金属3D打印后处理设备高温喷砂装置设计

巨智超

(1.安徽省第一轻工业学校,安徽 蚌埠 233010;2.蚌埠学院 应用技术学院,安徽 蚌埠 233010)

0 引言

3D打印主要优势是能制造具有复杂几何形状且多功能集成的零件,但其打印的零部件表面质量往往比较粗糙,难以满足零件粗糙度要求,需要对表面进行处理以提高表面质量。目前,对金属表面进行喷砂是一种常用的处理方法,其具有通用性、迅速性、高效性。喷砂是采用压缩空气形成的高速喷射束将喷料高速喷射到金属工件表面,使金属表面发生变化。喷料主要包括铜矿砂、石英砂、金刚砂、铁砂和海砂等,喷砂可以对金属表面形成冲击和切削作用,根据喷砂大小使金属表面获得不同程度下的清洁度和粗糙度,从而达到提高表面质量的目的。喷砂系统具有以下优点:

1)适合工件喷涂、工件粘接前处理喷砂,喷砂是一种常见的金属表面处理方法,可以有效地清除金属表面污垢、氧化物和涂层,同时为金属制品提供良好的粗糙度和表面质量,还可根据喷料种类及大小获得适宜喷涂的表面粗糙度,增加涂料与金属表面结合力。

2)金属经过热处理或高温处理后,金属表面存在氧化皮或油污等残留物,喷砂可清理工件表面,使金属表面更加美观。

3)喷砂可清除机加工留下的微小毛刺,使尖角倒钝为圆角。一方面提高金属工件档次和美观性;另一方面使金属工件更加适合接触性搬运,避免划伤身体。

4)高温喷砂可使金属产生更大的表面塑性变形,获得更大的金属残余压应力和更高的金属抗疲劳能力。

1 高温喷砂对金属性能影响

上海交通大学黄宇[1]研究高温喷砂对GW92K镁合金表面特性与高周疲劳性能影响。结论表明,与室温喷砂相比,在同等喷砂强度下,高温喷砂使镁合金表面残余压应力、变形层硬化及表面粗糙度均出现不同程度提高,且喷砂有利于提高镁合金高周疲劳特性。

哈尔滨理工大学于寒[2]研究高温喷砂对钛铝合金组织和性能影响,钛铝合金是当代航空航天工业领域主要的高温结构材料,为进一步提高钛铝合金疲劳性能,研究高温喷砂对钛铝合金喷丸可行性,结果表明,675 ℃可达到最好喷砂强化效果。

刘文才等[3-4]研究玻璃丸喷砂对ZK60试样和GW103试样疲劳性能影响。研究结果表明,ZK60最佳喷砂强度分别为0.05 mm·N和0.3 mm·N,疲劳性能分别提高29%和47%。对于挤压钛GW103镁合金,最佳喷砂强度0.1 mm·N,主要原因是析出相的存在使表面硬化大幅度提高。综上所述,高温喷砂对镁铝钛等轻金属合金具有重要作用,因此研究高温喷砂自动化设备具有重要意义。

2 旋转夹持高温喷砂装置设计

目前，喷砂设备大多是在室温中进行，高温自动化喷砂设备需要使工件受热均匀、喷砂均匀，因此可在高温高压设备中增加旋转机构和喷砂机构。

旋转夹持高温喷砂装置工作机理如图1所示，设备实施过程如下：1)高温高压设备中已经集成热电偶，根据需要将温度调整至工件所需温度；2)启动电机，电机经过减速器、锥齿轮、传动轴等使旋转工作台旋转；3)将喷砂和惰性气体调整至合适压力对工件进行旋转喷砂，根据工艺参数调整旋转工作台速度、喷砂种类和大小、气体压力大小等；4)喷砂完，复合腔体降温取出工件；5)将剩余喷砂通过喷砂收集箱收集回收再利用。

图1 旋转夹持机构喷砂机理图

由于复合腔体集高温、高压、旋转和喷砂功能于一体，因此需要做好旋转和腔体降温、密封工作。

2.1 转轴处机械密封

机械密封是一种用于解决机体与传动轴之间密封的装置[5],一般应用于泵、离心机、反应釜、压缩机等设备[6]。轴和设备腔体之间存在一个圆周间隙,需要增加密封机构防止介质泄露。

