目前，吊鉤拋丸清理技術(shù)是最常用的經(jīng)濟、可靠的表面處理方法。柳州五菱汽車工業(yè)有限公司為對某CVT無級變速器帶輪及帶輪軸產(chǎn)品進行表面拋丸清理，新購入一臺吊鉤式拋丸清理機用于該工序。
一、產(chǎn)品狀態(tài)及拋丸要求
用于拋丸的產(chǎn)品是CVT無級變速器主動、從動帶輪及帶輪軸，工件材料為20CrMoH鋼（GB/T 5216—2014），工件硬度為58~64HRC。上機前狀態(tài)已經(jīng)滲碳淬火、回火，帶輪軸中心孔殘留少量淬火油。拋丸后要求：表面潔凈、色澤均勻一致、無損傷，不允許有油斑、水跡和氧化皮，中心孔無鋼丸殘留，拋丸表面覆蓋率≥98%。節(jié)拍要求：35s/件（兩班制，10.5h/班，300天/年）。
二、拋丸設(shè)備信息
設(shè)備型號為吊鉤式拋丸清理機SHBX-III-AL，設(shè)備技術(shù)參數(shù)見表1。
表1 設(shè)備主要技術(shù)參數(shù)
三、設(shè)備主要特點
1）吊鉤公轉(zhuǎn)、自轉(zhuǎn)裝置為摩擦盤式，兩工位180°回轉(zhuǎn)，帶3點停止功能，最大吊重100kg/鉤。2）拋丸清理機上料區(qū)敞開，其中一個工位在進行拋丸清理時，另一工位可人工進行工件裝卸。3）拋丸室內(nèi)采用高耐磨性硬保護：彈丸直射部位采用高錳鋼耐磨護板（SMn80）及鑄Cr15，內(nèi)側(cè)采用耐磨橡膠護板，可有效地防止彈丸對室殼的磨耗。4）結(jié)構(gòu)緊湊，密封性好，運行噪聲低，適用于批量生產(chǎn)。
四、設(shè)備存在問題描述
工件在經(jīng)過拋丸清理后，從動帶輪內(nèi)腔外壁及錐面無銹跡、水印，但每掛處于上層的工件有3~4件液壓缸壁底側(cè)存在1~4處淺色水?。涣碛胁糠种鲃訋л嗇S大端深孔內(nèi)，用燈光照射檢查發(fā)現(xiàn)有水印痕。延長拋丸時間至1800s，能去除水印，但延長拋丸時間后，生產(chǎn)節(jié)拍不能滿足原設(shè)定的要求。
圖1 從動輪產(chǎn)品殘留水印
圖2 主軸產(chǎn)品深孔內(nèi)有印痕
目前，客戶對產(chǎn)品表面質(zhì)量的要求越來越嚴格，產(chǎn)品出現(xiàn)肉眼可見的外觀質(zhì)量缺陷將被拒收，并會給客戶留下不好的印象，可能對產(chǎn)品配套份額產(chǎn)生影響，因此必須認真對待、妥善解決。
五、水印出現(xiàn)的原因分析
影響拋丸清理表面質(zhì)量的因素眾多，我們從工件拋前表面質(zhì)量、工藝參數(shù)、工裝及拋丸機本身等因素著手，分析影響拋丸工件表面質(zhì)量的可能原因，提出對策并進行工藝試驗驗證。經(jīng)觀察分析，2020年因受疫情影響，工廠春節(jié)后停產(chǎn)，工件庫存時間過長，加上空氣濕度大，使工件產(chǎn)生銹蝕，如圖3、圖4所示。
圖3 帶輪拋丸清理前銹跡
圖4 帶輪軸拋丸清理前銹跡
為改善工件銹蝕狀況，除嚴控生產(chǎn)計劃、盡可能縮短庫存時間外，對庫存的工件采取了防銹、包裝遮蔽處理。（2）工件在拋丸清理前，銀灰色基體表面呈現(xiàn)無規(guī)則黃色花斑經(jīng)觀察，黃斑主要在回火后出現(xiàn)（見圖5），分析可能是清洗液存留物引起的。淬火后的清洗工序為：排油→脫脂（含浸泡+噴淋）→清洗（噴淋）→高溫烘干。因工序中只有一道清洗工序，很容易將脫脂液混入清洗槽，導(dǎo)致清洗槽污染，污染的清洗槽液在工件烘干前未排凈可能會產(chǎn)生水印。
圖5 清洗后表面黃斑
為測試清洗劑濃度對工件表面產(chǎn)生黃斑的影響，我們采用2.5%、2.0%、1.5%不同清洗劑濃度的清洗液進行試驗驗證，發(fā)現(xiàn)改變濃度無法消除黃斑。改用甲醇清洗進行驗證，黃斑可明顯消除，如圖6所示。因生產(chǎn)線沒有位置增加清洗工位，為盡可能消除脫脂清洗液對工件表面的影響，擬在清洗后增加吹水工序，更換清洗劑型號，選用無殘留類清洗劑，以消除此表面質(zhì)量隱患。
