大型熱噴鋅閘盤加工技術(shù)

Machining Technology in Large Thermal-spraying Zinc Disk

供稿|胡志祖 / HU Zhi-zu

作者單位：洛陽礦山機(jī)械工程設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，河南 洛陽 471039

內(nèi)容導(dǎo)讀閘盤是礦井提升機(jī)的重要零件。文章以閘盤為研究對象，通過對閘盤類大型零件的結(jié)構(gòu)特點及工藝性分析，確定了熱噴鋅結(jié)合涂層封閉技術(shù)作為閘盤的表面防腐工藝方案。根據(jù)熱噴鋅工藝的操作特點，重點研究了閘盤的機(jī)械加工工藝方案，通過對加工結(jié)果的分析，確定了閘盤最為優(yōu)化的加工方法。該研究對大型熱噴鋅零件機(jī)械加工工藝以及類似有防腐蝕表面處理技術(shù)要求的零件加工工藝制定具有一定的參考作用。

礦井提升機(jī)是提升煤炭(或礦石)、升降人員和機(jī)電設(shè)備、聯(lián)系井下與地面的重要生產(chǎn)設(shè)備。閘盤是礦井提升機(jī)主軸裝置和盤閘制動系統(tǒng)的重要零件。為保證提升機(jī)正常工作，按照“煤礦安全規(guī)程”規(guī)定，制動器閘瓦和閘盤的制動面接觸面積不應(yīng)小于60%。閘瓦和閘盤的接觸面積越小，相同制動力的情況下制動效果就越差。閘瓦和閘盤的接觸面積變小會使局部接觸處由于摩擦力的增大而使得閘盤磨損嚴(yán)重、溫度急劇升高從而造成燒盤，嚴(yán)重影響制動效果。就目前使用狀況來看，提升機(jī)發(fā)生的事故大部分與制動有關(guān)，一旦發(fā)生事故，輕則影響生產(chǎn)進(jìn)度，重則導(dǎo)致惡性事故的發(fā)生[1]。因此，閘盤的質(zhì)量直接關(guān)系到提升機(jī)能否安全制動。

“煤礦機(jī)電設(shè)備完好標(biāo)準(zhǔn)”中規(guī)定提升機(jī)閘盤制動端面全跳動量≤0.5 mm?！懊旱V安全規(guī)程”中規(guī)定，為保證提升機(jī)正常工作，閘瓦與閘盤之間的間隙不得大于2 mm。當(dāng)閘盤制動面全跳動過大時，在制動時會使閘瓦對閘盤的制動力忽大忽小，有時甚至?xí)佑|不到閘盤，這樣會導(dǎo)致閘盤與閘瓦磨損嚴(yán)重、安全制動時空運動時間延長等不良后果，不能安全、可靠、及時地實施制動，從而造成提升機(jī)運行不穩(wěn)定和疲勞損壞，同時加劇制動系統(tǒng)內(nèi)碟形彈簧的疲勞程度，影響提升設(shè)備的壽命。反過來制動力的不穩(wěn)定和軸向力的加大又會加劇閘盤的變形，使其全跳動量變得更大。

閘盤的制動面應(yīng)具備較高的平面度、粗糙度和端面全跳動公差才能滿足安全制動的要求。由于閘盤外形尺寸較大，下料后為消除殘余應(yīng)力、穩(wěn)定尺寸需進(jìn)行退火工序，故必須考慮退火留量。閘盤如果做成整體式，就會存在著尺寸大、質(zhì)量偏重、退火后變形大、加工、裝配及運輸困難等缺點。因此需將閘盤設(shè)計成剖分式結(jié)構(gòu)，即半閘盤形式。提升機(jī)閘盤直徑一般為2～5 m，質(zhì)量從幾百公斤到幾噸不等，起吊、翻轉(zhuǎn)、加工、運輸都有較大的難度。

綜上所述，閘盤具有直徑大、質(zhì)量重、形位公差要求嚴(yán)格的特點，而剖分式結(jié)構(gòu)的零件剛性差，易變形，屬于斷續(xù)切削方式，更增加了加工的難度。因此，將閘盤作為典型的大型零件，研究其表面防腐技術(shù)及加工技術(shù)具有一定的代表意義。目前有關(guān)研究大型熱噴鋅零件機(jī)械加工工藝的參考文獻(xiàn)較少，希望本文對類似有防腐蝕表面處理技術(shù)要求零件的加工工藝研究有一定參考作用。

