收割機(jī)車(chē)體前混合磨料水射流除漆的試驗(yàn)研究*

胡光輝，劉力紅，李曉凱，徐 超，楊 帆

(安徽理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，安徽 淮南 232001)

0 引言

隨著農(nóng)業(yè)機(jī)械化的不斷普及，用戶對(duì)收割機(jī)的使用需求日益增加，極大地提高了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率。收割機(jī)外表面有85%以上為涂裝漆面，漆面的外觀、光澤度的優(yōu)劣對(duì)用戶選擇農(nóng)機(jī)有直接的影響，也將影響產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力[1]。收割機(jī)表面零件鍍漆生產(chǎn)線由電泳線和面漆線組成，面漆線的整個(gè)工藝流程包括工件懸掛、噴漆、烘干、檢測(cè)下線。由于受到漆房整潔度、烘干溫度、漆的黏度等方面的影響，工件表面可能出現(xiàn)漆面顆粒多、流掛、桔皮、漆包等缺陷，經(jīng)檢測(cè)后需要進(jìn)行除漆作業(yè)，再做二次鍍漆處理[2，3]。目前收割機(jī)零件外表面除漆方式主要采用氣動(dòng)打磨機(jī)和拋丸機(jī)進(jìn)行作業(yè)[4-6]。氣動(dòng)打磨機(jī)除漆需要頻繁更換打磨砂紙，若壓力控制不當(dāng)易對(duì)工件基面造成損傷，效率低，除漆過(guò)程產(chǎn)生大量粉塵，造成環(huán)境污染，危及施工人員健康；拋丸機(jī)除漆需要嚴(yán)格控制噴丸的速度，防止噴丸速度過(guò)大影響工件基體的平整度，還會(huì)造成極大的噪聲。

本文將前混合磨料水射流除漆技術(shù)應(yīng)用于收割機(jī)車(chē)體零件外表面不良品的漆面處理上，用來(lái)替代漆面氣動(dòng)打磨和拋丸工藝，以提高工件表面的處理速度，有效降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，減少粉塵污染，同時(shí)對(duì)除漆過(guò)程中的水和磨料進(jìn)行回收處理并循環(huán)使用，對(duì)環(huán)境無(wú)任何影響[7]。與純水射流不同，前混合磨料射流在除漆時(shí)需求的壓力更小，而且在除漆過(guò)程中能夠改善零件基面的摩擦因數(shù)，有效增加漆層與基面的附著力。

1 前混合磨料水射流原理

高壓水射流技術(shù)被廣泛用于多種領(lǐng)域，前混合磨料水射流的工作原理是：利用高壓水泵將水加壓，磨料經(jīng)磨料罐與高壓水流在混合腔中混合，混合流體經(jīng)高壓軟管輸送至噴嘴，形成高速磨料水射流，如圖1所示。

2 前混合磨料水射流沖擊作用下收割機(jī)車(chē)體漆面破壞機(jī)理分析

從微觀角度看，漆面粘附在工件表面上，主要是分子間的作用力即范德華力起作用，所以要想清除不良品工件表面的漆層，就要破壞漆面與工件基體的范德華力。

1-高壓水泵；2-混合腔；3-磨料罐；4-砂閥；5-數(shù)控平臺(tái)；6-噴頭

除漆過(guò)程中，噴頭橫向勻速移動(dòng)，高壓水經(jīng)噴頭加速后直接作用于工件表面。高壓射流在漆面上產(chǎn)生射流沖擊壓力和滯止壓力，隨著壓力逐漸加大，高壓水對(duì)工件表面的沖擊力達(dá)到材料破壞力的臨界水平，即破壞漆層與工件基體之間的范德華力，剝離漆層，實(shí)現(xiàn)除漆作業(yè)[8，9]。此過(guò)程中，斷裂強(qiáng)度低于屈服極限，即：

(1)

其中：ε為最大應(yīng)力；t為外載荷作用時(shí)間；σ為破壞強(qiáng)度；ξ為內(nèi)部結(jié)合系數(shù)。

為探究前混合磨料水射流除漆機(jī)理，可將漆層看成整個(gè)材料需要?jiǎng)兂奈⒘?。由于材料存在微觀缺陷、細(xì)小裂紋，受材料本身的結(jié)構(gòu)變化或其他雜質(zhì)的影響，在高壓水射流中混入磨料，對(duì)材料的沖擊破壞力更大，除漆效果也更明顯[10,11]。

在混合射流的作用下，零件漆層受到切削和沖擊作用，造成漆層材料的損傷。漆層首先發(fā)生塑性變形，同時(shí)漆層周?chē)哂猩倭康乃苄宰冃螀^(qū)域，由于表面受到剪切應(yīng)力和壓力的共同作用， 漆層在這兩種變形區(qū)域受到的壓應(yīng)力變?yōu)槔瓚?yīng)力。拉應(yīng)力不斷增大，漆層產(chǎn)生縱向裂紋?？v向裂紋擴(kuò)大，應(yīng)力釋放，彈性變形逐漸消散，在兩種變形的交界處會(huì)產(chǎn)生橫向裂紋，其臨界載荷為：

(2)

其中 ：ξs為無(wú)量綱系數(shù)，與裂紋剝離角度和形狀有關(guān)；Kc為材料斷裂韌度；H為漆層的彈性模量；E為工件材料的彈性模量。

隨著橫向裂紋的不斷伸展，漆層材料剝落直至完全清除。

3 前混合磨料水射流收割機(jī)車(chē)體除漆試驗(yàn)

