收割機車體前混合磨料水射流除漆的試驗研究*

胡光輝，劉力紅，李曉凱，徐 超，楊 帆

(安徽理工大學(xué) 機械工程學(xué)院，安徽 淮南 232001)

0 引言

隨著農(nóng)業(yè)機械化的不斷普及，用戶對收割機的使用需求日益增加，極大地提高了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率。收割機外表面有85%以上為涂裝漆面，漆面的外觀、光澤度的優(yōu)劣對用戶選擇農(nóng)機有直接的影響，也將影響產(chǎn)品的市場競爭力[1]。收割機表面零件鍍漆生產(chǎn)線由電泳線和面漆線組成，面漆線的整個工藝流程包括工件懸掛、噴漆、烘干、檢測下線。由于受到漆房整潔度、烘干溫度、漆的黏度等方面的影響，工件表面可能出現(xiàn)漆面顆粒多、流掛、桔皮、漆包等缺陷，經(jīng)檢測后需要進行除漆作業(yè)，再做二次鍍漆處理[2，3]。目前收割機零件外表面除漆方式主要采用氣動打磨機和拋丸機進行作業(yè)[4-6]。氣動打磨機除漆需要頻繁更換打磨砂紙，若壓力控制不當(dāng)易對工件基面造成損傷，效率低，除漆過程產(chǎn)生大量粉塵，造成環(huán)境污染，危及施工人員健康；拋丸機除漆需要嚴(yán)格控制噴丸的速度，防止噴丸速度過大影響工件基體的平整度，還會造成極大的噪聲。

本文將前混合磨料水射流除漆技術(shù)應(yīng)用于收割機車體零件外表面不良品的漆面處理上，用來替代漆面氣動打磨和拋丸工藝，以提高工件表面的處理速度，有效降低工人的勞動強度，減少粉塵污染，同時對除漆過程中的水和磨料進行回收處理并循環(huán)使用，對環(huán)境無任何影響[7]。與純水射流不同，前混合磨料射流在除漆時需求的壓力更小，而且在除漆過程中能夠改善零件基面的摩擦因數(shù)，有效增加漆層與基面的附著力。

1 前混合磨料水射流原理

高壓水射流技術(shù)被廣泛用于多種領(lǐng)域，前混合磨料水射流的工作原理是：利用高壓水泵將水加壓，磨料經(jīng)磨料罐與高壓水流在混合腔中混合，混合流體經(jīng)高壓軟管輸送至噴嘴，形成高速磨料水射流，如圖1所示。

2 前混合磨料水射流沖擊作用下收割機車體漆面破壞機理分析

從微觀角度看，漆面粘附在工件表面上，主要是分子間的作用力即范德華力起作用，所以要想清除不良品工件表面的漆層，就要破壞漆面與工件基體的范德華力。

1-高壓水泵；2-混合腔；3-磨料罐；4-砂閥；5-數(shù)控平臺；6-噴頭

除漆過程中，噴頭橫向勻速移動，高壓水經(jīng)噴頭加速后直接作用于工件表面。高壓射流在漆面上產(chǎn)生射流沖擊壓力和滯止壓力，隨著壓力逐漸加大，高壓水對工件表面的沖擊力達到材料破壞力的臨界水平，即破壞漆層與工件基體之間的范德華力，剝離漆層，實現(xiàn)除漆作業(yè)[8，9]。此過程中，斷裂強度低于屈服極限，即：

(1)

其中：ε為最大應(yīng)力；t為外載荷作用時間；σ為破壞強度；ξ為內(nèi)部結(jié)合系數(shù)。

為探究前混合磨料水射流除漆機理，可將漆層看成整個材料需要剝除的微粒。由于材料存在微觀缺陷、細小裂紋，受材料本身的結(jié)構(gòu)變化或其他雜質(zhì)的影響，在高壓水射流中混入磨料，對材料的沖擊破壞力更大，除漆效果也更明顯[10,11]。

在混合射流的作用下，零件漆層受到切削和沖擊作用，造成漆層材料的損傷。漆層首先發(fā)生塑性變形，同時漆層周圍具有少量的塑性變形區(qū)域，由于表面受到剪切應(yīng)力和壓力的共同作用， 漆層在這兩種變形區(qū)域受到的壓應(yīng)力變?yōu)槔瓚?yīng)力。拉應(yīng)力不斷增大，漆層產(chǎn)生縱向裂紋。縱向裂紋擴大，應(yīng)力釋放，彈性變形逐漸消散，在兩種變形的交界處會產(chǎn)生橫向裂紋，其臨界載荷為：

(2)

