钢丸粒度对铸件抛丸清理效率和表面粗糙度地影响Word格式文档下载.docx
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它采用了许多先进的生产工艺，如：
水雾化成形、螺旋筛分、自动包装，自动化程度很高，设备和工艺都很先进。
该钢丸的最大特点是硬度均匀，微裂纹、气孔缺陷少，弹性和抗疲劳性好，在使用过程中钢丸不是破碎而是逐层剥落，钢丸慢慢变小，因而使用寿命长。
*图2：
钢丸雾化成形过程
3、钢丸的检验
●钢丸的粒度检验
钢丸粒度的检验按国标用筛网筛分后称重。
粒度有一定的分布规律，用各筛号上钢丸的残留率来度量。
某某摩根、丹江口神弹子和某某金星的钢丸的粒度检验结果如表1〔注：
某某摩根、丹江口神弹子和某某金星的钢丸分别简称为A、B、C，下同〕。
表1：
A、B、C三种钢丸粒度分布〔S460〕
筛网号
孔径
A钢丸
B钢丸
C钢丸
Screen
N#
Opening
mm
残留率%
累计
单筛
10
〔S660〕
12
〔S550〕
14
〔S460〕
16
〔S390〕
18
〔S330〕
●钢丸的硬度检验
用快速自硬胶镶嵌钢丸，经过砂轮粗磨至半径处，再抛光后，在维氏硬度机上检测，将维氏硬度换算成洛氏硬度。
受检钢丸一般为10粒。
图3为钢丸的镶嵌试样，表2为检测的硬度结果。
钢丸镶嵌试样
表2：
A、B、C三种钢丸硬度分布〔S460〕
钢丸
1
2
3
4
5
6
7
8
9
平均值
最大值
最小值
极差
A
B
47.2
/
C
●磨料的金相检验
镶嵌的钢丸试样经过硝酸酒精的腐蚀后，在显微镜下观察钢丸的显微组织，一般使用100倍或400倍，同时可观察钢丸的显微裂纹。
图4为400倍下A、B、C钢丸的金相。
A（回火马氏体）B（回火马氏体）C（回火马氏体）
图4：
A、B、C三种钢丸的显微组织
●磨料的寿命检验
试验是在欧文试验机上进展，首次参加100g钢丸，使钢丸以一定的速度运转，机器每运转500转为一个检测周期，筛分检测磨损的钢丸量〔钢丸抛弃尺寸为≤0.425mm〕，并补充钢丸至100g，直至钢丸的磨损量为100g时机器的转数〔循环次数〕即钢丸的寿命。
表3为A、B、C三种钢丸的寿命检测结果。
一般钢丸的寿命在2200-2400转之间。
原材料好，钢丸成形时气孔和微裂纹少，热处理工艺合理的钢丸，寿命可达到2700转以上。
表3：
A、B、C三种钢丸检测寿命〔S460钢丸〕
累计转数
A厂家钢丸
B厂家钢丸
C厂家钢丸
残留量（g）
磨损量（g）
累计磨损量（g）
500
89.03
1500
2000
2500
3000
寿命
2744.15转
转
钢丸质量的好坏也可以用压力来定性的判断。
在强度实验机上进展静压力实验，在需要承受的压力X围内不破碎，即为合格。
或做锤击实验，一般用中等力锤击3、4下，假如HRC≥64.5的磨料裂成4-6瓣即为合格；
硬度为53-57HRC的磨料裂成2-3瓣即为合格；
硬度为48-52HRC的磨料砸扁后有径向裂纹3-4条为合格；
硬度为40-45HRC的磨料砸扁后无径向裂纹或有1-3条为合格。
●磨料的密度检验
用酒精置换法测得的三种钢丸的真实密度如表4。
表4：
A、B、C三种钢丸的密度分析
密度〔g/cm3〕
≥
●结果分析
检测结果明确：
在粒度分布上，C钢丸偏大近一个规格，B钢丸稍偏大，但都超过了国标的规定，只有A钢丸粒度分布符合国标。
说明各厂钢丸筛分设备不同、对粒度筛分的控制、管理力度不一样，造成的结果也不同。
