镁合金件表面喷砂清理

镁合金件表面喷砂清理
喷砂(Sand Blasting)处理在金属表面的应用是
非常普遍的,原理只是将加速的磨料颗粒向金属
表面撞击,而达至除金秀,去毛刺,去氧化层或
作表面预处理等,它能改变金属表面的光洁度和
应力状态.而一些影响喷砂技术的参数是需要留
意的,如磨料种类,磨料粒度,喷射距离,喷射
角度和速度等.除了喷砂处理外,抛丸处理亦是
其中的一个很好选择,本文将会为大家介绍此两
项金属表面处理技术和在镁合金件的应用,希望
令读者有进一步的了解.
喷砂工艺的好处
喷砂工艺可分为气压喷枪及叶轮抛丸两种,而喷砂工艺的优点在于它能够
除披峰,去除在压铸,冲压,火焰切割和锻压后的毛刺,对较薄工件及有毛孔
的毛刺效果更好,它可清理砂铸过程残余的砂粒,清理铸铁件或钢材的锈渍,
清理热处理,烧悍,热锻,辗压等热工序后的除氧化皮.另外,在涂层应用
上,它可把现有的涂料或保护层除去,在覆盖铸件上的缺陷如龟裂或冷纹,提
供光泽表面.再加上于表面应力上,它能提供一致性的粗化表面,上油及喷涂
效果,在高应力的金属件如弹簧和连接杆经局部被不断敲打,会产生变形并呈
现强化现象.此强化效果是需要使用圆形磨料如不金秀钢丸,在高能量的抛丸
机或专用强力喷砂机中使用.如要测定机器的表面强化效果,可把Almen测试
工件进行抛丸或喷砂处理,然后测出变形量是否符合要求.
气压喷枪的原理
喷枪的气压输入主要分直接压力缸(Direct
Pressure Vessel)及间接注射式(Pressure
Injection).直接压力缸将磨料放于压力罐,并
施以6-7bar大气压力,直接喷出磨料.它的好
处是压力大,缺点是当要添加压力罐内的磨料
时需要暂停操作.但如需要长时间连续喷砂而
不受间断,可使用双压力缸设计,使添加磨料
不必停止操作.而间接注射式则利用高速气流
吸入磨料,它的好处是添加磨料时不会干扰正
常生产,设备简单及投资小,因此最为普遍.
在各喷砂机类型中,最简单的是密封喷砂
室式的,操作人员可透过橡胶手套持着工件,脚踏喷枪开关,透过窗口观察喷
砂过程,这类喷枪常与叶轮抛丸共同使用,喷枪一般与工件距离150-200mm,
处理直径范围约30mm.其次,喷砂亦可分为干式和湿式的,例如真空吸回型
(Pressure Vacuum)是属于直接压力型和干式的,它直接吸回磨料,主要用于现
场维修工作. 而湿式喷流型(Wet pressure)是属于间接注射式的,它利用液体(水
或油性液体)与幼细磨料混合作喷砂步骤,能提供较细致的表面质感.但湿式喷
砂有不少缺点,如不适宜于黑色金属工件,因较易造成腐蚀,亦不可使用钢丸
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作磨料,处理时间较长.所以如工艺参数控制良好,干式喷砂亦可达致大部分
湿式喷砂的效果,除非是一些特别工艺或效果.
抛丸的原理
抛丸是靠叶轮高速旋转,将在叶轮中心
的磨料,经过调流块(Regulator)及叶轮推动
器(Impeller)预加速,送入叶片区再将磨料高
速抛出,速度可超过100m/s,由于抛丸覆盖
范围较大,所以不需利用气压,能源效益远
高于喷枪.叶轮是抛丸机的心脏,由电动马
达直接或间接驱动,每家叶轮生产商均有独
特的设计,主要分为单碟和双碟叶轮.
每片叶轮可装上4至8块叶片.单碟叶
轮较轻及设计成弧形叶片;双碟式叶轮较
重,但较易装卸叶片及准确控制抛出磨料.
叶片的形状有直身或弧形设计,直身叶片设
计简单,可独立装卸,虽然这种叶片设计可清理的范围(见下文)较小和抛出速
度较低,但由于成本低,因此较为普遍.弧形叶片较难装卸和成本较高,但可
清理的范围较大及抛出速度较高.
