方案。

3 試驗結論

通過對試驗的分析，最終得出如下結論。

（1）最佳粗糙度的因素水平方案為：砂的粒徑0.07 mm（G40）、噴槍與鋼板的夾角65°、噴槍移動速度0.03 m/s、噴砂壓力0.7 MPa。

圖2 正交試驗趨勢

表5 驗證試驗參數及結果

（2）就國內主要船廠所使用的貝氏體鋼砂磨料而言，磨料的粒徑越大（號碼越小）所取得的粗糙度越大。

（3）噴槍與鋼板夾角在45～65°時，夾角越大，得到的粗糙度越大。

（4）噴槍移動速度對鋼板粗糙度的影響不成線性的關系，呈現波動的變化，當速度小于0.05 m/s，粗糙度隨著速度的減慢而增加，但當速度低于0.03 m/s時，隨著速度的繼續減慢直至0.01 m/s，粗糙度反而會下降。所以，噴槍移動速度在0.01～0.05 m/s間進行取值，粗糙度呈現先增加后降低的變化，速度在0.03 m/s附近時，得到的粗糙度最大。

（5）噴砂壓力在0.5～0.7 MPa的范圍內，所得粗糙度隨著噴砂壓力的增大而增大。