在硬度分布上，对于清理铸件，要求硬度为HRC40～50，如果钢丸的硬度超过HRC50，一方面，对铸件的损害急剧增加〔弹痕变深〕，另一方面，钢丸容易破碎，寿命短。
B、C三家钢丸的硬度都有超过HRC50的，特别是C钢丸，最大硬度达到HRC59.6。
只有A钢丸的硬度符合要求，且极差最小，仅为HRC5.8，而B、C两种钢丸硬度极差分别达11.7和16.5。
硬度是否均匀，不但和热处理设备有关，更和热处理工艺过程有关。
g/cm3g/cm3，寿命达到2744.15转，B、C钢丸是离心成形，密度分析结果明确分别只有和7.20g/cm3，说明气孔和微裂纹较多，寿命相应较低，仅为转和转。
此外，三种钢丸的成形过程不同，但都经二次淬火和回火处理。
三种钢丸都为回火马氏体组织，但C钢丸的组织最粗大，因而对使用寿命有一定的影响，而A、B钢丸的显微组织更细。
综合分析，最后选定A、B钢丸进展试验。
1、定性测量
定性测量外表粗糙度，一般采用比拟样块，利用视觉和触觉对铸造外表质量进展评定，并且选用与铸造合金材质和工艺一样的样块进展比拟。
它表征外表的轮廓算术平均偏差〔Ra〕或微观不平度十点高度〔Rz〕值。
视角比对时应在光线充足场地用肉眼直观比对，也可用放大镜观察比对；
触角比对时应用手指在被检铸造外表和相近二个参数等级比拟样块外表轻轻划过，获得同样感觉的那个等级即为被检铸造外表粗糙度数值。
被检的外表必须清理干净，样块外表和被检外表不得有锈蚀。
比拟样块分合式和单组式两种。
检测时，被检铸件被划分成假如干检测单元，用样块对每个单元进展比拟，划分检测单元的数目必须符合表5的规定。
表5：
外表粗糙度检测单元数与被检铸件外表面积的关系
被检铸件外表面积〔cm2〕
<
200
200-1000
1000-10000
≥10000
检测单元数
不少于5
不少于10
不少于20
而且，检测单元的外表粗糙度参数值以该外表内外表粗糙度最大者来评定。
当外表粗糙度值界于两者之间时以数字大的等级评定。
粗糙度比拟样块参数等级分为：
Ra0.8μm、1.6μm、3.2μm、6.3μm、12.5μm、25μm、50μm、100μm和Rz800μm、1600μm。
比拟样块为一般铸造车间质量检查常用，但它不能定量地反映出铸件的外表粗糙度值。
2、定量测量
准确的检测方法是用外表粗糙度测试仪测量，它能定量地反映出铸件外表的粗糙度，显示或将Ra或Rz打印出来。
但对于不规如此外表，由于仪器不能很好地与铸件外表接触，而无法测得。
图5为试验用的外表粗糙度测试仪。
图5：
外表粗糙度测试仪
二、实验室试验
选定钢丸后，在某某摩根〔Murga〕公司进展了钢丸粒度与工件外表粗糙度之间的关系试验。
所用设备是美国USF公司的WheelabratorAllevard抛丸清理设备，抛头采用变频电机驱动，抛丸速度可以从0—100m/s任意调节，下砂量由电磁阀控制的下砂阀门调节，循环砂量800Kg。
用阿尔门试片〔C型、HRC49.9〕作为测试对象，保证工件覆盖率≥100%，抛射角度为90º
、时间4min，钢丸为球形、硬度HRC46，其中，抛射速度V=60m/s的试验结果见表6和图6。
表6：
抛射速度V=60m/s时的抛丸后外表粗糙度
内容
钢丸粒度
S330
mm〕
S390
S460
级配钢丸
钢丸密度〔g/cm3〕
钢丸寿命〔转〕
3465
2925
2842
3015
粗糙度
〔μm〕
Ra
13
Rz
50
60
72
65
Rmax
75