另外,叶轮在抛丸室的摆放位置亦很重要,如覆盖范围,与工件距离,工
件移动范围,受磨料二次反弹或其它叶轮的相互覆盖范围,保养更换的方便性
等.经验显示倾斜的叶轮对工件覆盖较好,而数个小功率叶轮较一个大功率叶
轮在运作时会较灵活和效果更佳.抛丸工艺损耗性很高,其中包括叶轮和内衬
钢板等会较易磨损,因此它们的寿命对生产工序很重要.高铬铸钢叶轮如使用
48HRC硬度的钢砂,寿命约为800小时,钢丸则为1500小时.加硬了的叶轮
寿命可达4000小时.
抛丸范围(Hot Spot)
从叶轮
抛出的磨料
覆盖范围是
呈椭圆形
的,由于扩
散关系,令
有效清理范
围(Hot Spot)
较小,叶轮/
工件距离和
撞击工件速
度对有效范
围有不同程度的影响.Rosler的双涡流叶轮设计可令磨料有效地经过推动器预
加速,叶片的弧形设计令磨料流畅地抛出,速度超过100m/s,有效扩大清理范
围,由于磨料较易流动,磨料之间的磨擦损耗较少,从而减低磨料的消耗量,
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耗电量亦相对较低,此设计特别适用在去锈皮,锈渍,处理大型工件或用于工
件表面强化.
磨料耗用量
对于喷砂工艺,成本考虑是非常重要.磨料高速从叶轮抛出并击在工件表面,
磨料动能迅速转化,令磨料变形压缩,或产生内应力导至断裂.圆颗粒会破
开,砂砾会呈菱角形脱落,断裂之小块会被筛出,留下颗粒会变得较圆.而撞
击亦会强化磨料,令使用过的磨料硬度比新料高,不同生产商的磨料消耗率亦
有所不同,总括来说,高硬度的磨料,工件和高抛出速度会导致较高的磨料消
耗量.
磨料规格
一般的情况下,砂砾规格是由一定尺寸范围的颗粒组成,在中位数的磨料砂砾
会占大多数,但当中亦含有少量较大或较小的颗粒,由于磨料在抛丸过程中损
耗,部分会经过回收再用而部份会过滤筛出,导致颗粒比例改变,所以要令喷
砂效果保持稳定,就要定时添加新磨料.如果添料时间相隔太长,磨料便明显
变小,令表面效果降低,延长清理时间.
抛丸机种类及结构
抛丸机由叶轮部分(Blade Wheel),抛丸室结构
(Blasting Chamber),控制系统,磨料输送装置(Blasting
Media Conveying),磨料回收(Media Recovery),及集尘器
(Dust Separator)组成.
抛丸室内衬为耐磨高锰钢,
.磨
它是其中一个重要但又易
磨损的工件;防护门的封边
橡胶必需耐用及密封性好,
并装有安全控制,以防止粉
尘外泄.磨料输送装置是将
抛丸室内的磨料及尘屑,通
过底部的漏斗形状收集,并
输送至磨料回收区.最常见
的有横卧式螺杆(Blasting Media Screw),将底部
收集的磨料粉尘输送,然后倒入立式运输带吊桶
(Bucket Elevator)内,再升上粉尘分离器上部
料回收部分(或粉尘分离器)是把已混合的磨料及
粉屑(包括破碎和变小的磨料及工件粉屑)分离,
令磨料可循环使用.这里所介绍的气流重力分离器(Gravity Air Flow
Separator),首先是把含粉尘的磨料经过一个多段的分离活动拍,形成帘形后堕
下并穿过流向集尘器的干净气流,气流将粉尘吹进粉尘收集室,把最细小的粉
尘吸进集尘器接管,气流量可透过调节阀控制吹走粉尘颗粒,穿过气流堕下的
磨料再穿过筛隔回流到叶轮.
严格来说,集尘器并非抛丸机的主要组成部分,但在抛丸喷砂过程中所产
生的粉尘必须经过处理才可排出大气,因此每部喷砂抛丸机必须连接集尘器,
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此举亦保证车间环境不受污染.而用于喷砂抛丸的集尘器有干式(机械过滤)及
湿式系统两种.选择规格视乎所需的空气流量,差压和粉尘种类等.
