一種異型材表面拋丸的工藝設計

牛 博，劉 恒

（山西太鋼不銹鋼鋼管有限公司，山西 太原 030008）

1 鋼管生產概述

在生產鋼管過程中，由于管坯需要在高溫狀態下進行加工，因此會導致鋼管內外表面產生氧化物等附著物，而通常情況下需要使用拋丸機對鋼管內外進行處理（見圖1），其原理是利用拋丸器產生高速彈丸流束，同時配合鋼管進行旋轉，從而清除鋼管內、外壁的氧化層與附著物，使之獲得均勻精細的潔凈表面，顯露鋼管基材色[1]，同時每顆鋼丸會撞擊金屬零件，如一個微型棒捶在敲打表面，捶出小壓痕或凹陷。為形成凹陷，金屬表層必定會產生拉伸，在表層下，壓縮的晶粒試圖將表面恢復到原來形狀，從而產生一個高度壓縮力作用下的半球。無數凹陷重疊形成均勻的殘余壓應力層，壓應力層下的細紋延展緩慢，因此增加壓應力層深度，能有效抑制裂紋的發生和發展，從而極大地延緩疲勞裂紋的形成，同時表面呈壓應力時，材料的疲勞壽命大大提高，因此對于軸類等容易疲勞斷裂的部件通常采用噴丸方式形成表面壓應力，以提高產品壽命[2-3]。但由于異型材形狀不規則，無法在輥道上實現自轉，因此通常使用噴砂方式進行表面處理，噴砂是指利用高速砂流的沖擊作用清理和粗化基體表面的過程，磨料顆粒以很高的速度接觸工件表面時，在其表面進行撞擊、切削、沖刷，但噴砂會導致表面處理不均勻，同時容易損壞表面鈍化膜，導致材料發生腐蝕。本文通過合理設計一種新的工藝方案，使傳統拋丸機同樣適用于H 型鋼、T 型鋼等各種型材表面。

圖1 拋丸器示意圖

2 方案設計

2.1 拋丸器的排布

在任意一個單位時間內，拋丸器的拋丸量在一平面基準內可以看作是一個矩形，而異型材表面形狀不是一個平面，可能存在表面凹凸，因此實際等價面積大于拋丸的矩形投影截面。為保證拋丸效果，使異型材表面保持一致性，因此需要將拋丸的覆蓋面增大，同時為了保證表面拋丸不出現遺漏，采用交叉覆蓋，并將3 臺拋丸器設置為1 組，進行線性排布。

拋丸器由葉輪、葉片、定向套、分丸輪、護板、主軸等部件組成。鋼丸流入到分丸輪里面，和主軸一起旋轉的分丸輪卷著鋼丸旋轉，在離心力的作用下，鋼丸被壓到了定向套的內側，然后通過定向套的開口處被葉片以扇形的形式拋射出去，最后擊打到用戶的工件上，形成拋丸器對待處理工件表面加工的工藝。

鋼丸拋射到待處理工件表面上會反彈散落到設備的底部，設備的底部屬于螺旋輸送系統，底部螺旋將鋼丸輸送至提升斗，再由提升斗提升至頂部的分離器。分離器的作用就是分離鋼丸和灰塵及雜質的，好的鋼丸會進入拋丸器繼續循環使用，而且灰塵會被分離出去，吸到除塵器進行凈化處理，丸料雜質被過濾篩網過濾出來。此為設備循環系統的工作概況。鋼丸的選型對拋丸作業的效果有很重要的影響。

2.2 拋丸機鋼丸規格

拋丸機外表面處理異型材選型使用鋼丸，呈圓珠狀，流動性好，有利于機內循環，在加工時能夠保證對鑄件表面進行高效率和高覆蓋的表面處理，能夠掩蓋工件表面上的缺陷。鋼丸規格選取S170，最大幾何尺寸為Φ0.5 mm。

為了適應新產品開發的節奏和質量控制，針對鋼管內外壁表面拋丸機進行了改進，目的為節省材料、節約資源。均勻的拋丸后使鋼管表面層硬化，產生壓應力，促使表面微細紋彌合，去除表面氧化層，鋼丸質量與反彈性的關系如圖2 所示。

圖2 鋼丸質量與反彈性的關系

作業前期通過調整設備，使鋼丸的拋射速度保持穩定，控制工件的黏砂量、上機前物料的直線度以及鋼丸的送量。每次添加不超過機內存量的10%，需要保證鋼丸的顆粒數配比，使鋼丸在運行中的新舊配比盡量達到1∶1。調整前后鋼丸情況如圖3、圖4 所示。