85
80
注：
级配钢丸由50%S460+30%S390+20%S330组成
图6：
单一粒度钢丸和级配钢丸对外表粗糙度的影响
由表6和图6可见：
在一样的抛射速度下，钢丸粒度越大，所清理的工件外表粗糙度值越大；
级配钢丸得到的外表粗糙度值要比单一粒度的钢丸低。
对于铸件来说，由于铸件的外表硬度比钢丸低〔也比阿尔门试片低〕，且硬度X围变化较大，钢丸对铸件的作用效果要比对阿尔门试片的作用效果强得多。
即在钢丸的作用下，铸件更加容易产生变形和外表脱落，外表也就更加粗糙。
因此，实际得到的铸件外表粗糙度值要比阿尔门试片试验结果高，且X围较大，在清理过程中可根据工件的性质确定清理时间。
图7为不同粒度的钢丸在不同抛射速度下的铸件外表粗糙度。
可以看出，钢丸粒度与外表粗糙度同样存在明显的线性关系，即钢丸粒度越大，外表粗糙度值越高；
同一粒度的钢丸，抛射速度越大，得到的外表粗糙度值越高。
这是因为钢丸的冲击动能E=1/2mv2，钢丸越大〔m越大〕、抛射速度越大，动能就越大，冲击功也越大，在工件上留下的弹痕越深，因而得到的外表粗糙度值越高。
图7：
抛丸速度、钢丸粒度与外表粗糙度的关系
三、生产性试验
1、试验设备
●HV1000数显维氏硬度试验机：
用于测量钢丸的硬度；
●欧文试验机：
用于测量钢丸的寿命；
●标准筛：
用于筛分钢丸，检验钢丸的粒度与分布；
●粗糙度测试仪：
用于定量测量试验工件的外表粗糙度；
●比拟样块：
用于定性检查工件的外表粗糙度，在生产中检验铸件用；
●美国USF抛丸试验机：
无级变速，一次装载0.8吨钢丸，用于实验室综合测量抛丸强度、时间、抛射速度和外表粗糙度；
●ZQ3瑞士鼠笼抛丸机：
专用于清理轿车缸体。
共四个抛头，每个抛头30KW，抛头转速2250rpm，抛射速度73m/s〔理论值〕，抛丸量230Kg/min（每个抛头）。
该设备用于生产试验。
●Q378单钩抛丸机。
2、试验过程
选定钢丸后，首先在我厂第一分厂鼠笼抛丸机上进展试验，然后推广到全厂。
首次试验A钢丸共16吨，试验零件为神龙轿车缸体和491缸体〔见图8〕，抛射速度为73m/s〔计算值〕，抛射角度90O左右〔抛射角度=90O时的冲击力最大，清理效率最高〕。
用S460钢丸进展抛丸前，缸体先在Q384抛丸室用S550钢丸进展过粗抛丸清理，去除掉大局部外表砂子和少局部内腔砂子。
试验用钢丸为A厂家S460级配钢丸，级配钢丸由50%S460+30%S390+20%S330组成，一次性加料10吨，清理工件的时间为45s〔一次2件〕，而原来使用单一粒度的S460钢丸的清理时间为50s。
由于钢丸质量好，钢丸磨损是渐变过程，以后只需定期定量补充名义尺寸的S460钢丸即可级配不变。
结果明确：
采用S460级配钢丸清理的神龙轿车缸体和491缸体，外表粗糙度值稳定在Raμm之间，最低可达到Raμm，完全满足工艺规定的Raμm要求。
图9为外表粗糙度测量结果之一。
图8：
试验的491缸体图9：
外表粗糙度测量结果
在试制车间Q378单钩抛丸机上试验的是S460神弹子级配钢丸，首次装载量为800Kg，并对该设备的震动筛、提升斗、下砂闸门、丸砂别离器和抛头进展了检查、调整或更换。
清理工件为神龙凸轮轴、4BT凸轮轴和6BT凸轮轴。
清理时间从30-40分钟/钩降低到20-30分钟/钩，外表质量稳定，粗糙度值在Raum之间〔采用比拟样块法〕。
我厂自2001年10月开始应用级配钢丸工艺，得到了很好的效果。
主要表现在铸件的外表质量稳定，不会出现大的质量波动；
