一.噴拋丸技術概述
噴拋丸(砂)技術分拋丸、噴丸(砂)技術，也有些行業(yè)稱噴砂、吹砂、噴珠、噴彈等，最早用于鑄造、鍛造件等粘砂和氧化皮等的去除。拋丸是利用高速旋轉的葉輪把丸砂拋擲出去高速撞擊零件表面，達到表面處理的要求，丸砂速度一般在50～lOOnds。噴丸(砂)是以壓縮空氣帶動丸砂通過專門工具(一般包括噴丸器和噴槍)，高速噴射于零件表面，利用丸砂的沖擊和摩擦作用，達到表面處理要求，丸砂速度一般在30～50m／s。上世紀30年代美國維爾貝萊特(wheelabrator)公司在世界上制成第一臺拋丸機。中國的噴拋丸設備生產始于上世紀50年代，主要是仿前蘇聯技術。60年代初，青島機械廠設計生產了一臺Q31 lO滾筒式拋丸清理機，標志著中國噴拋丸技術與裝備從純仿制到可自行開發(fā)和制造的轉變，中國也開始有噴拋丸設備專業(yè)生產廠家。
多年來噴拋丸技術與裝備日臻完善，性能不斷提高，應用范圍從單純的鑄造業(yè)的表面清理擴大到冶金礦山、機械制造、汽車拖拉機、兵器制造、輕紡機械、船舶車輛、航空宇航等不同行業(yè)，其工藝范圍亦從鑄鍛件的表面清理擴展到金屬結構件的強化、表面加工、噴拋丸成形等不同的領域。隨著噴拋丸工藝的廣泛應用，至今世界上已經發(fā)展了適應各種不同工藝要求的噴拋丸設備上千種規(guī)格品種，反過來噴拋丸設備的發(fā)展又促進了噴拋丸技術的發(fā)展，擴展了噴拋丸工藝的應用。
磨料(彈丸或丸砂)是噴拋丸工藝中使用的介質，根據形狀、大小、硬度、材料等分成很多類別，根據不同的噴拋丸工藝要求選用，其質量高低也影響了噴拋丸質量,。故磨料也是噴拋丸技術不可或缺的組成部分，與噴拋丸設備一起構成了噴拋丸技術。磨料為鋼或鐵質等金屬材料的拋射一般稱為噴拋丸，磨料為石英砂、鋼砂等拋射一般稱為噴砂。
二.噴拋丸技術應用范圍
2.1 金屬表面的清理
2.1.1 各種鑄件的表面清理
噴拋丸設備首先應用于鑄造業(yè)鑄鋼、鑄鐵件的表面粘砂及氧化皮的清除。幾乎所有的鑄鋼件、灰鑄件、瑪鋼件、球鐵件等都要進行噴拋丸處理。這不僅是為了清除鑄件表面氧化皮和粘砂，同時也是鑄件質量檢查前不可缺少的準備工序，比如大型氣輪機機殼在進行無損探傷以前必須進行嚴格的噴拋丸清理，以保證探傷結果的可靠性。在一般鑄件生產中，噴拋丸清理是發(fā)現鑄件表面缺陷如皮下氣孔、渣孔以及貼砂、冷隔、起皮等的必不可少的工藝手段。有色金屬鑄件，如鋁合金、銅合金等的表面清理，除清除氧化皮、發(fā)現鑄件的表面缺陷外，更主要的目的是以噴拋丸來清除壓鑄件的毛刺和獲得具有裝潢意義的表面質量，獲得綜合效果。
2.1.2 各種鍛件及熱處理件的噴拋丸清理
多數金屬工件在鍛造熱處理加熱中會產生表面氧化，這層氧化鱗皮對零件的化學涂層除銹有嚴重的破壞作用，需要噴拋丸清理。對需要切削加工的零件而言，清除氧化皮是減少刀具磨損、提高切削刀具使用壽命、保持機床精度、控制鍛坯尺寸以獲得最佳切削狀態(tài)的必要條件。對自動加工機床這一點更顯得重要。經最終熱處理的工件進行噴拋丸可以獲得清除氧化皮和強化工件的綜合效果。幾乎絕大多數汽車、拖拉機等車輛的齒輪要進行熱處理后的噴拋丸處理。
