如何解决：抛丸后工件表面残留水印问题
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编者按目前，吊钩抛丸清理技术是最常用的经济、可靠的表面处理方法。柳州五菱汽车工业有限公司为对某CVT无级变速器带轮及带轮轴产品进行表面抛丸清理，新购入一台吊钩式抛丸清理机用于该工序。
一、产品状态及抛丸要求用于抛丸的产品是CVT无级变速器主动、从动带轮及带轮轴，工件材料为20CrMoH钢（GB/T 5216—2014），工件硬度为58~64HRC。上机前状态已经渗碳淬火、回火，带轮轴中心孔残留少量淬火油。抛丸后要求：表面洁净、色泽均匀一致、无损伤，不允许有油斑、水迹和氧化皮，中心孔无钢丸残留，抛丸表面覆盖率≥98%。节拍要求：35s/件（两班制，10.5h/班，300天/年）。
二、抛丸设备信息设备型号为吊钩式抛丸清理机SHBX-III-AL，设备技术参数见表1。表1 设备主要技术参数
三、设备主要特点1）吊钩公转、自转装置为摩擦盘式，两工位180°回转，带3点停止功能，最大吊重100kg/钩。2）抛丸清理机上料区敞开，其中一个工位在进行抛丸清理时，另一工位可人工进行工件装卸。3）抛丸室内采用高耐磨性硬保护：弹丸直射部位采用高锰钢耐磨护板（SMn80）及铸Cr15，内侧采用耐磨橡胶护板，可有效地防止弹丸对室壳的磨耗。4）结构紧凑，密封性好，运行噪声低，适用于批量生产。
四、设备存在问题描述工件在经过抛丸清理后，从动带轮内腔外壁及锥面无锈迹、水印，但每挂处于上层的工件有3~4件液压缸壁底侧存在1~4处浅色水印；另有部分主动带轮轴大端深孔内，用灯光照射检查发现有水印痕。延长抛丸时间至1800s，能去除水印，但延长抛丸时间后，生产节拍不能满足原设定的要求。抛丸清理后有水印的工件如图1、图2所示。
图1 从动轮产品残留水印
图2 主轴产品深孔内有印痕目前，客户对产品表面质量的要求越来越严格，产品出现肉眼可见的外观质量缺陷将被拒收，并会给客户留下不好的印象，可能对产品配套份额产生影响，因此必须认真对待、妥善解决。
五、水印出现的原因分析影响抛丸清理表面质量的因素众多，我们从工件抛前表面质量、工艺参数、工装及抛丸机本身等因素着手，分析影响抛丸工件表面质量的可能原因，提出对策并进行工艺试验验证。5.1 抛丸清理前工件表面质量（1）工件抛丸清理前有锈蚀经观察分析，2020年因受疫情影响，工厂春节后停产，工件库存时间过长，加上空气湿度大，使工件产生锈蚀，如图3、图4所示。
图3 带轮抛丸清理前锈迹
图4 带轮轴抛丸清理前锈迹为改善工件锈蚀状况，除严控生产计划、尽可能缩短库存时间外，对库存的工件采取了防锈、包装遮蔽处理。（2）工件在抛丸清理前，银灰色基体表面呈现无规则黄色花斑经观察，黄斑主要在回火后出现（见图5），分析可能是清洗液存留物引起的。淬火后的清洗工序为：排油→脱脂（含浸泡+喷淋）→清洗（喷淋）→高温烘干。因工序中只有一道清洗工序，很容易将脱脂液混入清洗槽，导致清洗槽污染，污染的清洗槽液在工件烘干前未排净可能会产生水印。
图5 清洗后表面黄斑为测试清洗剂浓度对工件表面产生黄斑的影响，我们采用2.5%、2.0%、1.5%不同清洗剂浓度的清洗液进行试验验证，发现改变浓度无法消除黄斑。改用甲醇清洗进行验证，黄斑可明显消除，如图6所示。因生产线没有位置增加清洗工位，为尽可能消除脱脂清洗液对工件表面的影响，拟在清洗后增加吹水工序，更换清洗剂型号，选用无残留类清洗剂，以消除此表面质量隐患。
图6 用甲醇清洗表面无黄斑（3）回火处理后工件表面残留有油污，抛丸难以去除经分析，因回火炉排气管道垂直于炉子上方，拆开管路检查发现接口处残留油污，当油污直接流回回火炉时，经过风扇搅拌后掉落至工件表面形成油污点，如图7、图8所示。
图7 回火后表面残留油斑
图8 排气管道残留油污改进措施：对原有管道进行改造，在管道底部增加接油、排油装置，避免油污进入回火炉，烟道接排油装置如图9、图10所示。
图9 接排油装置示意 图10 烟道接排油装置5.2 工艺参数对抛丸清理表面质量影响分析工艺参数包括钢丸材料、直径、速度、流量、抛射角度、距离、时间和覆盖率等，其中任何一个参数的变化都会不同程度地影响抛丸清理效果。将工装挂满工件，按照正常加工条件，通过调整钢丸的流量、硬度、大小以及不同的抛射角度、时间，调整工件位置、朝向、数量等进行工艺试验，对比各工况下工件清理效果的差异，寻找抛丸清理合格需要的参数及时间，为进一步提出整改方案、改善工件表面质量提供依据。根据试机现场验证情况，经讨论研究后重新确定了工艺条件：主动、从动带轮轴由9个/挂改为15个/挂，主动、从动带轮由20个/挂改为28个/挂，钢丸由φ0.6mm换成φ0.8mm，硬度由45~52HRC提高至58~63HRC，再次工艺验证的结果见表2，清理合格时间为1260~1500s。