干式集尘系统利用合成纤维材料对含尘空气作多重过滤,过滤盒必须定期
更换或清洗,对容易发生爆炸燃烧的粉尘如铝粉,当积聚太多会产生危险,必
须有防爆保护,包括防静电过滤盒,火花保护抽气扇,及
压力过高时磨料粉尘管道可即卸出厂外.而湿式集尘系统
是比较安全,不同型号的湿式集尘器其效率各有不同,主
要分为Scrubbing Tower,Jet Scrubber,Cyclone Scrubber
和Venturi Scrubber,规格差别在于可分离的尘粒大小,尘
粒过滤的效率,用水量和差压要求等.相对来说,干式集
尘系统较湿式的设计成本较低和除尘效率较高.
市场现时有各类型的抛丸机,选购时需要视乎本身的
生产量,投资操作成本,地方空间,自动化程度,与前后
工序的连接性,工件形状大小和工件要求精密性等.而机
器设有可调校的参数大致上是叶轮转速,输送带速度及清
理时间,本文会就几个主要抛丸机种类进行介绍.
履带式(Tumble Belt)
履带式是目前最普遍的抛丸机,它的L型循环履
带转动,把工件带动升起并翻滚,而履带上的孔洞
让磨料流回收集区.橡胶履带适用于中小型工件,
钢带则较适用于较大和重,或锐角的工件.要达致
最佳的覆盖效果,工件总体积约为抛丸室体积的
30-40%,如需要自动化,可配上自动倒料器批量倒
入抛丸室及震动运输带把完成工件自动卸出送走.
连续履带式(Through Feed Tumble Belt)
它的原理与履带式的一样,特点是适用于流水线生产方式,整个工作信道
分为进料区,抛丸区与出料区,工件由运输带送入进料区,而抛丸区顶部装有
两个叶轮,工件在倾斜的信道上翻滚并向出料区推进,推进速度或工件清理时
间由履带转动速度控制.大型或精密的工件若又不希望互相碰撞,可把工件逐
一放入,而在一般的情况下,铸件可大批送入进口信道.
悬挂式(Overhead Rail)
有些较大的工件表面需要较佳的覆盖处理,
工件之间亦不希望产生碰撞,悬挂式会是最好的
选择.工件挂在吊钩上,然后进入抛丸室,工件
便会自转和上下前后摇摆,此动作令工件表面喷
砂均匀.由于需要每件挂上及取下,而且每次的
处理量不大,因此生产率较低,若是大型铸件或
需要大产量的,可视乎需要设计较长的抛丸室,
以流水线方式生产.

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转台式(Rotary Table)
主要针对品种较多,产量小和不可碰伤的工件.
滚轴或网带通过式(Roller or Wire Mesh Conveyor)
适合长型或大面积的工件如板材,异型材和工字铁等.叶轮可放置于工件
的上下面同时抛丸,进口及出口室设有多重橡胶帘保护,出口室会根据工件形
状,清除附在工件上的磨料.
磨料选择
磨料的选择对工件表面效果有决定性的影响.磨料可分为固体或流体(如干
冰,水,油溶液),而固体磨料可分为金属(黑色与有色金属类)与非金属(矿物与
有机合成类),常用的包括:
高碳铸铁丸(Chill Cast Iron Grain)-属于高硬度材料,硬度约60-68HRC,呈丸
状及砂砾状,直径约为0.05-2.0mm,主要用于高强度要求的表面清理如去锈,
氧化皮和除涂层等.
低碳钢丸(Cast Steel Shot)-硬度约55HRC,呈丸状及砂砾状,直径大约0.05-
2.8mm,它适中的硬度及损耗率,使其应用范围最广.
镍铬不锈钢丸(Rust & Acid Resistant Steel Shot)-主要是丸状,直径约0.08-
1.2mm,适用于高质量之有色轻金属铸件(除镁合金外),重金属,贵金属及有色
重金属,能提供均匀及光泽的表面,提高工件抗酸及防锈性能.
锌,铝切丝丸-属于圆柱型的,因制造是从拉伸后再切成丝形,所以材质结构
较稳定,使用一段时间后会变圆,主要用于清理铝,镁,锌合金铸件.
铜铜-砂可用于清理铜铸件,或作电子零件除毛刺用.
