金屬3D打印后處理設(shè)備高溫噴砂裝置設(shè)計(jì)

巨智超

(1.安徽省第一輕工業(yè)學(xué)校,安徽 蚌埠 233010;2.蚌埠學(xué)院 應(yīng)用技術(shù)學(xué)院,安徽 蚌埠 233010)

0 引言

3D打印主要優(yōu)勢(shì)是能制造具有復(fù)雜幾何形狀且多功能集成的零件,但其打印的零部件表面質(zhì)量往往比較粗糙,難以滿足零件粗糙度要求,需要對(duì)表面進(jìn)行處理以提高表面質(zhì)量。目前,對(duì)金屬表面進(jìn)行噴砂是一種常用的處理方法,其具有通用性、迅速性、高效性。噴砂是采用壓縮空氣形成的高速噴射束將噴料高速噴射到金屬工件表面,使金屬表面發(fā)生變化。噴料主要包括銅礦砂、石英砂、金剛砂、鐵砂和海砂等,噴砂可以對(duì)金屬表面形成沖擊和切削作用,根據(jù)噴砂大小使金屬表面獲得不同程度下的清潔度和粗糙度,從而達(dá)到提高表面質(zhì)量的目的。噴砂系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn):

1)適合工件噴涂、工件粘接前處理噴砂,噴砂是一種常見(jiàn)的金屬表面處理方法,可以有效地清除金屬表面污垢、氧化物和涂層,同時(shí)為金屬制品提供良好的粗糙度和表面質(zhì)量,還可根據(jù)噴料種類及大小獲得適宜噴涂的表面粗糙度,增加涂料與金屬表面結(jié)合力。

2)金屬經(jīng)過(guò)熱處理或高溫處理后,金屬表面存在氧化皮或油污等殘留物,噴砂可清理工件表面,使金屬表面更加美觀。

3)噴砂可清除機(jī)加工留下的微小毛刺,使尖角倒鈍為圓角。一方面提高金屬工件檔次和美觀性;另一方面使金屬工件更加適合接觸性搬運(yùn),避免劃傷身體。

4)高溫噴砂可使金屬產(chǎn)生更大的表面塑性變形,獲得更大的金屬殘余壓應(yīng)力和更高的金屬抗疲勞能力。

1 高溫噴砂對(duì)金屬性能影響

上海交通大學(xué)黃宇[1]研究高溫噴砂對(duì)GW92K鎂合金表面特性與高周疲勞性能影響。結(jié)論表明,與室溫噴砂相比,在同等噴砂強(qiáng)度下,高溫噴砂使鎂合金表面殘余壓應(yīng)力、變形層硬化及表面粗糙度均出現(xiàn)不同程度提高,且噴砂有利于提高鎂合金高周疲勞特性。

哈爾濱理工大學(xué)于寒[2]研究高溫噴砂對(duì)鈦鋁合金組織和性能影響,鈦鋁合金是當(dāng)代航空航天工業(yè)領(lǐng)域主要的高溫結(jié)構(gòu)材料,為進(jìn)一步提高鈦鋁合金疲勞性能,研究高溫噴砂對(duì)鈦鋁合金噴丸可行性,結(jié)果表明,675 ℃可達(dá)到最好噴砂強(qiáng)化效果。

劉文才等[3-4]研究玻璃丸噴砂對(duì)ZK60試樣和GW103試樣疲勞性能影響。研究結(jié)果表明,ZK60最佳噴砂強(qiáng)度分別為0.05 mm·N和0.3 mm·N,疲勞性能分別提高29%和47%。對(duì)于擠壓鈦GW103鎂合金,最佳噴砂強(qiáng)度0.1 mm·N,主要原因是析出相的存在使表面硬化大幅度提高。綜上所述,高溫噴砂對(duì)鎂鋁鈦等輕金屬合金具有重要作用,因此研究高溫噴砂自動(dòng)化設(shè)備具有重要意義。

2 旋轉(zhuǎn)夾持高溫噴砂裝置設(shè)計(jì)

目前，噴砂設(shè)備大多是在室溫中進(jìn)行，高溫自動(dòng)化噴砂設(shè)備需要使工件受熱均勻、噴砂均勻，因此可在高溫高壓設(shè)備中增加旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和噴砂機(jī)構(gòu)。