2.1.3 冶金鋼鐵生產工藝應用
冶金鋼鐵生產中，噴拋丸一酸洗是保證鋼鐵大量生產中獲得高生產率而采用的機械一化學聯合去除磷皮的種工藝方法。硅鋼片、不銹鋼薄板等其他合金鋼板、帶的生產中，在冷軋工序過程中必須進行退火一噴拋丸一酸洗處理，以保證冷軋鋼板的表面粗糙度及厚度精度。
▲鋼管噴丸機設備
2.1.4 鋼板、型鋼以及鋼結構件的表面噴拋丸清理
在重型機器、礦山機械、船舶、車輛制造及各種高中壓容器、鍋爐制造業(yè)中，為使機器獲得最佳的表面質量和防銹功能，對其原材料鋼板、各種型鋼等必須進行噴拋丸除銹、噴漆，一般稱為預處理。預處理后金屬表面的氧化皮被清除，給以后工序特別是數控自動氣切割及各種自動焊接提供了良好的表面準備，因為金屬表面有氧化皮的情況下，自動氣割及自動焊接的工藝質量難以保證。另外，鋼結構經沖壓或焊接成型，在進行涂漆以前，要進行整體鋼結構的表面噴拋丸除銹，一般稱為后處理。這種噴拋丸設備一般是大型、專用的，是針對特定被清理的鋼結構設計的，如火車整體車廂、大型集裝箱的噴拋丸清理即屬于這種類型。以上所述均為以清除金屬表面氧化皮為主要目的，其噴拋丸工藝多采用白鑄鐵彈丸或是中等硬度的鑄鋼彈丸，對彈丸的形狀及粒度要求不甚嚴格。鑄鍛件的噴拋丸清理，為獲得較高的噴拋丸清理效率，般采用較大粒度的彈丸，冶金鋼珠生產中的不銹鋼板硅鋼片的噴拋丸清理則常采用較細粒度的彈丸。
2.2 金屬工件的強化—提高疲勞強度
根據現代金屬強度理論，增加金屬內部的位錯密度，是提高金屬強度的主要方向。實踐證明噴拋丸是增加金屬位錯結構的行之有效的工藝方法。這對一些金屬不能通過相變硬化(如馬氏體淬火等)或實現相變硬化的基礎上而要求再進一步強化的工件而言，更具有十分重要的意義。航空、宇航工業(yè)、汽車、拖拉機等零部件要求輕質化，但可靠性要求越來越高，其重要工藝措施就是采用噴拋丸工藝提高構件的強度和疲勞強度。
2.2.1 彈簧噴拋丸強化
彈簧等零部件經各種熱處理工藝，仍不能滿足負載對工件的要求，在這種情況下，再進行噴拋丸強化可以得到十分顯著的效果。實驗證明高速發(fā)動機的氣門彈簧的疲勞斷裂壽命，經噴拋丸強化可以由十萬次提高到百萬次以上，汽車的主負載板簧經噴拋丸強化疲勞強度也能成倍提高。目前高負荷彈簧均采用噴拋丸強化來進一步提高疲勞強度。
2.2.2 連桿、扭桿、齒輪等零部件的噴拋丸強化
汽車、拖拉機發(fā)動機連桿、齒輪及扭桿等零部件由于受結構尺寸限制制造過程中雖然經過熱處理其材料力學性能有很大改善，但在運行中仍不能保證其疲勞壽命高于發(fā)動機或車輛的整體壽命，因而這些零部件經常因為疲勞失效引起整機破壞性事件。所以這些零部件已普遍采用噴拋丸工藝進行強化，提高其疲勞壽命。噴拋丸強度化工藝已經成為目前汽車、拖拉機、發(fā)動機制造業(yè)中必不可少的制造工藝，也是最有效、最經濟的工藝方法。
2.2.3諸此應用在航空、宇航業(yè)等起升支架、螺旋槳等關鍵部件都進行嚴格的噴拋丸強化。
