不規(guī)則試樣原子發(fā)射光譜激發(fā)平臺設(shè)計(jì)

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(1.山東農(nóng)業(yè)工程學(xué)院,濟(jì)南 250100; 2.中國石油油田動力裝備試驗(yàn)基地,濟(jì)南 250306)

當(dāng)前,各類大型工業(yè)場合對重型機(jī)械設(shè)備需求旺盛。以發(fā)動機(jī)為例,其裝配零部件種類多、數(shù)量大、形狀尺寸復(fù)雜,在運(yùn)轉(zhuǎn)時承受交變高負(fù)載,且工況惡劣。因此這些零件材料的化學(xué)成分構(gòu)成應(yīng)具有相應(yīng)元素所帶來的耐磨、耐熱、耐腐蝕等特殊性能[1]。

原子發(fā)射光譜法(AES)在金屬元素分析中具有重要地位,已有眾多研究圍繞其代表性的電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜法(ICP-AES)開展,但場景多限于冶煉鑄造的爐前分析或是科研院所[2-5],且其制備耗時久的特性令其無法勝任實(shí)際生產(chǎn)中的大批量零件檢驗(yàn)任務(wù)。整機(jī)制造業(yè)的質(zhì)量管理是一個龐大復(fù)雜的系統(tǒng)工程,作為質(zhì)量管理控制的重要一環(huán),火花源原子發(fā)射光譜法非常適合對固體樣品進(jìn)行直接分析,至今仍是快速判定金屬零件材料質(zhì)量的主要手段[6-8]。目前雖然有相當(dāng)數(shù)量文獻(xiàn)闡述了對該法的應(yīng)用,但鮮有對復(fù)雜實(shí)物快速檢測技術(shù)的研究[9],火花源原子發(fā)射光譜法在分析階段的速率優(yōu)勢往往被漫長的制樣過程所消解。

本工作通過對外形具有代表性的幾種典型發(fā)動機(jī)零件的制備過程進(jìn)行分析,總結(jié)歸納了面向現(xiàn)場的實(shí)物試樣制備思路,并設(shè)計(jì)了多種適用性的夾具,通過增加試樣在激發(fā)臺的定位手段,有效降低制備難度與縮短耗時,提高工作效率。

1 制備不規(guī)則試樣存在的問題

1.1 影響試驗(yàn)進(jìn)程的因素探討

機(jī)械零件因其功能需要一般具有較為復(fù)雜的結(jié)構(gòu),且多施有表面工藝。所以實(shí)物試樣對原子發(fā)射光譜法整體分析進(jìn)程的影響,主要源自其外觀表面不具備試驗(yàn)開展的基本條件,這包括粗糙度、滲碳發(fā)藍(lán)等表面處理工藝、無規(guī)則平穩(wěn)持立端面、形狀或尺寸不足以覆蓋激發(fā)孔等典型情況。這就經(jīng)常需要機(jī)加工取樣、試驗(yàn)人員的手動制樣以及相應(yīng)的輔助工具予以試樣一定程度的夾持。

對于工業(yè)現(xiàn)場大批量送檢試樣,單個實(shí)物零件制備對當(dāng)批次送檢流程造成的延遲,主要源自其材料或外形特點(diǎn)造成的加工或固支難度,及其在加工隊(duì)列的位置。由于機(jī)加工排序遵從總裝、熱處理等主工藝路線要求、且受限于自身換裝條件,優(yōu)先級難以隨時調(diào)整。因此,通過改進(jìn)試樣制備路線和制作適用性強(qiáng)的試樣定位工裝,則更為現(xiàn)實(shí)合理。

1.2 試樣快速制備路線的建立

面向現(xiàn)場的實(shí)物質(zhì)量分析,具有試樣種類雜、數(shù)量多、制備過程繁瑣、類型標(biāo)準(zhǔn)化程序切換頻繁等特點(diǎn)。為盡可能減少分析前步驟耗時,對試樣快速制備路線的設(shè)計(jì)應(yīng)充分結(jié)合實(shí)際。限于篇幅,這里僅闡述創(chuàng)建快速制備路線應(yīng)遵循的基本準(zhǔn)則,即注重制備方法的可復(fù)現(xiàn)性,并采取“分解疊加”、“因形制宜”等制備思路:①合理分類試樣,梳理加工工序,基于二者對應(yīng)關(guān)系并利用最優(yōu)樹原理,建立取樣工藝最簡路線對照表;②優(yōu)化制樣手段,分解復(fù)雜設(shè)備的取樣環(huán)節(jié),通過疊加刨、鉗、磨等低排序系數(shù)設(shè)備的使用,盡量取代前者;③對于試樣尺寸小于激發(fā)室容積的,應(yīng)盡可能利用試樣自身外形特征,搭配合理的工藝或工裝,進(jìn)一步減少制樣與放樣耗時。