清理效率有一定提高；
生产过程控制得到加强，钢丸和清理设备易损件的消耗下降。
特别是试验的参加在举行的第6mmmmum，其中雪铁龙TU3缸体以其完美的外观和良好的内在质量获得金奖〔见图10〕。
图10：
铸件获奖证书
3、问题分析
●钢丸
在清理过程中，高质量钢丸的磨损是一个渐变的过程〔见图11-amm〕，就被吸走。
如果钢丸内部有气孔，且气孔不是很大，如此钢丸工作过程中仍大都保持气孔，但形态会发生变化；
如果气孔较大，如此很有可能破裂〔见图11-b〕。
如果钢丸内部有裂纹，经过数次冲击后，钢丸很快就会破碎成两半。
如果微裂纹多，如此钢丸会破碎成数块，很快变小，失去清理能力〔见图11-c〕。
气孔或裂纹钢丸不但寿命短，每个方向对铸件的冲击效果也是不同的，因而也降低了清理效果。
气孔或破碎钢丸的棱角还会对铸件起到刮削作用，增大铸件外表的粗糙度。
abc
a:
正常钢丸磨损的渐变过程b:
带有气孔的钢丸磨损过程c:
带有裂纹的钢丸磨损过程
图11：
钢丸工作过程中的变化
●丸砂别离
丸砂别离器被称为清理设备的大脑，说明它在整个设备中的重要性。
在清理过程中，丸砂别离器调整的好坏直接影响到清理效率和清理本钱，图12为丸砂别离器原理，它的功能是把钢丸中的砂子和小钢丸与正常使用的钢丸别离，保证清理效率，降低对设备的磨损。
因为在清理过程中，砂子是设备磨损的大敌，每增加2%的砂子，易损件的寿命就会降低一半。
因此，必须使钢丸幕流均匀分布在整个别离器段，并保证适当的风速，使钢丸的的砂子含量少于2%。
*图12：
丸砂别离器原理
如果别离器的调整不好，如出现堵塞，钢丸不能形成幕流〔如图13〕，如此会出现空气短路，空气直接从没有钢丸或钢丸少的地方通过，不能有效的去除砂子，如此造成设备的磨损大大增加。
如Q384的钢丸中曾经含砂量达到20-30%，其叶片的寿命仅为40-50小时；
而Q378抛丸室中钢丸的含砂量仅为1-2%，叶片寿命如此达到200小时。
图13：
经常出现的空气短路现象
●热点调整
抛头的热点〔抛射出的钢丸主要集中区域〕调整是否正确，对清理效率有直接的影响。
在清理过程中，随着定向套、分丸轮、叶片的磨损和钢丸粒度的改变，热点可能发生改变，可以通过调整定向套的开口位置来调整〔如图14所示〕。
a：
热点正确
b：
定向套开口角度过大，热点左移
c：
定向套开口角度过小，热点右移
*图14：
抛头热点调整
●加料方式
值得注意的是，在抛丸处理过程中，钢丸补充方式对清理的质量有较大的影响。
在清理过程中，正常钢丸的外表是逐层剥落，钢丸逐渐变小，整个系统的钢丸粒度的组成就会慢慢变小。
如果长时间不补充加料，系统的钢丸粒度会变得很小，外表粗糙度值和清理效率都会降低；
如果一次加料太多，如此立即表现为铸件的外表粗糙度值变大。
因此，钢丸的补充最好是不断地进展，以保证系统钢丸的数量和粒度组成不变，从而保证清理质量稳定。
生产上一般通过定期补充钢丸来实现〔每班一次〕。
当补充加料控制不好时，钢丸的粒度组成会出现较大的变化。
图15中所示的a、c曲线，就是生产过程中钢丸粒度组成出现了异常变化。
a曲线是一次加料过多，c曲线是加料时间间隔太长，这两种现象都造成清理效率降低和外表粗糙度的变化。
为了得到稳定的外表粗糙度和清理效果，要严格定期补充钢丸，经常检查钢丸粒度的组成，使之尽量靠近级配曲线b。
图15：
S460级配钢丸的粒度组成和异常变化
在抛丸处理过程中，钢丸补充方式和粒度的变化对清理效率还会产生较大的影响。