表面防腐方案

常用表面防腐技術(shù)比較

表1是熱噴鋅與熱鍍鋅、冷鍍鋅、浸鍍鋅、噴涂油漆等常用表面防腐工藝相比的優(yōu)缺點，可見熱噴鋅在表面防腐工藝上具有一定的先進(jìn)性。

熱噴鋅技術(shù)原理

熱噴鋅是一種重要的防腐蝕表面處理技術(shù)，其原理是在大氣中的噴鋅層形成氧化物薄膜使鋼鐵與大氣隔絕，從而起到防護(hù)效果。熱噴鋅技術(shù)是采用燃燒火焰、電弧、等離子弧等作為熱源，將噴涂材料加熱到塑態(tài)和熔融狀態(tài)，同時在高速氣流的加速作用下，使材料呈霧化的顆粒束沖擊到經(jīng)過預(yù)處理的基體表面上，隨之激冷并不斷層積而形成涂層的工藝方法。

表1 常用表面防腐工藝的優(yōu)缺點

熱噴鋅技術(shù)研究進(jìn)展

國外對各種熱噴鍍層在不同自然環(huán)境中的耐蝕性研究較早，法國地下鐵道公司的Y. Delphch等在1970年公布的研究成果表明，在海洋大氣中，噴鋅層暴露10年后表面僅稍有氧化作用，表面厚250 μm的噴鋅層在流動的海水中至少可耐用10年。C. F. Shrieber等在1974年的美國外海技術(shù)年會上公布了厚度300 μm的純噴鋅層可在18年內(nèi)充分保護(hù)鋼鐵構(gòu)件在海水中不受腐蝕。近年來，隨著復(fù)合涂層技術(shù)的發(fā)展，熱噴鋅與涂層封閉相結(jié)合的重防腐技術(shù)在解決表面腐蝕的問題上取得了更長足的進(jìn)步。在國內(nèi)最新的研究報道中有：藏木水電站閘門結(jié)構(gòu)采用熱噴鋅加涂料保護(hù)，有效解決了惡劣的自然氣候條件下對閘門設(shè)備的防腐蝕要求；使用熱噴鋅以及富鋅涂料防護(hù)橋梁鋼結(jié)構(gòu)，可以有效地解決使用純鋅鍍層防護(hù)存在的氧化變色并延長防護(hù)時間[2，3]。

為了延長鋼結(jié)構(gòu)的使用壽命，降低維修成本，金屬表面防腐設(shè)計采用耐蝕金屬涂層是科學(xué)合理的選擇，而熱噴鋅則是首選的表面處理方法[4]，有較高的推廣價值。因此，可選用熱噴鋅結(jié)合涂層技術(shù)作為閘盤的表面防腐方案。

總體工藝方案的確定

閘盤的熱噴鋅方案

JKMD-2.8×4PⅠ型提升機(jī)產(chǎn)品是洛陽礦山機(jī)械工程設(shè)計研究院有限責(zé)任公司為山東某金礦生產(chǎn)的礦用提升設(shè)備。該金礦瀕臨渤海，海洋大氣中富含鹽分，干濕交替的氣候會導(dǎo)致金屬表面鹽濃度較高，而水膜中富含氧分子溶有其他酸性氣體，腐蝕性極強(qiáng)，會導(dǎo)致礦用提升設(shè)備上的金屬結(jié)構(gòu)腐蝕較快。為確保提升設(shè)備安全運行，考慮對提升設(shè)備的金屬結(jié)構(gòu)采取熱噴鋅和涂層相結(jié)合的方案對閘盤進(jìn)行防護(hù)。

提升機(jī)主軸裝置中閘盤與卷筒是裝配成一體的，噴鋅表面1和噴鋅表面2兩個表面處于裝配狀態(tài)時是外露的。閘盤的安裝基準(zhǔn)面與卷筒裝配時處于貼合狀態(tài)。制動面需要安裝制動器與閘瓦。安裝基準(zhǔn)面和制動面只有采用機(jī)械加工的方法才能保證較高的形位公差，從而確保閘盤的制動效果。為降低生產(chǎn)成本，閘盤的安裝基準(zhǔn)面和制動面不必使用噴鋅涂層。因此，只對圖1所示噴鋅表面1和噴鋅表面2進(jìn)行熱噴鋅作業(yè)和涂層防護(hù)，對這兩個外露表面起到阻擋腐蝕介質(zhì)的隔離作用。