試驗(yàn)工件由九方泰和國(guó)際重工有限公司提供，將工件切割成210 mm×170 mm規(guī)格的樣件。將樣件固定在試驗(yàn)臺(tái)上并設(shè)置射流的參數(shù)，即可進(jìn)行除漆試驗(yàn)。

本試驗(yàn)依托安徽理工大學(xué)高壓水射流實(shí)驗(yàn)室的高壓前混合磨料水射流試驗(yàn)平臺(tái)(如圖2所示)進(jìn)行，其性能參數(shù)見(jiàn)表1。

圖2 前混合磨料射流試驗(yàn)平臺(tái)

表1 前混合磨料射流除漆參數(shù)

3.1 試驗(yàn)效果評(píng)定

試驗(yàn)效果評(píng)定應(yīng)同時(shí)考慮除漆質(zhì)量與除漆效率，在保證不損害工件基體的情況下除漆并保證除漆效率[12]?？捎脝挝粫r(shí)間內(nèi)漆層的清除面積代表除漆效率，未清除部分占預(yù)清除部分的百分比代表除漆質(zhì)量，百分比越低，除漆質(zhì)量越高，反之除漆質(zhì)量越低。首先獲取除漆樣件的照片，然后用MATLAB進(jìn)行二值化處理，繼續(xù)分析黑白像素點(diǎn)比例可計(jì)算出清除面積，如圖3、圖4所示。

圖3 漆層清洗后圖像

圖4 二值化處理后圖像

3.2 正交試驗(yàn)

前混合磨料水射流系統(tǒng)可研究的參數(shù)變量較多，為了更好地說(shuō)明情況，本文主要選擇噴頭橫移速度、磨料濃度、壓力和靶距為試驗(yàn)因素。每個(gè)因素取3個(gè)水平，設(shè)計(jì)的正交試驗(yàn)因素水平表見(jiàn)表2。

表2 正交試驗(yàn)因素水平表

當(dāng)射流沖擊角度為30°時(shí)，水射流沖擊零件表面不會(huì)出現(xiàn)明顯的濺射現(xiàn)象，射流作用在零件漆層，法向應(yīng)力和切向應(yīng)力共同作用，射流具有更大的能量，除漆效率更高。如果偏射角度過(guò)大，射流能量在漆面切向損失過(guò)多，所以以射流沖擊角30°為設(shè)定參數(shù)。

本試驗(yàn)為四因素三水平正交試驗(yàn)，通過(guò)查詢正交試驗(yàn)表，可選擇三水平正交表L9(34)進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)，即通過(guò)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)后需經(jīng)過(guò)9次試驗(yàn)才能得到試驗(yàn)結(jié)果。根據(jù)選定的試驗(yàn)影響因素、因素參數(shù)水平和正交試驗(yàn)表得到的正交試驗(yàn)與結(jié)果見(jiàn)表3。用單位時(shí)間內(nèi)的除漆面積作為效率指標(biāo)，用Kj(j=1,2,3)代表各因素相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果的疊加，根據(jù)Kj值求極差R，極差的大小可用于判斷各影響因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響程度。

表3 正交試驗(yàn)與結(jié)果

通過(guò)正交極差分析，得出以下結(jié)論:在4個(gè)影響因素中，壓力因素的極差最大，為17.916；噴頭橫移速度的極差次之，為8.501；磨料濃度和靶距的極差依次減小，分別為3.090和2.536。說(shuō)明本試驗(yàn)中，壓力對(duì)前混合磨料射流除漆效果影響最大，在實(shí)際工作中如果除漆效果不好，應(yīng)首先考慮改變射流壓力以改善除漆效果。

除漆后的樣件經(jīng)檢測(cè)機(jī)檢驗(yàn)，樣件表面達(dá)到國(guó)標(biāo)GB8923-2011中Sa2.5標(biāo)準(zhǔn)，有效清除范圍內(nèi)，樣件表面無(wú)可見(jiàn)的涂層，除漆效果顯著。

根據(jù)試驗(yàn)綜合得出，除漆壓力約為9 MPa、噴頭的橫移速度為900 mm/min、磨料濃度為25%，除漆靶距為70 mm時(shí)，零件的除漆效果最好。另外，在完成除漆作業(yè)后，車(chē)體零件應(yīng)及時(shí)烘干除塵，二次涂漆，避免長(zhǎng)期放置致使零件基體生銹，影響再次的涂漆作業(yè)。

4 結(jié)論

(1) 基于對(duì)現(xiàn)有收割機(jī)車(chē)體外表面零件除漆技術(shù)問(wèn)題的分析結(jié)果，結(jié)合前混合磨料水射流對(duì)收割機(jī)外表面加工零件漆層清除的正交試驗(yàn)，得出不同壓力、靶距、噴頭橫移速度和磨料濃度組合時(shí)的除漆效率。影響除漆效率的因素依次為壓力、噴頭橫移速度、磨料濃度和靶距。

(2) 本試驗(yàn)僅考慮了噴頭橫移速度、壓力、磨料濃度和靶距對(duì)除漆效果的影響，實(shí)際上影響除漆效果的因素還有磨料的目數(shù)、噴頭的直徑與選型和射流偏射角度等，因此需要對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步試驗(yàn)研究。

(3) 本文采用前混合磨料射流清洗方法進(jìn)行收割機(jī)外表面零件的除漆，其最顯著的特點(diǎn)是非接觸式冷清除，除漆后漆面光潔均勻、無(wú)凹坑，不像使用氣動(dòng)打磨機(jī)打磨用力過(guò)大容易在基體留下砂紙打磨痕跡，且能有效提高除漆效率，值得推廣。