2 新舊制備方法對比試驗(yàn)

首先選取發(fā)動機(jī)配氣機(jī)構(gòu)中的氣門彈簧與氣門座圈進(jìn)行快速制備方法與傳統(tǒng)制備方法的數(shù)據(jù)精度對比試驗(yàn)。該試驗(yàn)包括對自制工具使用效果的檢驗(yàn),皆通過Thermo ARL 3460原子發(fā)射光譜儀開展,數(shù)據(jù)分析則利用Win OE 3.2-1平臺進(jìn)行。

螺旋狀的氣門彈簧和環(huán)狀的氣門座圈,是無法覆蓋激發(fā)孔且又較難取樣、制樣的典型實(shí)例。螺旋狀的氣門彈簧其傳統(tǒng)制備方法多用噴燈加熱并鍛打后再磨拋、加蓋密封,因涉及明火作業(yè),該制樣過程多有不便。由于環(huán)狀的氣門座圈硬度高,傳統(tǒng)方法只能使用電火花線切割U形走刀取樣,由于線切割是低進(jìn)給高排序的設(shè)備,所以耗時較多。二者的制備效果見圖1(a)。

對于氣門彈簧,利用“分解疊加”思路,選擇磨拋端平面并銼去待激發(fā)點(diǎn)附近的表面鍍層或氧化膜,插入錐度銷后加蓋多層銅套密封,見圖1(b)。對于氣門座圈,則基于“因形制宜”思路,改端面激發(fā)為柱面激發(fā),設(shè)計(jì)了簡易環(huán)形零件端面夾持工裝(Tool-1),見圖1(c)。

該工具既利于手持試樣進(jìn)行砂輪周磨,也利于激發(fā)環(huán)境的密封。

圖1 新舊實(shí)物零件制備方法對比Fig.1 Comparison between old and new reparation method for entity sample

對氣門彈簧和氣門座圈采用不同制備方法所制備試樣進(jìn)行分析,結(jié)果見表1。

由表1可知:通過對比可以發(fā)現(xiàn)快速制備法保證了數(shù)據(jù)的可靠性和準(zhǔn)確性,但相較于傳統(tǒng)制備法,“分解”法充分利用磨工與鉗工工具等,避免了復(fù)雜加工設(shè)備的介入;而“因形”法可積累創(chuàng)建簡易工裝庫,像該例中的工具便可快速制備多種孔徑的環(huán)類或管套類零件,從而節(jié)約制樣時間。

表1 新舊制備方法的測定結(jié)果對比Tab.1 Comparison of results between old and new preparation methods%

3 不規(guī)則試樣定位工具設(shè)計(jì)

對于小于激發(fā)室容積的實(shí)物零件試樣,其無法直接進(jìn)行測試的根本原因,是自身結(jié)構(gòu)特征導(dǎo)致的激發(fā)孔漏氣和分析極距無法確保。雖然有部分研究做出了設(shè)計(jì)工裝或改造試驗(yàn)臺等措施[10-15],但其結(jié)構(gòu)均過于簡單,導(dǎo)致適用范圍普遍局限于簡單斷面型材等外觀均勻的試樣。所以,如何在保證氣密性的同時,從空間有限的激發(fā)臺上為表面不規(guī)則的試樣提供必要固支,成為設(shè)計(jì)實(shí)物試樣定位工具的關(guān)鍵。

下面將挑選具有代表性的3件工裝進(jìn)行描述,其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路均兼顧功能性和復(fù)雜性的平衡,即在保證對目標(biāo)形狀操作性的同時,僅靠開展理化試驗(yàn)所需的基礎(chǔ)加工設(shè)備即可制作。為突出重點(diǎn),以下展示圖均略去蓋板、密封套及拓展附件。

3.1 徑向固支工具和軸向固支工具

現(xiàn)有技術(shù)多采用彈性夾頭等定心夾緊方式,是導(dǎo)致工裝適用范圍窄的主要原因。對于不規(guī)則表面的復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件,由于目標(biāo)支撐面缺乏顯著規(guī)律性,為提供足夠固支,需盡可能增加不同方法的夾緊力供給數(shù)量。對于待激發(fā)端面以上仍有較多夾持空間的細(xì)長試樣,如銷軸類、閥桿類、螺紋類等試樣,設(shè)計(jì)了徑向六點(diǎn)離散固支結(jié)構(gòu)的試樣定位工具,該多點(diǎn)緊固工具(Tool-2)由定位底座、空心六角鋼、六角頭絲桿、對中墊圈組成,見圖2(a)。