其中 ：ξs為無量綱系數(shù)，與裂紋剝離角度和形狀有關(guān)；Kc為材料斷裂韌度；H為漆層的彈性模量；E為工件材料的彈性模量。

隨著橫向裂紋的不斷伸展，漆層材料剝落直至完全清除。

3 前混合磨料水射流收割機車體除漆試驗

試驗工件由九方泰和國際重工有限公司提供，將工件切割成210 mm×170 mm規(guī)格的樣件。將樣件固定在試驗臺上并設(shè)置射流的參數(shù)，即可進行除漆試驗。

本試驗依托安徽理工大學(xué)高壓水射流實驗室的高壓前混合磨料水射流試驗平臺(如圖2所示)進行，其性能參數(shù)見表1。

圖2 前混合磨料射流試驗平臺

表1 前混合磨料射流除漆參數(shù)

3.1 試驗效果評定

試驗效果評定應(yīng)同時考慮除漆質(zhì)量與除漆效率，在保證不損害工件基體的情況下除漆并保證除漆效率[12]。可用單位時間內(nèi)漆層的清除面積代表除漆效率，未清除部分占預(yù)清除部分的百分比代表除漆質(zhì)量，百分比越低，除漆質(zhì)量越高，反之除漆質(zhì)量越低。首先獲取除漆樣件的照片，然后用MATLAB進行二值化處理，繼續(xù)分析黑白像素點比例可計算出清除面積，如圖3、圖4所示。

圖3 漆層清洗后圖像

圖4 二值化處理后圖像

3.2 正交試驗

前混合磨料水射流系統(tǒng)可研究的參數(shù)變量較多，為了更好地說明情況，本文主要選擇噴頭橫移速度、磨料濃度、壓力和靶距為試驗因素。每個因素取3個水平，設(shè)計的正交試驗因素水平表見表2。

表2 正交試驗因素水平表

當(dāng)射流沖擊角度為30°時，水射流沖擊零件表面不會出現(xiàn)明顯的濺射現(xiàn)象，射流作用在零件漆層，法向應(yīng)力和切向應(yīng)力共同作用，射流具有更大的能量，除漆效率更高。如果偏射角度過大，射流能量在漆面切向損失過多，所以以射流沖擊角30°為設(shè)定參數(shù)。

本試驗為四因素三水平正交試驗，通過查詢正交試驗表，可選擇三水平正交表L9(34)進行試驗設(shè)計，即通過正交試驗設(shè)計后需經(jīng)過9次試驗才能得到試驗結(jié)果。根據(jù)選定的試驗影響因素、因素參數(shù)水平和正交試驗表得到的正交試驗與結(jié)果見表3。用單位時間內(nèi)的除漆面積作為效率指標(biāo)，用Kj(j=1,2,3)代表各因素相關(guān)試驗結(jié)果的疊加，根據(jù)Kj值求極差R，極差的大小可用于判斷各影響因素對試驗結(jié)果的影響程度。

表3 正交試驗與結(jié)果

通過正交極差分析，得出以下結(jié)論:在4個影響因素中，壓力因素的極差最大，為17.916；噴頭橫移速度的極差次之，為8.501；磨料濃度和靶距的極差依次減小，分別為3.090和2.536。說明本試驗中，壓力對前混合磨料射流除漆效果影響最大，在實際工作中如果除漆效果不好，應(yīng)首先考慮改變射流壓力以改善除漆效果。

除漆后的樣件經(jīng)檢測機檢驗，樣件表面達到國標(biāo)GB8923-2011中Sa2.5標(biāo)準(zhǔn)，有效清除范圍內(nèi)，樣件表面無可見的涂層，除漆效果顯著。

根據(jù)試驗綜合得出，除漆壓力約為9 MPa、噴頭的橫移速度為900 mm/min、磨料濃度為25%，除漆靶距為70 mm時，零件的除漆效果最好。另外，在完成除漆作業(yè)后，車體零件應(yīng)及時烘干除塵，二次涂漆，避免長期放置致使零件基體生銹，影響再次的涂漆作業(yè)。

4 結(jié)論

(1) 基于對現(xiàn)有收割機車體外表面零件除漆技術(shù)問題的分析結(jié)果，結(jié)合前混合磨料水射流對收割機外表面加工零件漆層清除的正交試驗，得出不同壓力、靶距、噴頭橫移速度和磨料濃度組合時的除漆效率。影響除漆效率的因素依次為壓力、噴頭橫移速度、磨料濃度和靶距。

(2) 本試驗僅考慮了噴頭橫移速度、壓力、磨料濃度和靶距對除漆效果的影響，實際上影響除漆效果的因素還有磨料的目數(shù)、噴頭的直徑與選型和射流偏射角度等，因此需要對其進行進一步試驗研究。

(3) 本文采用前混合磨料射流清洗方法進行收割機外表面零件的除漆，其最顯著的特點是非接觸式冷清除，除漆后漆面光潔均勻、無凹坑，不像使用氣動打磨機打磨用力過大容易在基體留下砂紙打磨痕跡，且能有效提高除漆效率，值得推廣。