正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)在高精度角度傳感器粉末涂敷中的應(yīng)用

易科勝，潘忠誠(chéng)，任 武，左 佳，張子富

(北京航天控制儀器研究所，北京 100039)

0 引言

傳統(tǒng)的三浮慣性儀表高精度角度傳感器鐵芯絕緣方式包括：1)在鐵芯端面粘接絕緣端片、槽內(nèi)放置絕緣薄膜及槽底安裝絕緣槽楔；2)鐵芯端面及槽內(nèi)表面涂絕緣漆代替絕緣薄膜及絕緣膠帶[1-3]。傳統(tǒng)鐵芯絕緣方式存在棱邊露出、漆膜厚度不均等問題，易產(chǎn)生絕緣薄弱環(huán)節(jié)，無法從根本上保證產(chǎn)品的絕緣可靠性。

二十世紀(jì)六七十年代開發(fā)出了粉末涂敷新工藝，粉末涂料由樹脂、顏料、填料、固化劑和添加劑等成份組成[4]。粉末涂料高溫加熱后能熔化成液態(tài)，在物體表面形成一層附著牢固、堅(jiān)韌、光滑的高分子樹脂涂層[5-6]，該涂層具有附著力好、光滑、邊角覆蓋率高等優(yōu)點(diǎn)。粉末涂敷具有不污染大氣和水源、材料利用率高、經(jīng)濟(jì)性好的優(yōu)點(diǎn)[7]，在絕緣應(yīng)用領(lǐng)域能從根本上保證鐵芯的絕緣性能，因此得到了許多國(guó)家的重視，其應(yīng)用越來越廣泛。

目前，國(guó)內(nèi)外應(yīng)用最廣泛的涂敷工藝主要有流化床涂敷和靜電涂敷[8-9]。從國(guó)內(nèi)外應(yīng)用現(xiàn)狀分析，靜電涂敷粉末飛揚(yáng)大、涂敷速度慢，絕緣涂層均勻性差；相比而言，流化床涂敷工藝速度快，絕緣涂層均勻性、質(zhì)量可靠性相對(duì)較高。國(guó)內(nèi)外主要廠家無論是應(yīng)用流化床涂敷還是靜電涂敷，涂敷出的產(chǎn)品涂層厚度范圍寬、一致性較差，對(duì)涂敷工藝參數(shù)未有詳細(xì)介紹或只是簡(jiǎn)單地進(jìn)行定性分析，或簡(jiǎn)單地進(jìn)行工藝試驗(yàn)將涂敷層涂上即可，且涂敷出的產(chǎn)品表面外觀不一，難以應(yīng)用于對(duì)涂層厚度要求一致性高的場(chǎng)合。針對(duì)國(guó)內(nèi)外主要廠家現(xiàn)有涂敷工藝難以應(yīng)用于高精度角度傳感器的現(xiàn)狀，通過采用科學(xué)的正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，進(jìn)一步定量確定了涂敷工藝參數(shù)，滿足了高精度角度傳感器對(duì)涂層厚度的要求。

1 粉末熱浸涂敷設(shè)備及工藝

在粉末涂敷工藝中，流化床法仍占相當(dāng)大的比重[10]。流化床熱浸涂敷的主要設(shè)備是流化床，包括了氣室、微孔隔板、流化槽、干燥空氣進(jìn)氣口等，如圖1所示。其中，h1和h2分別為流化前后的粉末料位。將凈化的壓縮空氣輸入至氣室，使氣體在粉末的容器底部截面上均勻分布。其中的關(guān)鍵部件是微孔隔板，它可以讓干燥潔凈的氣流通過并使氣流變得均勻，利用此氣流使料槽中的粉末懸浮和流化，使粉末像液體一樣流動(dòng)。

圖1 流化床示意圖Fig.1 Schematic diagram of fluidized bed

粉末熱浸涂敷的主要工藝過程如圖2所示。

圖2 粉末熱浸涂敷的主要工藝流程Fig.2 Main technologicalprocess of powder hot dip coating

1)表面清洗：目的在于提高鐵芯金屬表面與涂敷層間的粘接力，表面處理的好壞將直接影響涂敷層的質(zhì)量和壽命，清洗后鐵芯表面應(yīng)潔凈。將定子鐵芯放入燒杯中，倒入適量120＃汽油，并采用超聲波清洗機(jī)進(jìn)行清洗，清洗后將定子鐵芯吹干。