图16为钢丸离开叶片的情况。
钢丸在叶片上被加速的过程中，大颗粒的钢丸首先离开叶片，小颗粒的钢丸后离开叶片，钢丸粒度组成不变，如此抛头的热点不变〔但定向套的磨损也会改变抛头的热点，因而要定期检查定向套〕，如果钢丸粒度发生变化，热点离开了工件，如此清理效率就会降低。
图17为定向套开口方向不变，钢丸粒度变化对热点的影响。
因此要定期补充加料，且一次加料不能超过总量的10%，否如此，抛头热点会发生较大的改变。
*图16：
钢丸离开抛丸器叶片的过程
级配钢丸的热点
b:
钢丸粒度变小〔长时间没有补充加料〕，热点向左偏移
c:
钢丸粒度变大〔一次补充加料过多〕，热点向右偏移
*图17：
钢丸粒度变化对热点的影响
清理效率不仅和冲击力有关，还和覆盖率有关。
大颗粒的钢丸冲击力大，效果好，但每公斤的颗粒数有限，覆盖率低，清理效率并不是最高的，且造成外表粗糙；
小颗粒的钢丸冲击力小，每颗钢丸的清理效果差，但每公斤钢丸的颗粒数多，因而覆盖率高，且能清理到细微之处，使外表粗糙度降低。
如铸件上的字母A的尖角处，使用大钢丸，不可能清理干净，而使用小钢丸，如此很容易清理干净。
表7为不同粒度的钢丸和相应的级配钢丸每公斤所含有的颗粒数[14]，可见级配钢丸的颗粒数是单一粒度钢丸的4～5倍，这大大提高了覆盖率，因而提高了清理效率。
表7：
不同粒度的钢丸和相应的级配钢丸每公斤所含有的颗粒数
名义直径
〔mm〕
平均数量〔颗〕/Kg
〔新钢丸〕
〔级配工作钢丸〕
S780
25000
118000
S550
70000
335000
120000
558000
205000
937000
1572000
S230
925000
4971000
S110
7480000
37593000
级配钢丸含有40%～50%的名义尺寸的钢丸和渐变的较小钢丸，兼顾了清理时的冲击力和覆盖率，因此清理效率最高，外表粗糙度值较低。
生产中补充加料时，要坚持少量屡次的原如此，保证钢丸的级配不变，以得到最高清理效率。
图18表示不同粒度的钢丸清理铸件的示意图，可见，级配钢丸的清理效率是最高的。
abc
钢丸颗粒小，冲击力小，覆盖率高，能得到低的外表粗糙度值，但清理效率低
钢丸颗粒大，冲击力大，清理效果明显，但覆盖率低，外表粗糙值高
级配钢丸〔大小颗粒适当〕，兼顾冲击力和覆盖率，能得到最优清理效率和较低的外表粗糙度
*图18：
钢丸清理工件示意图
生产中还发现，随着清理时间的延长，铸件的外表粗糙度值不断变小，最后趋于某一定值。
图19为神龙缸体的外表粗糙度值随抛丸清理时间的变化曲线〔采用S460级配钢丸〕，最终外表粗糙度为R。
图19：
神龙缸体外表粗糙度与抛丸时间的关系
四、结论
1、抛丸清理的铸件外表粗糙度与所用磨料的粒度与抛射速度有密切的关系：
粒度越大，外表粗糙度值越高；
抛射速度越高，外表粗糙度值越高；
级配钢丸比单一粒度的钢丸得到的外表粗糙度值要低。
2、应用级配钢丸对降低铸件外表粗糙度值有一定的帮助，对清理效率有较大影响，能提高铸件清理效率；
3、加料方式对清理效率和外表粗糙度有很大的影响，与时补充加料，保持钢丸级配不变，才能保证抛头热点不变〔即清理效率不下降〕和铸件外表质量的稳定；
3、抛丸时间对铸件的外表粗糙度有一定的影响，随着时间的延长，铸件的外表粗糙度值趋于某一定值。
〔注：
带*的图片为Murga提供，在此表示感谢。
〕
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