圖6 用甲醇清洗表面無黃斑
經(jīng)分析，因回火爐排氣管道垂直于爐子上方，拆開管路檢查發(fā)現(xiàn)接口處殘留油污，當油污直接流回回火爐時，經(jīng)過風(fēng)扇攪拌后掉落至工件表面形成油污點，如圖7、圖8所示。
圖7 回火后表面殘留油斑
圖8 排氣管道殘留油污
改進措施：對原有管道進行改造，在管道底部增加接油、排油裝置，避免油污進入回火爐，煙道接排油裝置如圖9、圖10所示。
圖9 接排油裝置示意 圖10 煙道接排油裝置
5.2 工藝參數(shù)對拋丸清理表面質(zhì)量影響分析工藝參數(shù)包括鋼丸材料、直徑、速度、流量、拋射角度、距離、時間和覆蓋率等，其中任何一個參數(shù)的變化都會不同程度地影響拋丸清理效果。
將工裝掛滿工件，按照正常加工條件，通過調(diào)整鋼丸的流量、硬度、大小以及不同的拋射角度、時間，調(diào)整工件位置、朝向、數(shù)量等進行工藝試驗，對比各工況下工件清理效果的差異，尋找拋丸清理合格需要的參數(shù)及時間，為進一步提出整改方案、改善工件表面質(zhì)量提供依據(jù)。根據(jù)試機現(xiàn)場驗證情況，經(jīng)討論研究后重新確定了工藝條件：主動、從動帶輪軸由9個/掛改為15個/掛，主動、從動帶輪由20個/掛改為28個/掛，鋼丸由φ0.6mm換成φ0.8mm，硬度由45~52HRC提高至58~63HRC，再次工藝驗證的結(jié)果見表2，清理合格時間為1260~1500s。
表2 工藝參數(shù)對拋丸表面質(zhì)量的影響
工藝參數(shù) | 預(yù)測原因 | 驗證方案 | 驗證效果 |
鋼丸流量 | 供丸量不足，拋射的鋼丸力度不夠 | 拋丸速度設(shè)置為高速，拋頭電流調(diào)至15~16A，對比不同鋼丸流量對工件清理效果的差異，尋找拋丸器最佳負載電流 | 表面質(zhì)量無明顯改善，通過不同拋丸器頻率55Hz、65Hz、75Hz、85Hz進行驗證，拋丸驗證結(jié)果表明高頻率并不比低頻率效果好 |
拋射角度、距離 | 拋射區(qū)不正對被拋打工件 | 通過調(diào)整兩拋頭角度，更改工裝掛具，改變裝掛方式，增大斜放角度，以及調(diào)整工件裝掛高度、開口朝向及角度等方式，盡量使鋼丸正擊工件內(nèi)腔、錐面 | 通過對不同拋丸角度、不同裝料方式進行試驗對比，帶輪軸表面質(zhì)量有一定程度的改善，而帶輪無明顯改善，各層工件內(nèi)腔、錐面仍有較明顯的水印 |
鋼丸硬度 | 鋼丸硬度不合適 | 用硬度58~63HRC的鋼丸替換45~52HRC的鋼丸，對比不同硬度的鋼丸對工件清理效果的差異，尋找與工件硬度（58~64 HRC）相近的鋼丸，以及拋丸清理合格的時間 | 1）在節(jié)拍時間內(nèi)，帶輪拋丸效果因液壓缸內(nèi)壁被遮擋，水印無法去除 2）在節(jié)拍時間內(nèi)，帶輪軸的拋丸效果也沒有明顯提升，同樣需加長時間拋丸才能去除水印 |
鋼丸直徑 | 鋼丸粒度不合適 | 用φ0.8mm鋼丸替換φ0.6mm鋼丸，單個鋼丸質(zhì)量、大小約為原來的2.3倍，對比不同大小的鋼丸對工件清理效果的差異 | φ0.8mm鋼丸比φ0.6mm鋼丸的力度大，但在電流不變的情況下，單次投射出來的顆粒數(shù)少，覆蓋率受影響，拋丸效果沒有明顯提升 |
拋射時間 | 拋射時間不合適 | 不斷調(diào)整拋射時間，增加覆蓋率，直至表面清理質(zhì)量符合要求 | 延長拋射時間至1500s時，可以達到清理效果，但節(jié)拍仍超過要求，不能滿足生產(chǎn)需要 |
六、縮短生產(chǎn)節(jié)拍對策