旋轉(zhuǎn)夾持高溫噴砂裝置工作機(jī)理如圖1所示，設(shè)備實(shí)施過(guò)程如下：1)高溫高壓設(shè)備中已經(jīng)集成熱電偶，根據(jù)需要將溫度調(diào)整至工件所需溫度；2)啟動(dòng)電機(jī)，電機(jī)經(jīng)過(guò)減速器、錐齒輪、傳動(dòng)軸等使旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)旋轉(zhuǎn)；3)將噴砂和惰性氣體調(diào)整至合適壓力對(duì)工件進(jìn)行旋轉(zhuǎn)噴砂，根據(jù)工藝參數(shù)調(diào)整旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)速度、噴砂種類和大小、氣體壓力大小等；4)噴砂完，復(fù)合腔體降溫取出工件；5)將剩余噴砂通過(guò)噴砂收集箱收集回收再利用。

圖1 旋轉(zhuǎn)夾持機(jī)構(gòu)噴砂機(jī)理圖

由于復(fù)合腔體集高溫、高壓、旋轉(zhuǎn)和噴砂功能于一體，因此需要做好旋轉(zhuǎn)和腔體降溫、密封工作。

2.1 轉(zhuǎn)軸處機(jī)械密封

機(jī)械密封是一種用于解決機(jī)體與傳動(dòng)軸之間密封的裝置[5],一般應(yīng)用于泵、離心機(jī)、反應(yīng)釜、壓縮機(jī)等設(shè)備[6]。軸和設(shè)備腔體之間存在一個(gè)圓周間隙,需要增加密封機(jī)構(gòu)防止介質(zhì)泄露。

表1列出反應(yīng)釜常用機(jī)械密封型號(hào)、機(jī)械密封型式、適用溫度、壓力和介質(zhì),從表中可以看出常規(guī)反應(yīng)釜機(jī)械密封壓力在0.6～1.6 MPa[7]。

表2列出泵用機(jī)械密封型號(hào)及適用范圍,泵介質(zhì)壓力普遍小于4 MPa,介質(zhì)溫度小于400 ℃,參考《機(jī)械密封通用規(guī)范》(GB/T 33509-2017)。

第三，建立一體化資源服務(wù)平臺(tái)，利用大數(shù)據(jù)對(duì)師資培訓(xùn)提供精準(zhǔn)服務(wù)支持。京津冀地區(qū)地域廣泛，高校師資數(shù)量較多，傳統(tǒng)的區(qū)域內(nèi)集中、聚集型的培訓(xùn)已無(wú)法完全滿足一體化的培訓(xùn)任務(wù)。借助網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和信息化手段，建立一體化資源服務(wù)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)師資的同步在線培訓(xùn)和培訓(xùn)資源的數(shù)字化管理，使優(yōu)質(zhì)資源突破時(shí)空、數(shù)量、規(guī)模界限，在三地間實(shí)現(xiàn)按需流動(dòng)。利用服務(wù)平臺(tái)，持續(xù)、廣泛地獲取教師的多維度培訓(xùn)數(shù)據(jù)，涵蓋需求、偏好、效率、評(píng)價(jià)、特征等方面，并運(yùn)用大數(shù)據(jù)技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘，分析資源優(yōu)勢(shì)、區(qū)域特色、培訓(xùn)需求的地區(qū)差異和個(gè)體差別，制訂個(gè)性化的培訓(xùn)方案，為教師提供精準(zhǔn)服務(wù)支持，助力教師的協(xié)同發(fā)展。

表2 泵用機(jī)械密封型號(hào)及適用范圍

從反應(yīng)釜和泵用機(jī)械密封適用范圍可知,常規(guī)機(jī)械密封適用介質(zhì)壓力較小,難以滿足高溫高壓要求。

高溫高壓旋轉(zhuǎn)加持噴砂腔體對(duì)系統(tǒng)溫度和壓力提出更高要求,因此需要解決高壓機(jī)械密封問(wèn)題。密封腔體壓力大于3 MPa時(shí)所采用的機(jī)械密封屬于高壓機(jī)械密封[1]。國(guó)內(nèi)浙江某公司加強(qiáng)攪拌釜壓力達(dá)4 MPa,長(zhǎng)春某公司機(jī)械密封裝置加氫攪拌釜壓力達(dá)12 MPa,同時(shí)工業(yè)應(yīng)用中機(jī)械密封壓力最大達(dá)15 MPa,且對(duì)傳動(dòng)效率損壞有嚴(yán)格要求[2]。由此可見(jiàn),如果旋轉(zhuǎn)加持噴砂腔體壓力大于15 MPa,旋轉(zhuǎn)軸貫穿整個(gè)壓力容器是不可能實(shí)現(xiàn)。