2)蔽覆：鐵芯某些部位不需要噴涂涂敷層，預(yù)熱前用防護(hù)工裝或其它蔽覆物進(jìn)行遮蓋，避免不需要涂敷的部位涂上涂敷層。

3)鐵芯預(yù)熱：在一定高溫下，涂敷粉末中的各成份交鏈成大分子網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)形成平整的硬化涂層，鐵芯預(yù)熱溫度應(yīng)高于涂敷粉末的熔融溫度，其具體合適的預(yù)熱溫度及時(shí)間需根據(jù)鐵芯大小、厚薄而定。對(duì)于表面積大的薄壁鐵芯，出箱后熱量容易散失，預(yù)熱溫度應(yīng)適當(dāng)提高，預(yù)熱時(shí)間應(yīng)適當(dāng)延長(zhǎng)。

4)浸涂：將預(yù)熱后的鐵芯工件浸入到硫化床處于流化狀態(tài)的粉末中，粉末受熱熔化，黏附在工件表面形成一定厚度的涂敷層。

5)后固化：熱浸后涂敷層基本已固化粘接在鐵芯表面，通過后固化處理進(jìn)行充分固化，進(jìn)一步增加涂敷層與鐵芯基體之間的結(jié)合力。

6)清理：由于防護(hù)工裝及蔽覆物的存在，其與鐵芯的結(jié)合部位不可避免地存在一定的毛邊、毛刺、多余涂敷層現(xiàn)象，需將其進(jìn)行清理，保證平整。

2 影響涂層厚度因素的定性分析

采用流化床涂敷工藝，影響涂敷層厚度的因素較多，主要有：氣壓(kPa)、預(yù)熱溫度(℃)、預(yù)熱時(shí)間(min)和熱浸時(shí)間(s)。

1)氣壓：氣壓大小影響流化床中粉末的流化狀態(tài)，氣壓過大會(huì)引起粉末流化沸騰，導(dǎo)致粉末流出流化床，大量飄浮于大氣；氣壓過小會(huì)使粉末無法成流化狀態(tài)，導(dǎo)致流動(dòng)性不足，兩種情況均會(huì)影響涂敷層的厚度及均勻性。

2)預(yù)熱溫度：預(yù)熱溫度是流化床熱浸涂敷較為重要的工藝參數(shù)，其不僅影響到涂敷層的厚度，而且溫度過高會(huì)引起絕緣粉末熱分解，導(dǎo)致絕緣粉末變質(zhì)。

3)預(yù)熱時(shí)間：預(yù)熱時(shí)間長(zhǎng)短與鐵芯本身的材料特性及幾何形狀結(jié)構(gòu)相關(guān)，材料不同其比熱不同，幾何形狀不同其表面積不同，單位表面積吸收或放出的熱量也不同，一般熱容量大的鐵芯預(yù)熱時(shí)間應(yīng)適當(dāng)延長(zhǎng)。

圖3 高精度角度傳感器鐵芯及線圈組件結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Structure diagram of iron core and coilpacks of high-precision angle sensor

4)熱浸時(shí)間：熱浸時(shí)間與涂敷層的厚度有直接關(guān)系，涂敷層的厚度隨熱浸時(shí)間而變厚，但并不是線性關(guān)系——因達(dá)到一定時(shí)間后，鐵芯溫度下降至粉末熔融溫度以下時(shí)，便不再黏附在鐵芯表面，涂敷層厚度就不再增加。

3 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)定量確定工藝參數(shù)

對(duì)于三浮慣性儀表高精度角度傳感器鐵芯的絕緣涂敷，如圖3所示，端面及磁極的涂敷層厚度是重要的工藝參數(shù)指標(biāo)，涂敷層太薄(＜0.10mm)會(huì)影響產(chǎn)品的絕緣性能，降低了絕緣可靠性；涂敷層太厚(＞0.30mm)會(huì)影響線圈的下線，甚至導(dǎo)致線圈無法裝入鐵芯磁極。

為保證高精度角度傳感器線圈與鐵芯之間的絕緣性能，同時(shí)保證裝配的可操作性，要求鐵芯絕緣涂敷層厚度為0.15mm～0.20mm，且要求涂敷層均勻、平整。為定量確定最佳工藝參數(shù)，本文采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法。