經(jīng)過更換工裝及各種工藝參數(shù)進行試驗驗證，在節(jié)拍時間內(nèi)表面質(zhì)量改善不明顯，受設(shè)備制約，電流及拋丸流量無法再調(diào)高，若延長拋丸時間，生產(chǎn)節(jié)拍又達不到設(shè)定要求，因此經(jīng)分析研究，決定對設(shè)備進行改造。1）將拋丸器2個7.5kW的電動機更換為2個11kW的電動機，更換2個變頻器，更換帶輪、電器件等配件，使拋丸清理時間可縮短到節(jié)拍要求范圍內(nèi)。2）根據(jù)工裝掛具表面鋼丸擊打痕跡，重新制作拋丸測試板，驗證拋頭鋼丸有效拋射區(qū)域。3）縮小掛具直徑尺寸，調(diào)整軸懸掛傾斜角度，零件裝掛時開口朝外，使拋射出來的鋼丸可以正擊內(nèi)腔、錐面。4）主動帶輪、從動帶輪工件數(shù)由28個/掛改為24個/掛，每層減少一個，以免工件互相遮擋，影響拋丸清理效果。主動帶輪軸、從動帶輪軸工裝由三層15個/掛，改為四層16個/掛。
改造后設(shè)備技術(shù)參數(shù)見表3。
表3 設(shè)備改造后技術(shù)參數(shù)
七、最終工藝驗證結(jié)果
設(shè)備改造完成后，通過對拋頭角度、頻率、電流等工藝參數(shù)再次優(yōu)化，對4種工件進行了總計約1000件的小批量工藝驗證，結(jié)果見表4。
表4 最終工藝驗證結(jié)果
工件 | 工藝參數(shù) | 每掛件數(shù)及節(jié)拍 | 驗證結(jié)果 |
主動帶輪 | 1）電流值： NO.1：22A NO.2：20A 2）頻率：55Hz 3）拋頭角度： 上45°，下55° 4）三點停止： 前停止175s 中停止175s 后停止175s | 24件/掛 拋丸525s，節(jié)拍21.875s/件 | 1）工件表面無銹跡、水印 2）節(jié)拍符合要求 3）驗證合格 |
從動帶輪 | 24件/掛 拋丸525s，節(jié)拍21.875s/件 |
從動帶輪軸 | 16件/掛 拋丸525s，節(jié)拍32.8125s/件 |
主動帶輪軸 | 16件/掛 拋丸525s，工件大端深孔內(nèi)仍有少量印痕，反方向再拋120s后去除，節(jié)拍40.3125s/件 | 1）工件表面無銹跡、水印 2）節(jié)拍超過設(shè)定要求，可接受 |
主動帶輪軸拋丸525s，工件表面無銹跡、水印，但一些工件大端深孔內(nèi)仍有少量印痕。反方向再拋丸120s，印痕基本清除，但單件節(jié)拍40.3s/件，超過了35s/件的設(shè)定要求?？紤]到4種工件為1套，每套工件總的節(jié)拍時間要求為140s，現(xiàn)1套工件實際生產(chǎn)時間為116.875s，總節(jié)拍時間在要求范圍內(nèi)。
八、結(jié)束語
拋丸工藝驗證是個重要的工藝過程，在不同的工藝參數(shù)、拋射強度和覆蓋率下進行取樣，以確定哪一個因素組合能得到更好的表面質(zhì)量。通常拋丸電流直接反應(yīng)拋丸量，一般調(diào)校時會將上下拋丸器的電流值調(diào)成一致，但實際上由于下拋丸器是將鋼丸向上拋出，在相同載荷下，拋出的鋼丸比上拋丸器少，因此為使上下工件的表面質(zhì)量更趨一致，我們初始時將下拋丸器的電流值調(diào)成比上拋丸器大了約5%。在實際工藝驗證過程中，發(fā)現(xiàn)上層的工件表面水印比下層更難去除，為此反過來將上拋丸器的電流值調(diào)成比下拋丸器大了約10%，使上下工件的表面質(zhì)量趨于一致。在工藝驗證過程中，發(fā)現(xiàn)通過調(diào)整工裝和工藝參數(shù)，將電流和拋丸流量調(diào)至最大，工件表面質(zhì)量、節(jié)拍也未全部達到要求，最終進行設(shè)備改造，更換了更大功率的電動機，工藝驗證表明，設(shè)備可滿足產(chǎn)品質(zhì)量及節(jié)拍的要求，解決了拋丸后工件表面殘留水印的問題。設(shè)備改造后已投產(chǎn)4個月，累計生產(chǎn)已超22萬件，效果良好。
作者：張政、張馳
單位：柳州五菱汽車工業(yè)有限公司、上汽通用五菱汽車股份有限公司
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