表1列出反应釜常用机械密封型号、机械密封型式、适用温度、压力和介质,从表中可以看出常规反应釜机械密封压力在0.6～1.6 MPa[7]。

表2列出泵用机械密封型号及适用范围,泵介质压力普遍小于4 MPa,介质温度小于400 ℃,参考《机械密封通用规范》(GB/T 33509-2017)。

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表2 泵用机械密封型号及适用范围

从反应釜和泵用机械密封适用范围可知,常规机械密封适用介质压力较小,难以满足高温高压要求。

高温高压旋转加持喷砂腔体对系统温度和压力提出更高要求,因此需要解决高压机械密封问题。密封腔体压力大于3 MPa时所采用的机械密封属于高压机械密封[1]。国内浙江某公司加强搅拌釜压力达4 MPa,长春某公司机械密封装置加氢搅拌釜压力达12 MPa,同时工业应用中机械密封压力最大达15 MPa,且对传动效率损坏有严格要求[2]。由此可见,如果旋转加持喷砂腔体压力大于15 MPa,旋转轴贯穿整个压力容器是不可能实现。

本文中将旋转机构和电机驱动组件放置高温高压容器内部进行全方位封闭,如此,旋转传动机械密封对高压容器限制将不存在,如图1所示。由于旋转轴通过联轴器和电机驱动,需将电机安置于高温高压容器内,为防止电机温度过高烧损,需要通过强制降温和隔热方法对电机旋转区域进行保护[8-9]。降温和隔热除了能保证电机在合适的温度下工作,还能降低旋转轴摩擦副损耗[10]。高压容器内热区和冷区气体存在交换(密封存在泄漏量),可通入冷却气体,使冷区温度小于80 ℃[11]。

2.2 旋转传动装置

传动轴一端穿过隔热层进入复合腔体内部与旋转平台紧固连接,另一端通过锥齿轮与减速器锥齿轮连接,形成传动结构。凸缘法兰焊接在腔体底端封闭盖上,凸缘法兰具有四种型式,设计参考标准《搅拌传动装置--凸缘法兰》(HG/T 21564-1995)。

安装底盖主要作用是安装机架和密封箱体。根据凸缘法兰密封面不同,安装底盖的型式有R型和M型之分,另外根据传动轴搁置装置差异,又分为上装式(用S表示)和下装式(用X表示),如此安装底盖共有8种结构,如表3所示。设计参考标准《搅拌传动装置--安装底盖》(HG/T 21565-1995)。

表3 安装底盖型式

安装底盖与机架和密封箱体需要合适配置,机架的公称直径需小于等于安装底盖公称直径,同时安装机架还需要考虑密封箱尺寸,只有机架尺寸比密封箱尺寸大足够量时,密封箱才能顺利装入机架内,图2为上装式凸缘法兰、安装底盖和机架安装位置。

图2 上装式传动轴装置

传动轴的形式由机架、传动轴安装型式和联轴器型式确定。传动轴的规格则由轴径和机架的公称直径确定。设计参考标准《搅拌传动装置--传动轴》(HG/T 21568-1995)。两个轴通过联轴器连接,在旋转过程中联轴器可以起到传递运动和扭矩作用。联轴器一般分为凸缘联轴器、夹壳联轴器和块式弹性联轴器。设计参考标准《搅拌传动装置--联轴器》(HG/T 21570-1995)。

减速机可参考《搅拌传动装置》所推荐的标准减速机或专业厂家生产的产品,一般选用传动效率高的齿轮减速机。

电动机是旋转机构动力源,电动机工作对温度有严格要求。不同材料具有不同耐高温等级,根据绝缘材料耐高温等级分为7个允许最高温度,等级按温度大小分为Y、A、E、B、F、H和C,其对应允许最高工作温度分别为90,105,120,130,155和180 ℃。因此,电机在工作时,除隔热、降温措施外,还需要选择合适的绝缘材料。

3 结语

金属3D打印后处理设备旋转夹持机构的喷砂设计在提升金属3D打印零件质量和工艺效率方面具有重要意义。以期本研究能为相关领域的研究人员和工程师提供有益参考,推动金属3D打印技术进一步发展及应用。