圖1 閘盤熱噴鋅的位置

熱噴鋅的工藝流程為：表面預(yù)處理→噴砂→熱噴鋅→第一次涂層封閉。

涂層的選擇原則

熱噴鋅完成后涂層封閉厚度是涂層防護(hù)系統(tǒng)很重要的一項技術(shù)指標(biāo)。涂層太薄，不能有效地發(fā)揮涂料的防腐作用，影響使用壽命；涂層太厚，不僅造成浪費，而且還會降低涂層的某些物理機(jī)械性能，如起泡、脫層等。漆膜厚度的選擇根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)的使用條件決定，在不同的腐蝕環(huán)境及用途條件下對涂層厚度要求也不相同[5]。一般漆膜厚度的選擇如表2所示。

表2 噴鋅涂層的厚度

鍍鋅鋼構(gòu)件推薦選用環(huán)氧涂料作為底漆。環(huán)氧涂料的基料為環(huán)氧樹脂，對金屬基材具有極強(qiáng)的附著力。環(huán)氧涂料中的醚鍵和羥基屬于強(qiáng)極性基團(tuán)，它們可以與金屬基材表面產(chǎn)生極強(qiáng)的黏結(jié)力。環(huán)氧涂料除了超強(qiáng)的附著力等優(yōu)點外與鍍鋅層也不會發(fā)生反應(yīng)[6]。

閘盤加工工藝

總體加工工藝方案

熱噴鋅前需要噴砂作業(yè)。由于噴砂時鋼砂速度在200 m/s以上，會對工件表面產(chǎn)生沖擊和＜0.5 mm的切削作用，因此必須考慮對閘盤已加工表面進(jìn)行覆蓋性防護(hù)。但是，如果防護(hù)稍有不慎，鋼砂就會穿透或者打爛已做的防護(hù)，對已加工表面造成損傷從而造成表面質(zhì)量問題，最終影響到閘盤的制動效果。如何做到既能保證熱噴鋅流程順利進(jìn)行，又能確保加工表面不因噴砂操作而受到損傷，是一個亟待解決的問題。

經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)，閘盤工件來料為毛坯狀態(tài)，這時單邊留量10 mm以上。如果能最大限度地利用毛坯面，就能最大程度地減少防護(hù)面積甚至不用進(jìn)行防護(hù)，這不失為一種最為科學(xué)和經(jīng)濟(jì)的思路。

根據(jù)上述原則設(shè)計工藝流程：首先只加工需要噴鋅的表面，再對已加工的表面實施熱噴鋅作業(yè)。這時工件除需要噴鋅的表面外，其余各表面均為毛坯狀態(tài)，可完全不用考慮做防護(hù)的問題。待熱噴鋅作業(yè)結(jié)束后，再將毛坯留量轉(zhuǎn)借到其余各非噴鋅表面上，通過機(jī)械加工去除掉，保證圖紙尺寸。以熱噴鋅工序為中心，將總體加工工藝方案設(shè)計成熱噴鋅前的加工和熱噴鋅后的加工兩部分。這是閘盤加工工藝方案采用的創(chuàng)新技術(shù)之一。

在具體實施過程中，如圖1所示的噴鋅表面2可以利用噴砂時鋼砂對工件表面的切削作用來達(dá)到熱噴鋅前所要求的表面質(zhì)量，因此可以不用對噴鋅表面2進(jìn)行機(jī)械加工，降低了生產(chǎn)成本。

由于噴砂設(shè)備的原因，噴砂時鋼砂對外圓無法實現(xiàn)均勻切削，因此圖1所示噴鋅表面1即閘盤大外圓必須采用機(jī)械加工的方法加工完成之后才能進(jìn)行熱噴鋅作業(yè)。