2.3表面加工
噴拋丸技術已經遠遠超出了鑄造行業(yè)等金屬表面噴拋丸清理的范圍，而發(fā)展成為金屬表面加工的主要工藝方法之一，與磨削、拋光等躋身于金屬表面加工技術行列，并有磨削、拋光所不及的工藝特點。
2.3.1刀具刃具的表面強化
鉆頭，絲錐，成型銑刀、滾刀、絞刀等熱處理以后進行噴拋丸來提高工件疲勞強度，清除熱處理氧化層，獲得裝飾性噴拋表面的綜合效果。以強化工具刃具為主要目的噴拋丸所用的彈丸要求較高的硬度；而經馬氏體淬火的刀具刃具往往采用石英砂、氧化鋁等高硬度彈丸，這些彈丸的粒度也較表面清理用的細小。
2.3.2為獲得金屬光潔表面的噴拋丸加工
在某些情況下，為獲得窄細溝槽的光潔表面，采用磨削因受砂輪外形尖銳度的限制，往往顯得無能為力或者費用很高，在這種情況下采用細小彈丸來拋射工件，則可達到比較理想的效果。
2.3.3獲得一定金屬表面毛糙度的噴拋丸加工
在鋼鐵制造業(yè)中，一些薄板的表面有一定的特殊要求，如制造搪瓷制品的鋼板、熱鍍鋁板、不銹鋼板等，為利于涂層與基體金屬的結合，要求金屬具有定的毛糙度來增加其附著力或亞光效果。獲得毛糙度有兩種方法，一是采用具有一定毛糙度的精軋輥進行軋制，二是直接進行拋、噴射。第一種方法所用的精軋輥要經熱處理淬火硬化得到HS95以上硬度，然后以外圓磨床進行磨削加工，得到一定的軸向鼓形度和Ra0．8的表面粗糙度，然后采用硬度HRC58以上的、形狀為多角形的、粒度經嚴格篩選的彈丸(鋼丸)的拋(噴)射，來獲得要求的毛糙度。這種表面加工技術是上世紀70年代末武漢鋼鐵公司一七口口工程從原西德引進的。這種方法主要是對大型制品或批量生產適用。在單件、小批生產的情況下，可以采用第二種方法，金屬表面一定毛糙度的獲得可以直接用彈丸拋、噴射，而不必以昂貴的軋輥來軋制。
2.3.4 裝飾鍍層的噴拋丸拋光
大量的鍍鉻裝飾件，為獲得光亮奪目的表層，傳統(tǒng)作法是進行布輪拋光，這種拋光勞動條件惡劣，對工人健康危害大，生產效率低。為解決這些問題可以采用拋(噴)丸拋光，拋光用的彈丸亦是含有一定磨料的專用塑料丸。此外，噴拋丸還用來清除細小橡膠制品、塑料制品的毛刺、飛邊，具有較高的生產率，代替手工操作。
2.4噴拋丸成形
噴拋丸成形工藝是將金屬板材料的噴拋丸成形及強化結合起來，已經應用到飛機機翼、機身等薄殼結構的制造中，美國波音飛機采用了噴拋丸成型技術，不僅節(jié)省了大型壓力機，降低了制造費用，同時還提高了薄殼結構的強度和剛度，對改進飛機的負載性能起了重要作用。
2.5 其他方面的應用
噴拋丸技術的應用不僅是上述金屬材料的加工處理，還應用到非金屬的加工中，如剪除各種橡膠制品和塑料制品的毛刺是一件效率低、費人工的操作，現已應用帶有冷凍裝置的噴拋丸設備，將各種橡膠制品低溫冷凍脆化后，在噴拋丸設備中接受彈丸拋、噴射，毛刺很容易被清除。酚醛類塑料制品采用核桃皮制成的彈丸噴射，既可清除毛刺又不破壞其制件的表面粗糙度；變壓器總成后要去掉其上的一些多余線頭或其它不需要的雜物，采用核桃皮制成的彈丸噴射可有效清除。