一种异型材表面抛丸的工艺设计

牛 博，刘 恒

（山西太钢不锈钢钢管有限公司，山西 太原 030008）

1 钢管生产概述

在生产钢管过程中，由于管坯需要在高温状态下进行加工，因此会导致钢管内外表面产生氧化物等附着物，而通常情况下需要使用抛丸机对钢管内外进行处理（见图1），其原理是利用抛丸器产生高速弹丸流束，同时配合钢管进行旋转，从而清除钢管内、外壁的氧化层与附着物，使之获得均匀精细的洁净表面，显露钢管基材色[1]，同时每颗钢丸会撞击金属零件，如一个微型棒捶在敲打表面，捶出小压痕或凹陷。为形成凹陷，金属表层必定会产生拉伸，在表层下，压缩的晶粒试图将表面恢复到原来形状，从而产生一个高度压缩力作用下的半球。无数凹陷重叠形成均匀的残余压应力层，压应力层下的细纹延展缓慢，因此增加压应力层深度，能有效抑制裂纹的发生和发展，从而极大地延缓疲劳裂纹的形成，同时表面呈压应力时，材料的疲劳寿命大大提高，因此对于轴类等容易疲劳断裂的部件通常采用喷丸方式形成表面压应力，以提高产品寿命[2-3]。但由于异型材形状不规则，无法在辊道上实现自转，因此通常使用喷砂方式进行表面处理，喷砂是指利用高速砂流的冲击作用清理和粗化基体表面的过程，磨料颗粒以很高的速度接触工件表面时，在其表面进行撞击、切削、冲刷，但喷砂会导致表面处理不均匀，同时容易损坏表面钝化膜，导致材料发生腐蚀。本文通过合理设计一种新的工艺方案，使传统抛丸机同样适用于H 型钢、T 型钢等各种型材表面。

图1 抛丸器示意图

2 方案设计

2.1 抛丸器的排布

在任意一个单位时间内，抛丸器的抛丸量在一平面基准内可以看作是一个矩形，而异型材表面形状不是一个平面，可能存在表面凹凸，因此实际等价面积大于抛丸的矩形投影截面。为保证抛丸效果，使异型材表面保持一致性，因此需要将抛丸的覆盖面增大，同时为了保证表面抛丸不出现遗漏，采用交叉覆盖，并将3 台抛丸器设置为1 组，进行线性排布。

抛丸器由叶轮、叶片、定向套、分丸轮、护板、主轴等部件组成。钢丸流入到分丸轮里面，和主轴一起旋转的分丸轮卷着钢丸旋转，在离心力的作用下，钢丸被压到了定向套的内侧，然后通过定向套的开口处被叶片以扇形的形式抛射出去，最后击打到用户的工件上，形成抛丸器对待处理工件表面加工的工艺。

钢丸抛射到待处理工件表面上会反弹散落到设备的底部，设备的底部属于螺旋输送系统，底部螺旋将钢丸输送至提升斗，再由提升斗提升至顶部的分离器。分离器的作用就是分离钢丸和灰尘及杂质的，好的钢丸会进入抛丸器继续循环使用，而且灰尘会被分离出去，吸到除尘器进行净化处理，丸料杂质被过滤筛网过滤出来。此为设备循环系统的工作概况。钢丸的选型对抛丸作业的效果有很重要的影响。

2.2 抛丸机钢丸规格

抛丸机外表面处理异型材选型使用钢丸，呈圆珠状，流动性好，有利于机内循环，在加工时能够保证对铸件表面进行高效率和高覆盖的表面处理，能够掩盖工件表面上的缺陷。钢丸规格选取S170，最大几何尺寸为Φ0.5 mm。

为了适应新产品开发的节奏和质量控制，针对钢管内外壁表面抛丸机进行了改进，目的为节省材料、节约资源。均匀的抛丸后使钢管表面层硬化，产生压应力，促使表面微细纹弥合，去除表面氧化层，钢丸质量与反弹性的关系如图2 所示。

图2 钢丸质量与反弹性的关系

作业前期通过调整设备，使钢丸的抛射速度保持稳定，控制工件的黏砂量、上机前物料的直线度以及钢丸的送量。每次添加不超过机内存量的10%，需要保证钢丸的颗粒数配比，使钢丸在运行中的新旧配比尽量达到1∶1。调整前后钢丸情况如图3、图4 所示。