表2 工艺参数对抛丸表面质量的影响工艺参数预测原因验证方案验证效果钢丸流量供丸量不足，抛射的钢丸力度不够抛丸速度设置为高速，抛头电流调至15~16A，对比不同钢丸流量对工件清理效果的差异，寻找抛丸器最佳负载电流表面质量无明显改善，通过不同抛丸器频率55Hz、65Hz、75Hz、85Hz进行验证，抛丸验证结果表明高频率并不比低频率效果好抛射角度、距离抛射区不正对被抛打工件通过调整两抛头角度，更改工装挂具，改变装挂方式，增大斜放角度，以及调整工件装挂高度、开口朝向及角度等方式，尽量使钢丸正击工件内腔、锥面通过对不同抛丸角度、不同装料方式进行试验对比，带轮轴表面质量有一定程度的改善，而带轮无明显改善，各层工件内腔、锥面仍有较明显的水印钢丸硬度钢丸硬度不合适用硬度58~63HRC的钢丸替换45~52HRC的钢丸，对比不同硬度的钢丸对工件清理效果的差异，寻找与工件硬度（58~64 HRC）相近的钢丸，以及抛丸清理合格的时间1）在节拍时间内，带轮抛丸效果因液压缸内壁被遮挡，水印无法去除2）在节拍时间内，带轮轴的抛丸效果也没有明显提升，同样需加长时间抛丸才能去除水印钢丸直径钢丸粒度不合适用φ0.8mm钢丸替换φ0.6mm钢丸，单个钢丸质量、大小约为原来的2.3倍，对比不同大小的钢丸对工件清理效果的差异φ0.8mm钢丸比φ0.6mm钢丸的力度大，但在电流不变的情况下，单次投射出来的颗粒数少，覆盖率受影响，抛丸效果没有明显提升抛射时间抛射时间不合适不断调整抛射时间，增加覆盖率，直至表面清理质量符合要求延长抛射时间至1500s时，可以达到清理效果，但节拍仍超过要求，不能满足生产需要
六、缩短生产节拍对策经过更换工装及各种工艺参数进行试验验证，在节拍时间内表面质量改善不明显，受设备制约，电流及抛丸流量无法再调高，若延长抛丸时间，生产节拍又达不到设定要求，因此经分析研究，决定对设备进行改造。1）将抛丸器2个7.5kW的电动机更换为2个11kW的电动机，更换2个变频器，更换带轮、电器件等配件，使抛丸清理时间可缩短到节拍要求范围内。2）根据工装挂具表面钢丸击打痕迹，重新制作抛丸测试板，验证抛头钢丸有效抛射区域。3）缩小挂具直径尺寸，调整轴悬挂倾斜角度，零件装挂时开口朝外，使抛射出来的钢丸可以正击内腔、锥面。4）主动带轮、从动带轮工件数由28个/挂改为24个/挂，每层减少一个，以免工件互相遮挡，影响抛丸清理效果。主动带轮轴、从动带轮轴工装由三层15个/挂，改为四层16个/挂。改造后设备技术参数见表3。表3 设备改造后技术参数
七、最终工艺验证结果设备改造完成后，通过对抛头角度、频率、电流等工艺参数再次优化，对4种工件进行了总计约1000件的小批量工艺验证，结果见表4。表4 最终工艺验证结果工件工艺参数每挂件数及节拍验证结果主动带轮1）电流值：NO.1：22ANO.2：20A2）频率：55Hz3）抛头角度：上45°，下55°4）三点停止：前停止175s中停止175s后停止175s24件/挂抛丸525s，节拍21.875s/件1）工件表面无锈迹、水印2）节拍符合要求3）验证合格从动带轮24件/挂抛丸525s，节拍21.875s/件从动带轮轴16件/挂抛丸525s，节拍32.8125s/件主动带轮轴16件/挂抛丸525s，工件大端深孔内仍有少量印痕，反方向再抛120s后去除，节拍40.3125s/件1）工件表面无锈迹、水印2）节拍超过设定要求，可接受主动带轮轴抛丸525s，工件表面无锈迹、水印，但一些工件大端深孔内仍有少量印痕。反方向再抛丸120s，印痕基本清除，但单件节拍40.3s/件，超过了35s/件的设定要求。考虑到4种工件为1套，每套工件总的节拍时间要求为140s，现1套工件实际生产时间为116.875s，总节拍时间在要求范围内。
八、结束语抛丸工艺验证是个重要的工艺过程，在不同的工艺参数、抛射强度和覆盖率下进行取样，以确定哪一个因素组合能得到更好的表面质量。通常抛丸电流直接反应抛丸量，一般调校时会将上下抛丸器的电流值调成一致，但实际上由于下抛丸器是将钢丸向上抛出，在相同载荷下，抛出的钢丸比上抛丸器少，因此为使上下工件的表面质量更趋一致，我们初始时将下抛丸器的电流值调成比上抛丸器大了约5%。在实际工艺验证过程中，发现上层的工件表面水印比下层更难去除，为此反过来将上抛丸器的电流值调成比下抛丸器大了约10%，使上下工件的表面质量趋于一致。在工艺验证过程中，发现通过调整工装和工艺参数，将电流和抛丸流量调至最大，工件表面质量、节拍也未全部达到要求，最终进行设备改造，更换了更大功率的电动机，工艺验证表明，设备可满足产品质量及节拍的要求，解决了抛丸后工件表面残留水印的问题。设备改造后已投产4个月，累计生产已超22万件，效果良好。本文发表于《金属加工（热加工）》2021年第5期8~12页，作者：柳州五菱汽车工业有限公司、上汽通用五菱汽车股份有限公司 张政、张驰，原标题：《如何解决：抛丸后工件表面残留水印的问题》。