本文中將旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)組件放置高溫高壓容器內(nèi)部進(jìn)行全方位封閉,如此,旋轉(zhuǎn)傳動(dòng)機(jī)械密封對(duì)高壓容器限制將不存在,如圖1所示。由于旋轉(zhuǎn)軸通過(guò)聯(lián)軸器和電機(jī)驅(qū)動(dòng),需將電機(jī)安置于高溫高壓容器內(nèi),為防止電機(jī)溫度過(guò)高燒損,需要通過(guò)強(qiáng)制降溫和隔熱方法對(duì)電機(jī)旋轉(zhuǎn)區(qū)域進(jìn)行保護(hù)[8-9]。降溫和隔熱除了能保證電機(jī)在合適的溫度下工作,還能降低旋轉(zhuǎn)軸摩擦副損耗[10]。高壓容器內(nèi)熱區(qū)和冷區(qū)氣體存在交換(密封存在泄漏量),可通入冷卻氣體,使冷區(qū)溫度小于80 ℃[11]。

2.2 旋轉(zhuǎn)傳動(dòng)裝置

傳動(dòng)軸一端穿過(guò)隔熱層進(jìn)入復(fù)合腔體內(nèi)部與旋轉(zhuǎn)平臺(tái)緊固連接,另一端通過(guò)錐齒輪與減速器錐齒輪連接,形成傳動(dòng)結(jié)構(gòu)。凸緣法蘭焊接在腔體底端封閉蓋上,凸緣法蘭具有四種型式,設(shè)計(jì)參考標(biāo)準(zhǔn)《攪拌傳動(dòng)裝置--凸緣法蘭》(HG/T 21564-1995)。

安裝底蓋主要作用是安裝機(jī)架和密封箱體。根據(jù)凸緣法蘭密封面不同,安裝底蓋的型式有R型和M型之分,另外根據(jù)傳動(dòng)軸擱置裝置差異,又分為上裝式(用S表示)和下裝式(用X表示),如此安裝底蓋共有8種結(jié)構(gòu),如表3所示。設(shè)計(jì)參考標(biāo)準(zhǔn)《攪拌傳動(dòng)裝置--安裝底蓋》(HG/T 21565-1995)。

表3 安裝底蓋型式

安裝底蓋與機(jī)架和密封箱體需要合適配置,機(jī)架的公稱直徑需小于等于安裝底蓋公稱直徑,同時(shí)安裝機(jī)架還需要考慮密封箱尺寸,只有機(jī)架尺寸比密封箱尺寸大足夠量時(shí),密封箱才能順利裝入機(jī)架內(nèi),圖2為上裝式凸緣法蘭、安裝底蓋和機(jī)架安裝位置。

圖2 上裝式傳動(dòng)軸裝置

傳動(dòng)軸的形式由機(jī)架、傳動(dòng)軸安裝型式和聯(lián)軸器型式確定。傳動(dòng)軸的規(guī)格則由軸徑和機(jī)架的公稱直徑確定。設(shè)計(jì)參考標(biāo)準(zhǔn)《攪拌傳動(dòng)裝置--傳動(dòng)軸》(HG/T 21568-1995)。兩個(gè)軸通過(guò)聯(lián)軸器連接,在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中聯(lián)軸器可以起到傳遞運(yùn)動(dòng)和扭矩作用。聯(lián)軸器一般分為凸緣聯(lián)軸器、夾殼聯(lián)軸器和塊式彈性聯(lián)軸器。設(shè)計(jì)參考標(biāo)準(zhǔn)《攪拌傳動(dòng)裝置--聯(lián)軸器》(HG/T 21570-1995)。

減速機(jī)可參考《攪拌傳動(dòng)裝置》所推薦的標(biāo)準(zhǔn)減速機(jī)或?qū)I(yè)廠家生產(chǎn)的產(chǎn)品,一般選用傳動(dòng)效率高的齒輪減速機(jī)。

電動(dòng)機(jī)是旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)動(dòng)力源,電動(dòng)機(jī)工作對(duì)溫度有嚴(yán)格要求。不同材料具有不同耐高溫等級(jí),根據(jù)絕緣材料耐高溫等級(jí)分為7個(gè)允許最高溫度,等級(jí)按溫度大小分為Y、A、E、B、F、H和C,其對(duì)應(yīng)允許最高工作溫度分別為90,105,120,130,155和180 ℃。因此,電機(jī)在工作時(shí),除隔熱、降溫措施外,還需要選擇合適的絕緣材料。

3 結(jié)語(yǔ)

金屬3D打印后處理設(shè)備旋轉(zhuǎn)夾持機(jī)構(gòu)的噴砂設(shè)計(jì)在提升金屬3D打印零件質(zhì)量和工藝效率方面具有重要意義。以期本研究能為相關(guān)領(lǐng)域的研究人員和工程師提供有益參考,推動(dòng)金屬3D打印技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展及應(yīng)用。