正交試驗(yàn)法也稱正交設(shè)計(jì)，它是用來科學(xué)地設(shè)計(jì)多因素試驗(yàn)的一種方法，實(shí)現(xiàn)了因素和水平的均勻分散性和整齊可比性，極大地減少了試驗(yàn)次數(shù)，其試驗(yàn)結(jié)果具有科學(xué)的結(jié)論[11-12]。

(1)確定正交試驗(yàn)因素及因素水平

熱浸涂敷法考察氣壓、預(yù)熱溫度、預(yù)熱時(shí)間和熱浸時(shí)間對(duì)涂敷層厚度的影響，每個(gè)因素取四個(gè)水平，其影響因素及因素水平取值如表1所示。

表1 熱浸涂敷正交試驗(yàn)影響因素及因素水平取值Table 1 Influencing factors and factor levelvalues of orthogonalexperiment for hot dip coating

(2)確定正交試驗(yàn)方案

根據(jù)試驗(yàn)中各因素的水平數(shù)確定一個(gè)抽樣均衡的正交表，選用標(biāo)準(zhǔn)正交表L16(45)設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)，其能容納五因素四水平的試驗(yàn)。利用標(biāo)準(zhǔn)正交表L16(45)的前四列，其設(shè)計(jì)方案及結(jié)果如表2所示。

表2 熱浸涂敷正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案及結(jié)果Table 2 Design scheme and results of orthogonalexperiment for hot dip coating

(3)試驗(yàn)結(jié)果的極差分析

極差(R)為某個(gè)因素各個(gè)水平所得試驗(yàn)結(jié)果平均值的最大值與最小值之差， 即R＝max(ˉTi)－min(ˉTi)。 極差分析表是鑒別各因素主次的依據(jù)，正交試驗(yàn)結(jié)果極差分析如表3所示，極差(R)的大小可衡量因素的主次：極差大，表明此因素對(duì)試驗(yàn)的產(chǎn)生與結(jié)果影響大，即此因素重要；反之，此因素較次要。

表3 各因素對(duì)涂敷層厚度影響的正交試驗(yàn)結(jié)果極差分析(單位：mm)Table 3 Range analysis of orthogonalexperiment results of influence of various factors on coating thickness

從極差的計(jì)算結(jié)果可以看出，氣壓和預(yù)熱時(shí)間對(duì)涂敷層厚度的影響較小，影響最大的是預(yù)熱溫度，其次是熱浸時(shí)間。

將計(jì)算結(jié)果與各因素水平的變化繪制成圖4所示的關(guān)系圖，可以進(jìn)一步看出各因素水平變化對(duì)涂敷層厚度的影響趨勢(shì)。

圖4 各因素水平變化對(duì)正交試驗(yàn)結(jié)果影響趨勢(shì)Fig.4 Influencetrend of factors levelchange on orthogonal experiment results

因?qū)嶋H氣壓表讀數(shù)、烘箱溫度均勻性等存在一定的偏差，相應(yīng)的工藝參數(shù)為在設(shè)定值一定范圍內(nèi)的變化值，根據(jù)表2的試驗(yàn)結(jié)果得出較好的涂敷工藝參數(shù)：1)氣壓4kPa±0.1kPa、預(yù)熱溫度200℃±3℃、預(yù)熱時(shí)間15min±0.25min、熱浸時(shí)間4 s～5 s；2)氣壓4 kPa±0.1 kPa、預(yù)熱溫度240℃±3℃、預(yù)熱時(shí)間45min±0.25min、熱浸時(shí)間2s～3s。但從涂敷層的外觀質(zhì)量考察，預(yù)熱溫度為200℃±3℃時(shí)的涂敷層流平性不是很好，表面存在橘皮、褶皺等現(xiàn)象，如圖5(a)所示；而240℃±3℃時(shí)的流平性非常好，表面平整、光滑，如圖5(b)所示。因此，較好的涂敷工藝參數(shù)應(yīng)為：氣壓4kPa±0.1kPa、預(yù)熱溫度240℃±3℃、預(yù)熱時(shí)間45min±0.25min、熱浸時(shí)間2s～3s。

