噴砂工藝在碳纖維設備輥類零件中的應用探討

劉興苗，朱延松，王 娣

（1.連云港鷹游工程技術(shù)研究院有限公司，江蘇 連云港 222000；2.連云港鷹游紡機集團有限公司，江蘇 連云港 222000）

高性能碳纖維具有低質(zhì)量、高強度、高模量、耐高溫、耐腐蝕、抗沖刷和濺射以及良好的可設計性、可復合性等一系列其他材料不可替代的優(yōu)良性能，是火箭、衛(wèi)星、導彈、戰(zhàn)斗機和艦船等尖端武器裝備必不可少的戰(zhàn)略新興材料，被譽為21世紀的“新材料之王”。國內(nèi)的碳纖維研究起步于20世紀70年代，但遲遲未取得明顯進展，長時間停留于實驗室實驗階段。國外在這方面對中國采取完全的技術(shù)封鎖和產(chǎn)品壟斷。中復神鷹碳纖維有限公司從2006年成立之初起，依托江蘇鷹游紡機有限公司逐步形成了年產(chǎn)萬噸碳纖維的生產(chǎn)能力，并實現(xiàn)了從聚合到紡絲再到碳化全套裝備的國產(chǎn)化。

在研制碳纖維設備初期，相關(guān)設備的很多零件和工藝方法都是在不斷摸索中產(chǎn)生的。碳纖維的制造要點是細旦化、細晶化和均質(zhì)化以及生產(chǎn)全過程的環(huán)境潔凈化[1]。實現(xiàn)細旦化最重要的工序就是牽伸，涉及眾多牽拉絲束的輥類零件，雖然成品碳纖維強度是鋼的7~10倍，密度是鋼的1/4，但每一根絲的粗細程度只有頭發(fā)絲的1/20，絲束在沒真正成型之前非常脆弱，特別是初生態(tài)原絲。經(jīng)過傳統(tǒng)表面處理的鏡面輥雖然在牽伸過程中不會損傷到纖維，但由于絲束與輥面的附著力強，絲束中極少量的游離絲會吸附在輥面上，一旦不能被及時帶走，就會纏繞在輥體上，進而導致正常的絲束纏繞到輥面上，形成“纏絲”現(xiàn)象，若不能及時發(fā)現(xiàn)和清理，則會形成斷絲，嚴重時會導致停車，進而影響生產(chǎn)。因此，需要找到一種輥體表面處理方法，減小絲束在牽伸過程中與輥面間的摩擦力及附著力，避免上述不良現(xiàn)象。

1 噴砂工藝

噴砂是一種處理工件表面的工藝，采用壓縮空氣為動力，形成高速噴射束，將噴料（銅礦砂、石英砂、金剛砂、鐵砂、海砂）高速噴射到需處理工件表面，使工件表面的外表或形狀發(fā)生變化[2]。由于磨料對工件表面的沖擊和切削作用，工件的表面獲得一定的清潔度和不同的粗糙度，同時機械性能得到一定程度的改善。通過調(diào)換不同粒度的磨料，達到不同的粗糙度，大大提高了工件與涂料、鍍料的結(jié)合力。機加工件噴砂具有毛刺清理與表面美化作用，噴砂能清理工件表面的微小毛刺，并使工件表面更加平整，消除毛刺的危害，提高工件的檔次。另外，噴砂可以改善零件的機械性能，機械零件經(jīng)噴砂后，表面產(chǎn)生均勻、細微的凹凸面，可隨意實現(xiàn)不同的反光或亞光。

2 制定合理的工藝路線

在設計與制造紡織機械后整理設備類零件的過程中，噴砂設備用于工件表面涂覆前的預處理，用很粗的金剛砂去除零件表面毛刺，為下一道油漆工序作準備。這種處理方式很難應用于碳纖維設備中輥體類設備的噴砂處理，碳纖維設備牽拉絲束的成品輥表面粗糙度（Ra）必須小于等于0.4，牽拉絲束時，要求輥體不能對絲束造成損傷，每一束絲都不能有毛絲出現(xiàn)。應用噴砂這種表面處理方法，對砂料、噴砂前處理、噴砂后處理的要求都很高，因此，從工藝路線、噴砂磨料種類、磨料目數(shù)的選擇等方面進行實驗，找到適合碳纖維輥體類設備的噴砂工藝。

之前的鋼輥類零件工藝路線是磨—拋—電鍍，對于噴砂這道工序放在電鍍前效果好還是電鍍后效果好的問題，專門進行了對比測試。噴料顆粒尺寸與噴砂粗糙度有一定關(guān)系，而噴射磨料的表面粗糙度是由沖擊、切削和沖刷的組合作用引起的?？紤]到成品輥Ra必須小于等于0.4，需選用目數(shù)（指物料的粒度或粗細度，一般是指在1 in×1 in（1 in=2.54 cm）面積內(nèi)的篩網(wǎng)，物料能通過該篩網(wǎng)，篩網(wǎng)的孔數(shù)即定義為目數(shù)）大一點的噴料。根據(jù)以往經(jīng)驗，決定兩種情況均選用500目石英砂為噴料，測試零件為原絲高溫蒸汽牽伸機的鋼制導輥。一種采用磨—拋—電鍍—噴砂工藝，另一種采用磨—拋—噴砂—電鍍工藝，采用前一種工藝方法處理出來的工件，表面容易臟，手一碰一個?。▓D1），用絲束在輥面上牽拉，目測絲束起毛嚴重，效果不如鏡面輥，基本可以否定這種工藝方法。采用后一種工藝處理的成品輥，用絲束在輥面上牽拉，目測基本沒有毛絲產(chǎn)生，實驗初步證明，磨—拋—噴砂—電鍍表面處理的工藝路線基本可行。