圖3 鋼丸調整前

圖4 鋼丸調整后

鋼丸硬度與清理速度成正比，但與壽命成反比。鋼丸硬度高，清理速度快，但壽命短，消耗量大，故硬度（HRC）應適中，約40～50。鋼丸內部若存在氣孔、龜裂，將影響鋼丸壽命，增加消耗量。后期需將以上條件加入采購技術條件標準。

2.3 升級提升機配置

通過對提升機內部鏈接方式進行改進，將2 排鏈接改成3 排鏈接，使流量波動減小，拋丸中每一角度位置皆能被清理，減少處理時間。

拋丸機在對鋼管外表面清理過程中，撒落下來的丸塵混合物料經清理室內帶孔底護板流入下部螺旋輸送器再輸送匯集于提升機下部，再提升到機器上部的分離器里，分離后的好彈丸落入料斗內供拋丸器循環使用。前期使用過程當中，由于機械結構老化，存在提升機打滑的情況，可能造成拋丸器供丸量不足，影響外表面拋丸質量，嚴重時會造成提升機軸承損壞，減速機故障，影響作業效率。

采取的改進措施：在現場增加1 個M30 型號限位開關；增加間隔3 s 的檢測模塊，正常運行過程當中，有信號反饋，說明提升機正常運行，無信號反饋時自動停機，由人工打開觀察孔來調節皮帶松緊度或者處理磨料堆積造成的堵轉。

2.4 相關結構設計

為了使得異型材能夠在輥道上實現自轉和前進，因此將異型鋼材前后以焊接方式安置規則形鋼管，連接部位中插入鋁板焊接，以防止損壞異型材，通過輥道由規則形鋼管力帶動異型材進行轉動和前進。在實際運行過程中，與現場條件結合，前后增加的鋼管在輥道當中的實際重量發生變化，且前后兩邊增加的鋼管重量保持一致，保證重心部位處于中間部位的異形鋼材中間。而焊接的鋼管尺寸選取不當，會導致輥道電機減速機發生過載燒毀的情況，同時考慮輥間間距是否可使前后分置的鋼管在輥道表面前進時不發生栽入的情況，因此其焊接鋼管長度增加范圍不應大于異型材長度的1 倍。如圖5 所示，L 為異型材長度，L1為異型材支撐管長度，L=2L1，D1為支撐管外徑，D 為異型材外接圓直徑，異型材質量為m，單側支撐鋼管質量為m1，拋丸機輥道托輥輥間距0.5L1，單側支撐鋼管長度為L1，鋼管外徑選取為異型材外接圓直徑+10 mm的余量（余量為考慮到焊接位置，防止焊肉突出造成支撐管與異型材連接處的變形）。

圖5 H 型鋼異型材與支撐管結構示意圖

3 設計結果

3.1 H 型異形鋼的拋丸結果

H 型鋼外接圓直徑為160mm，選取外徑為168 mm，壁厚10 mm，鋼管作為支撐管。外拋丸輥道V 型托輥間距為850 mm，前后固定輥道長度為1.5 m。單側支撐管長度為2 m，異型材長度為4.2 m。通過焊接夾層鋁板，使H 型鋼可以在輥道上旋轉前進，達到外表面被清理的目的。對鋼管重心是否在幾何尺寸中間進行測試，H 型鋼經過工藝處理后，等效于鋼管存在于輥道上。通過提升機對料斗增加鋼丸，使拋丸器固定方向的流量在要求范圍內波動，不可超出拋丸器配套電機的額定電流。H 型異形鋼的拋丸效果圖如圖6 所示。

圖6 H 型異形鋼的拋丸效果圖

3.2 T 型異形鋼的拋丸結果

T 型鋼外接圓直徑100 mm，選取支撐管外徑為108 mm，壁厚8 mm。外拋丸輥道V 型托輥間距為850 mm，前后固定輥道長度為1.5 m。通過焊接夾層鋁板，使T 型鋼可以在輥道上旋轉前進，達到外表面被清理的目的。對鋼管重心是否在幾何尺寸中間進行測試，T 型鋼經過工藝處理后，等效于鋼管存在于輥道上。支撐管長度2 m，異型材長度3.9 m。T 型鋼凹面相應較小，速度可以得到相應提高。T 型異形鋼的拋丸效果圖如圖7 所示。

圖7 T 型異形鋼的拋丸效果圖

4 結語

通過對異型材表面拋丸進行工藝設計，可使特殊截面形狀異型材在輥道上旋轉前進，可以通過拋丸器實現對異型材表面的完全處理，適用于H 型鋼、T 型鋼等異型材。經過現場測試，此種設計使異型材能很好地適用于在鋼管內外壁表面拋丸機上的應用處理。