熱噴鋅前加工工藝方案

如圖1所示，閘盤為剖分式結(jié)構(gòu)，是一種典型的兩半式零件。在礦山機(jī)械行業(yè)，很多兩半式零件都會利用各種方法來實現(xiàn)整體加工，比較常見的有：兩半式銅瓦、兩半式端蓋、兩半式軸套等零件均采用整體加工方法。這是因為采用整體加工方案加工兩半零件可以解決斷續(xù)切削及復(fù)雜的夾具裝夾問題，具有提高加工質(zhì)量并降低生產(chǎn)成本的優(yōu)點。

但是整體加工方案的前提是必須先加工完成結(jié)合面，再組成整體進(jìn)行加工。如果先整體加工工件，然后再加工結(jié)合面的話，會使整個零件成為橢圓形狀。

常見的兩半式零件組成整體的方式，可采用在結(jié)合面上采取全部點焊或螺栓聯(lián)接等方式。但是該閘盤直徑為3550 mm，內(nèi)孔直徑2230 mm，結(jié)合面有效長度超過1.3 m，采用將結(jié)合面全部點焊，既不現(xiàn)實又不經(jīng)濟(jì)，且閘盤結(jié)合面上也沒有設(shè)計可供螺栓聯(lián)接的地方。

為解決整體加工的問題，經(jīng)過仔細(xì)研究確定采用的方法為：先加工結(jié)合面，再將兩塊半閘盤已加工的結(jié)合面貼緊、外形對正，如圖2所示，在端面靠近大外圓處焊接工藝焊塊，將兩塊半閘盤焊接成整圓。此方法簡單、快捷、焊接變形小，且工藝焊塊可在車間就地取材，成本較低。這是閘盤加工工藝方案采用的第二個創(chuàng)新技術(shù)。

圖2 工藝焊塊位置

具體的閘盤熱噴鋅前機(jī)械加工工藝方案為：

方法一：如圖1所示，先按圖紙加工完成半閘盤大外圓即噴鋅表面1，再進(jìn)行熱噴鋅工序，這種方法可以稱之為半圓加工法。其優(yōu)點是外圓可按單獨零件加工完成，因為其余部分均為毛坯狀態(tài)，可直接噴砂、熱噴鋅作業(yè)，不用考慮噴砂及噴鋅作業(yè)時的防護(hù)問題，缺點是大外圓的加工屬斷續(xù)切削方式。需要注意的是熱噴鋅工序結(jié)束后需按圖2所示將兩塊半閘盤焊接成整圓再完成后續(xù)加工。

方法二：先加工完成半閘盤的結(jié)合面，然后按圖2所示，用焊塊將兩塊半閘盤焊接成整圓，接著按整體結(jié)構(gòu)加工完成大外圓即噴鋅表面1，之后進(jìn)行熱噴鋅工序，這種方法稱之為整圓加工法。其優(yōu)點是：對大外圓的加工克服了斷續(xù)切削；除結(jié)合面外所有加工面均留有余量，因此不用考慮噴砂及噴鋅作業(yè)1的防護(hù)問題。缺點是：整圓狀態(tài)結(jié)構(gòu)較重，進(jìn)行熱噴鋅工序時起吊、翻轉(zhuǎn)比半閘盤單個零件要困難。

熱噴鋅后加工工藝方案

閘盤的制動面需要具備較高的質(zhì)量才能滿足制動要求，因此如何保證制動面的加工質(zhì)量也是本文的研究重點。

具體的閘盤熱噴鋅工序結(jié)束后機(jī)械加工工藝方案為：

方法一：將已焊接成整圓狀態(tài)的閘盤，在立車工作臺上仍舊使用花盤夾持，用多個壓板均布壓緊并加輔助支撐，將加工留量放到安裝基準(zhǔn)表面，采用粗、精車工序分開的工藝方法完成對閘盤的所有加工，保證圖2所示的閘盤制動面和安裝基準(zhǔn)對內(nèi)孔的全跳動和垂直度公差。由于閘盤制動面的表面粗糙度要求Ra1.6以上，因此精車后需使用專用的拋光裝置拋光制動面，如圖3所示，這種方法稱為單獨加工法。需要注意的是精車前一定要松開壓板來釋放應(yīng)力，減少因加工產(chǎn)生的變形。

方法二：將加工余量放到閘盤安裝基準(zhǔn)面一側(cè)去除，兩制動面不必按圖紙加工到位，只需均勻留加工量，并在其上車削加工20 mm寬的環(huán)形找正帶即可。然后，按圖4所示將閘盤與卷筒裝配到一起，并調(diào)整間隙均勻，再將圖1所示閘盤端面上的聯(lián)接孔與卷筒定位大端面上的定位止口聯(lián)接孔一起鉆削加工，最后用聯(lián)接螺栓將閘盤與卷筒合成一體。