氧化铝(Corundum)-因磨损性高的关系,使损耗率亦高.只适合表面粗化或作
喷涂前处理,而由于损耗性太强,只会用于气压喷枪.
陶瓷/玻璃砂(Ceramic/glass)-有丸状及砂砾状,直径约为0.03-0.6mm,它可提
高工件的抗酸及防锈性能,而陶瓷多用于抛丸而玻璃砂多用于喷枪.
蜜胺/尼龙(Melamine/nylon)-主要用于电子产品,因需要严格控制清理力度.
在选择那种磨料最合适本身的生产工序,要先了解工件材料类别,工件原
始状态及最终要求,机器类型(如氧化铝不可用于抛丸机)和操作成本(包括机器
操作成本,磨料消耗量,处理时间等),才能提高生产效率及减低成本.
镁合金件的表面喷砂清理
针对镁铸件表面喷砂,以下各点必须留意.在磨料选择方面,不可选择含
重金属如铁,镍,铜等的材料,建议选用铝丸,玻璃砂或陶瓷砂及氧化铝.喷
砂机或抛丸机两者均可采用,若选择喷砂抛丸机,机腔材料尽可能不要选用钢
板,而要选用聚安脂或橡胶内衬,可避免产生静电或火花.而机器最好是专用
于处理镁铸件,若可能要处理其它材料,最低限度要使用专用的吸尘管道的.
此外,吸尘设备必需是湿式系统.市面上有多种湿式集尘器,当中以文杜里式
(Venturi)效果最佳,它利用文杜里原理将气流加速,高速气流(相对速度达40-
150m/s)和旋风式运动令空气和雾水充分混和,镁粉尘黏上雾水变重而堕下,可
过滤小于0.1-0.4mm之镁尘粒,尘料过滤效率(按德国过滤标准DIN70)高达
99.9%.在德国,生产过程排出大气之尘粒标准要少于20mg/m3,镁合金熔炼
产生之尘粒标准要少于10mg/m3,而在人工打磨工位上更要少于3mg/m3.
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在亚洲地区,由于镁合金件主要用于3C产品
(计算机,通讯,电子消费品),要求外观美丽及质
量轻,若使用人工喷砂的效果不会太理想,如使
用传统抛丸机会有撞击碰花的机会,工件由于较
轻亦难于控制滚动,因此外观要求较高的工件会
选用多任务位(卫星型或定位运输带)自动喷砂机,
配上多个固定或摇摆式喷枪,适用于手机中板或
外壳喷砂.计算机外壳则多使用往复式喷枪,可
提供高质量的表面效果.Rosler SA1400转台式喷
砂机的设计适合严格要求的镁合金铸件表面喷砂
及打毛刺,喷砂室空间紧密,有6至12个工件
位,转盘由马达驱动,定位精度达正负0.2mm,
每个工件位可自转,而其中两个工件位是供操作员装卸工件,每个工件位均有
独立的气动夹具连接头,另外喷砂室前后亦有隔离室和清洁室,用以隔离装卸
区与喷砂区,将残余粉尘吹走.喷砂室可
配上4至10支喷枪,每支橨枪可独立调节
压力,并可装上马达或气筒,执行立式或
横式运动.除此之外,磨料自动添加系统
包括磨料运输装置,磨料粉尘分离器和磨
料筒.而集尘器可接上湿式集尘器.
对较高要
求的量产中小
型镁合金件,
可使用SBM型
V环履带连续输送抛丸机.SBM是Rosler-Hunziker
的专利设计,它的V环履带设计令工件能有效地翻
滚,而抛动幅度适中(低于L型履带式),叶轮可较接
近工件.如选用幼砂可令表面较为细致,环带设计
可推动工件向前,而且速度可以调校.避免工件之
间碰撞,而且工件的滚动不太强烈,可控制工件推
进速度而调整生产量.按照表面外观要求投放工件数量,不像以上介绍的专用
喷砂机,SBM型是通用设备,对处理不同工件组合较为有利.
如果使用人手打磨,磨轮外壳要接上抽气管道,
气流速度要高于20m/s.工作桌的设计要考虑抽风性
能和镁屑(或披锋)的清理.在欧洲国家,亦有不少使
用机械人打毛刺或磨光的例子,但对于处理薄小类型
的镁合金件,则较罕见,由于成本高,操作维修复
杂,故适用性不高.