圖5 高精度角度傳感器粉末涂敷表面對(duì)比Fig.5 Comparison of high-precision angle sensor powder coated surface

4 涂敷層性能檢測(cè)

(1)絕緣性能檢測(cè)

涂敷層絕緣性能及耐壓性能均通過定子綜合測(cè)試儀在圓周方向均勻取8個(gè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試，涂敷層與鐵芯基體之間施加500V直流電，絕緣電阻均遠(yuǎn)大于500MΩ(0.5GΩ)，具體數(shù)據(jù)如表4所示；涂敷層與鐵芯基體之間施加600V、50Hz、0.6KVA的交流電壓作用1min，涂敷層不出現(xiàn)火花、飛弧、擊穿現(xiàn)象，均通過耐壓性能檢測(cè)，且漏電流遠(yuǎn)小于2mA，具體數(shù)據(jù)也如表4所示。

表4 絕緣電阻值及漏電流大小Table 4 Data of insulation resistance and leakage current

(2)耐高低溫沖擊性能檢測(cè)

高低溫溫循試驗(yàn)條件：－40℃～+120℃，共循環(huán)20次，升降溫速率為5℃／min～10℃／min，高低溫各保溫1h，高溫后隨爐冷至常溫。在經(jīng)歷高低溫沖擊試驗(yàn)后，涂敷層均未出現(xiàn)斷裂、剝落或缺失等現(xiàn)象，試驗(yàn)前后涂敷層表面外觀質(zhì)量無明顯變化，如圖6所示，說明涂敷層在交變溫度沖擊作用下性能穩(wěn)定，涂敷效果好。

圖6 高低溫沖擊試驗(yàn)前后涂敷層表面外觀質(zhì)量對(duì)比Fig.6 Comparison of coating surface appearance quality before and after high and low temperature impact test

(3)附著力性能檢測(cè)

利用劃網(wǎng)格法對(duì)涂敷層進(jìn)行附著力測(cè)試，如圖7所示。所用樣品為熱浸涂敷后的單層1J95疊片，涂層厚度約為0.20mm。經(jīng)評(píng)定，涂層附著力為1級(jí)，在切口交叉處涂層有極少許薄片分離，但影響區(qū)域很小，滿足高精度角度傳感器對(duì)涂敷層附著力的要求。

圖7 劃網(wǎng)格法對(duì)涂層進(jìn)行附著力測(cè)試Fig.7 Adhesion test of coating by grid method

依據(jù)《GB／T 1732-93漆膜耐沖擊測(cè)定法》[13]以及參照鋼板沖擊試驗(yàn)方法[14]，重錘質(zhì)量為1kg，沖擊球頭直徑為3mm，以3cm高度自由落體沖擊鐵芯涂敷層，如圖8所示，涂層未出現(xiàn)剝落、破損等現(xiàn)象，涂層附著力滿足要求。

圖8 力沖擊法對(duì)涂層進(jìn)行附著力測(cè)試Fig.8 Adhesion test of coating by force impact method

5 結(jié)論

本文首先介紹了粉末熱浸涂敷設(shè)備及涂敷工藝，依次定性分析了氣壓大小、預(yù)熱溫度、預(yù)熱時(shí)間、熱浸時(shí)間對(duì)高精度角度傳感器鐵芯涂敷層厚度的影響，再通過設(shè)計(jì)四因素四水平的正交試驗(yàn)定量?jī)?yōu)化確定涂敷工藝參數(shù)：對(duì)于外徑約為Φ40mm、厚度約為4mm的鐵芯，其較好的涂敷工藝參數(shù)為氣壓4kPa±0.1kPa、預(yù)熱溫度240℃±3℃、預(yù)熱時(shí)間45min±0.25min、熱浸時(shí)間2s～3s。根據(jù)正交試驗(yàn)結(jié)果的極差分析，得出影響涂敷層厚度最大的因素是預(yù)熱溫度，其次是熱浸時(shí)間，氣壓大小和預(yù)熱時(shí)間的影響較小。最后，通過對(duì)涂敷層的各項(xiàng)性能檢測(cè)，驗(yàn)證了涂敷層滿足各項(xiàng)性能指標(biāo)要求，實(shí)現(xiàn)了高精度角度傳感器粉末涂敷工藝參數(shù)優(yōu)化與研究。