由圖(2)可知:該工具的設(shè)計(jì)要點(diǎn)是提供夾緊力的絲桿不是同時進(jìn)給,因而能夠適應(yīng)多種外形表面。此外絲桿所處面偏離基體中心剖面,通過翻轉(zhuǎn)六角鋼可適應(yīng)多種尺寸的凸緣頭結(jié)構(gòu)。而底座和墊圈提供了試樣在緊固和放置時的雙重定心,這對于激發(fā)端面面積有限的試樣尤為重要。

對于螺母或彈墊等空心件、定位錐度件、施有表面工藝的月牙形等試樣,由于缺乏徑向夾持面,所以需要增加緊固載荷的有效范圍。為此設(shè)計(jì)了擁有雙向鉗口的夾緊工具,該柱面夾緊工具(Tool-3)由鋼套、臺階螺栓、T型槽V口鉗和卡箍等組成,見圖2(b)。

由圖2(b)可知:該工具的設(shè)計(jì)要點(diǎn)在于螺栓在倒角端的臺階設(shè)計(jì)配合鉗口背部的T型槽,不僅實(shí)現(xiàn)了載荷的正反進(jìn)給,而且令鉗口易于更換;在此基礎(chǔ)上搭配各種形狀或孔徑的卡箍,可顯著擴(kuò)充該工具的適用范圍。

軸向支撐工具(Tool-4),由卡座、支架、絲堵和調(diào)節(jié)螺釘組成,為試樣待測面提供激發(fā)孔中心軸向支撐,面向的是圓弧表面件、窄小扁薄件、從大型鑄件上鑿取的無規(guī)則外形碎片,以及在失效分析中掏取的限定區(qū)域的組織等小型試樣,還能在特殊情況下修補(bǔ)激發(fā)臺磨損。其示意圖見圖2(c)。

由圖2(c)可知:該工具設(shè)計(jì)要點(diǎn)在于卡座利用激發(fā)臺的連接角鋼定位,且可避免支架在插入激發(fā)孔時產(chǎn)生磕碰;支架則從激發(fā)孔處適當(dāng)沉降從而保證分析極距,其與卡座分離的結(jié)構(gòu),使得通過更換不同形狀尺寸的支架以拓展該工具的適配性成為可能。最后,絲堵與調(diào)節(jié)螺釘?shù)慕M合彌補(bǔ)了彈性緊固在自身和試樣固支時所存在的不穩(wěn)定缺陷,能在保證激發(fā)環(huán)境氣密性的同時為多種尺寸的試樣提供有效配重。

3.2 定位工具使用效果驗(yàn)證

為了驗(yàn)證各工具的使用效果,分別利用它們對螺栓、螺母、無規(guī)則外表的碎片試樣開展試驗(yàn),采用ICP-AES和紅外碳硫分析法(CS)聯(lián)合測定,結(jié)果見表2。

由表2可知:測定結(jié)果符合企業(yè)現(xiàn)場對金屬材料質(zhì)量快速判定的分析要求。

圖2 定位工具實(shí)物及結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Actual and structural sketches of positioning fixtures

表2 不同定位工具及不同方法的測定結(jié)果Tab.2 Results of determination obtained with the different positioning tools and testing methods %

表2(續(xù)) %

4 結(jié)論

當(dāng)前,越來越多的制造企業(yè)為了提升對供應(yīng)鏈的把控能力,需對多種類成批量的外協(xié)零部件同時開展性能、成分、金相等理化試驗(yàn)。這就要求對相關(guān)測試設(shè)備的使用,在保證數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的同時還要兼顧效率,以符合人力資源調(diào)配和生產(chǎn)流程管理的可行性與可控性。本工作在火花源原子發(fā)射光譜儀的基礎(chǔ)上搭建了面向?qū)嵨镌嚇拥目焖俪煞譁y試平臺,制定了合理的試樣制備路線并開發(fā)了多種普適工裝,拓展了對復(fù)雜樣品的分析范圍,并使現(xiàn)有設(shè)備的使用場景實(shí)現(xiàn)從線下或后臺向流程現(xiàn)場推進(jìn)的前置效果,對某些制造企業(yè)或相關(guān)試驗(yàn)室的改造升級具有一定的參考意義。