图3 钢丸调整前

图4 钢丸调整后

钢丸硬度与清理速度成正比，但与寿命成反比。钢丸硬度高，清理速度快，但寿命短，消耗量大，故硬度（HRC）应适中，约40～50。钢丸内部若存在气孔、龟裂，将影响钢丸寿命，增加消耗量。后期需将以上条件加入采购技术条件标准。

2.3 升级提升机配置

通过对提升机内部链接方式进行改进，将2 排链接改成3 排链接，使流量波动减小，抛丸中每一角度位置皆能被清理，减少处理时间。

抛丸机在对钢管外表面清理过程中，撒落下来的丸尘混合物料经清理室内带孔底护板流入下部螺旋输送器再输送汇集于提升机下部，再提升到机器上部的分离器里，分离后的好弹丸落入料斗内供抛丸器循环使用。前期使用过程当中，由于机械结构老化，存在提升机打滑的情况，可能造成抛丸器供丸量不足，影响外表面抛丸质量，严重时会造成提升机轴承损坏，减速机故障，影响作业效率。

采取的改进措施：在现场增加1 个M30 型号限位开关；增加间隔3 s 的检测模块，正常运行过程当中，有信号反馈，说明提升机正常运行，无信号反馈时自动停机，由人工打开观察孔来调节皮带松紧度或者处理磨料堆积造成的堵转。

2.4 相关结构设计

为了使得异型材能够在辊道上实现自转和前进，因此将异型钢材前后以焊接方式安置规则形钢管，连接部位中插入铝板焊接，以防止损坏异型材，通过辊道由规则形钢管力带动异型材进行转动和前进。在实际运行过程中，与现场条件结合，前后增加的钢管在辊道当中的实际重量发生变化，且前后两边增加的钢管重量保持一致，保证重心部位处于中间部位的异形钢材中间。而焊接的钢管尺寸选取不当，会导致辊道电机减速机发生过载烧毁的情况，同时考虑辊间间距是否可使前后分置的钢管在辊道表面前进时不发生栽入的情况，因此其焊接钢管长度增加范围不应大于异型材长度的1 倍。如图5 所示，L 为异型材长度，L1为异型材支撑管长度，L=2L1，D1为支撑管外径，D 为异型材外接圆直径，异型材质量为m，单侧支撑钢管质量为m1，抛丸机辊道托辊辊间距0.5L1，单侧支撑钢管长度为L1，钢管外径选取为异型材外接圆直径+10 mm的余量（余量为考虑到焊接位置，防止焊肉突出造成支撑管与异型材连接处的变形）。

图5 H 型钢异型材与支撑管结构示意图

3 设计结果

3.1 H 型异形钢的抛丸结果

H 型钢外接圆直径为160mm，选取外径为168 mm，壁厚10 mm，钢管作为支撑管。外抛丸辊道V 型托辊间距为850 mm，前后固定辊道长度为1.5 m。单侧支撑管长度为2 m，异型材长度为4.2 m。通过焊接夹层铝板，使H 型钢可以在辊道上旋转前进，达到外表面被清理的目的。对钢管重心是否在几何尺寸中间进行测试，H 型钢经过工艺处理后，等效于钢管存在于辊道上。通过提升机对料斗增加钢丸，使抛丸器固定方向的流量在要求范围内波动，不可超出抛丸器配套电机的额定电流。H 型异形钢的抛丸效果图如图6 所示。

图6 H 型异形钢的抛丸效果图

3.2 T 型异形钢的抛丸结果

T 型钢外接圆直径100 mm，选取支撑管外径为108 mm，壁厚8 mm。外抛丸辊道V 型托辊间距为850 mm，前后固定辊道长度为1.5 m。通过焊接夹层铝板，使T 型钢可以在辊道上旋转前进，达到外表面被清理的目的。对钢管重心是否在几何尺寸中间进行测试，T 型钢经过工艺处理后，等效于钢管存在于辊道上。支撑管长度2 m，异型材长度3.9 m。T 型钢凹面相应较小，速度可以得到相应提高。T 型异形钢的抛丸效果图如图7 所示。

图7 T 型异形钢的抛丸效果图

4 结语

通过对异型材表面抛丸进行工艺设计，可使特殊截面形状异型材在辊道上旋转前进，可以通过抛丸器实现对异型材表面的完全处理，适用于H 型钢、T 型钢等异型材。经过现场测试，此种设计使异型材能很好地适用于在钢管内外壁表面抛丸机上的应用处理。