圖1 經(jīng)磨—拋—電鍍—噴砂表面處理的鋼導輥

在此基礎上，對鋁導輥進行了同樣的測試，確定了磨—拋—噴砂—硬質(zhì)氧化的輥體加工工藝。

3 確定噴砂磨料

碳纖維設備中輥類零件大部分是不銹鋼輥、碳鋼輥和鋁導輥，用石英砂噴鋁導輥時效果較好，但對于鋼輥和不銹鋼輥，噴出來的效果很差，石英砂的硬度不夠好，因此，必須找到合適的噴料。最后確定采用黑碳化硅，主要是因為碳化硅具有很高的硬度、化學穩(wěn)定性和一定的韌性。對于噴料粒度的選擇，分別用300目、400目、500目、600目進行試制，并測定原絲拉毛等級以評價輥體性能。原絲拉毛等級的測試方法：用東麗T700-12K原絲一端掛400 g重物，另一端手拉或電拉，在輥或輪體表面來回拉10次，通過光線照射，查看原絲起毛狀況，無或少為1級，起毛較多為2級。300目噴砂電鍍后的鋼輥用絲束在輥面上牽拉，絲束有起毛情況，用400目和500目噴砂電鍍后的鋼輥顏色和手感都不錯，用絲束在輥面上牽拉，目測絲束沒有起毛情況。不同材料、不同磨料噴砂測試結(jié)果如表1所示。

表1 輥體原絲拉毛等級測定

在批量成品件投入使用的過程中發(fā)現(xiàn)，還有一些輥體偶爾會出現(xiàn)絲束起毛以及纏繞在輥面上的情況，必須找到問題的根源。在對有問題的輥件進行檢查和分析的過程中發(fā)現(xiàn)，這些輥件的Ra大于0.4，噴砂前道工序（磨—拋）對成品的效果有很大影響。對成品輥Ra的要求是0.4，只有拋光工序結(jié)束后工件的Ra小于0.1，成品輥Ra才能小于等于0.4，經(jīng)過多次試制確定噴砂前工件的表面粗糙度比噴砂后工件的表面粗糙度要高1~2個級別。噴砂電鍍前零件表面粗糙度的高低對零件成品的影響如圖2所示。

圖2 表面粗糙度對比（放大1 600倍）

在分析成品輥的問題時發(fā)現(xiàn)，超過2 m的輥體問題更嚴重，用顯微鏡查看零件表面時發(fā)現(xiàn)，零件表面不均勻分布著細微的凹凸面（圖3），白色的點是凹坑，黑色是零件表面。由圖3可知，噴砂是不均勻的，對成品的使用效果有較大影響。

圖3 零件顯微鏡下的基礎圖式

4 自研自動噴砂機

日常生產(chǎn)和實驗時采用的均是手工噴砂。噴砂時，工人將工件放在軸承臺上，將輥體沿圓周面均分幾個部分，噴完一個部分轉(zhuǎn)動一下輥體，再噴下一部分，直到完成整個輥體輥面的噴砂處理工作。這種方法不但噴射不均勻，而且效率低，工人的工作環(huán)境也不好，會危害工人的身體健康。為了解決噴砂不均勻的問題，可自制噴砂工裝—自動噴砂機。

自動噴砂機的工作原理：輥體隨著主軸做徑向旋轉(zhuǎn)、噴槍做軸向運動，對輥面進行噴砂處理，這樣的處理方式可使輥面噴砂均勻，達到亞光效果，微觀上形成均勻的凹凸面，減小絲與輥面之間的摩擦。噴砂機外圍設計了防塵罩，減輕了噴砂機粉塵污染，噴砂機下面有接砂裝置，可以實現(xiàn)噴料二次利用，大大節(jié)約了生產(chǎn)成本（圖4）。

圖4 自動噴砂機

用自動噴砂機噴過的零件砂粒均勻，成品檢測各項指標均合格，裝到設備上使用，沒有出現(xiàn)絲束纏繞在輥面上的情況，絲束經(jīng)過檢驗，符合各項要求，說明這樣的表面處理方式是可行且有效的。此種噴砂工藝與自動噴砂機結(jié)合起來使用，既保證了產(chǎn)品質(zhì)量，又保證了碳纖維原絲及碳絲的質(zhì)量。

5 結(jié)語

上述噴砂表面處理方法及自動噴砂機在生產(chǎn)碳纖維設備輥類零件的過程中大量使用。采用這種工藝方法加工出來的輥類零件，不僅解決了絲束在牽拉的過程中纏繞在輥面上的情況，還避免了毛絲的產(chǎn)生，較好地保證了碳纖維絲束的質(zhì)量，為生產(chǎn)高質(zhì)量的高強纖維復合材料提供了堅實的基礎，為我國高強纖維復合材料領先世界水平提供了有力的技術(shù)保障。