圖3 單獨加工法拋光制動面

以上工序全部完成后，將裝配成一體的工件安裝到立式車床上，按工藝要求找正閘盤端面及已車削的環(huán)形找正帶，以小進(jìn)給量多次走刀的加工方式完成對閘盤制動面的車削加工。車削完成后，同樣使用專用的拋光裝置進(jìn)行拋光，使閘盤制動面達(dá)到表面粗糙度要求。這種方法稱為配合加工法，如圖5所示。

加工結(jié)果及分析

熱噴鋅前加工結(jié)果

熱噴鋅前采用半圓加工法會在兩塊閘盤大外圓接縫處產(chǎn)生0.5～0.6 mm的錯邊量，而采用整圓加工法的兩塊半閘盤在同樣位置僅會產(chǎn)生0.1 mm左右的錯邊量。

錯邊主要有兩個原因：一是采用半圓加工法時，雖然兩塊半閘盤的大外圓均按相同的公差加工完成，但是由于每塊半閘盤是作為單獨零件加工的，屬于斷續(xù)切削方式，加工時會在大外圓接縫處產(chǎn)生較大沖擊，造成的一定的變形；二是在松開花盤和壓板后會在大外圓接縫處產(chǎn)生較大的塑性變形，且加工后采用自然時效時間較短，只能釋放很少的內(nèi)應(yīng)力所致，屬于裝卡造成的變形。

圖4 閘盤與卷筒的裝配形式

圖5 配合加工法在立式車床上加工的情況

該閘盤外圓直徑3550 mm，圖紙標(biāo)注為自由公差，按m級公差為±2 mm，錯邊量符合圖紙要求。

熱噴鋅后加工結(jié)果

將采用單獨加工法加工完成的閘盤，切除工藝焊塊并將焊縫打磨平整，按圖3所示安裝到卷筒上，檢測閘盤端面全跳動的結(jié)果為1.5 mm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于“煤礦機(jī)電設(shè)備完好標(biāo)準(zhǔn)”規(guī)定中閘盤制動端面全跳動量≤0.5 mm的要求。在此情況下，必須對閘盤增加矯正工序才能保證閘盤制動端面全跳動公差要求，大大增加了工作量和生產(chǎn)成本。經(jīng)過對閘盤端面全跳動超差原因分析，認(rèn)為雖然閘盤和卷筒的加工都是在同一臺車床上完工的，但是由于兩種零件是分別獨立加工的，存在找正、測量、裝夾上的誤差和加工內(nèi)應(yīng)力產(chǎn)生的變形。由于閘盤與卷筒定位止口接觸面積較大，任何微小的誤差都會被累積放大，最終造成兩種零件工藝安裝基準(zhǔn)不一致所致。此外，裝配時產(chǎn)生的誤差也加大了跳動量的超差。

將采用配合加工法加工完成的閘盤，割除工藝焊塊并將焊縫打磨平整后從卷筒上拆下，待釋放應(yīng)力后，重新按圖3所示與卷筒安裝到一起，這時檢測閘盤端面全跳動結(jié)果在0.2 mm以內(nèi)，滿足圖紙的要求。

因此，閘盤作為獨立零件加工完成制動面是不能保證最終的裝配要求的。采用配合加工法加工閘盤是創(chuàng)新技術(shù)之三。

結(jié)束語

通過對熱噴鋅閘盤整個加工工藝流程和加工結(jié)果的分析可知：大型兩半式零件采用整圓加工法會獲得更好的加工質(zhì)量和外觀效果；對有裝配要求且形位公差及粗糙度要求較高的的大型零件的加工面，采用裝配成一體的加工工藝方案是保證加工質(zhì)量的較好選擇。

需要說明的是，鍍鋅層表面暴露在戶外一段時間后就會發(fā)生氧化變色，逐漸變成深灰色，因此在機(jī)械加工完成后還需要選擇涂料和聯(lián)合防腐蝕工藝對噴鋅層進(jìn)行第二次涂層封閉防護(hù)。

攝影 錢大益