另外在現代化機場、高速公路的養(yǎng)護中，需要對舊水泥地面清刷干凈才能接合新水泥層，采用專用的移動式噴拋丸設備進行地面拋射，得到具有高結合強度的表面，施工效率高，可有效降低工程造價。新型建材，如砌塊，已經采用噴拋丸工藝增加砌塊的表面效果；大理石等石材業(yè)開始采用噴拋丸工藝逐漸代替?zhèn)鹘y(tǒng)的火燒方法，提高成材率和表面光飾效果。有些模具清理或清洗采用了噴拋丸或噴砂，也有采用噴射干冰等工藝。
總之，噴拋丸技術作為一種加工工藝，應用范圍越來越廣泛，已經從鑄造領域脫穎而出滲透到各行各業(yè)中，噴拋丸裝備市場和應用范圍也越來越大、越寬。
三.國內噴拋丸設備生產廠家歷史沿革與現狀分布
3.1 噴拋丸設備生產廠家
上世紀8O年代以前，噴拋丸設備管理劃歸鑄造機械行業(yè)管理，歸口濟南鑄造鍛壓機械研究所，技術標準歸口“全國鑄造機械標準化技術委員會”。濟南鑄造鍛壓機械研究所是鑄造機械和噴拋丸技術與裝備的行業(yè)歸口研究所，成立于1956年，也是國內成立最早的行業(yè)研究所，也是唯一的噴拋丸技術與裝備歸口研究所，研制的多種噴拋丸設備填補國內空白，目前歸屬中國機械工業(yè)集團公司。青島機械公司是國內最早生產噴拋丸設備的專業(yè)廠家，成立于1949年，1954年專業(yè)生產鑄造機械和噴拋丸(砂)設備，是國內噴拋丸設備規(guī)格最為齊全的生產廠家，行政上曾一度劃歸機械工業(yè)部機床工具局管理，技術水平直在國內居領先地位，擁有山東省和青島市級技術中心。
2008年被批準為“全國鑄造機械標準化技術委員會噴拋丸分技術委員會”秘書長單位。上世紀8O年代以前，濟南鑄造鍛壓機械研究所與青島機械廠保持了良好的合作關系，在計劃經濟體制下，很多產品都是聯合開發(fā)。也是當時“產學研”結合的典范，幾乎所有的噴拋丸技術標準都是雙方或聯合編寫的。雙方對拋丸機核心部件——拋丸器也做過專門研究和實驗，雙方合作兩年多，研制出具有自主知識產權的Q3O2系列(Q3o23、Q3o24、Q3o25等)雙圓盤拋丸器，沿用至今。
從上世紀8O年代以后，隨著中國改革開放的深入，噴拋丸技術與裝備發(fā)展非常迅速，很多噴拋丸設備被開發(fā)和研制出來，替代了國外進口，生產廠家也越來越多。逐漸形成了許多噴拋丸生產基地。特別是1987～1990年青島機械廠通過許可證貿易，引進并消化吸收了美國潘邦(PANBORN)公司GN系列(6GN＼15GN＼28GN)履帶式拋丸清理機以及ES1422彈簧拋丸強化機，將中國拋丸技術與裝備水平提高了很大一步。時至今日，GN系列產品仍然是國內履帶式拋丸機市場上比較可靠的產品，由GN系列產品轉化而成的單圓盤拋丸器也是國內拋丸機設備廠家推崇的拋丸器。
山東青島是鑄造機械之鄉(xiāng)，也是國內噴拋丸設備最大的制造基地，噴拋丸制造企業(yè)有30多家，除青島迪砂機械集團公司以外，其它噴拋丸制造企業(yè)主要興起于上世紀80年代以后，集中在青島的市區(qū)、即墨、膠南等地。山東濰坊的諸城也是噴拋丸設備生產基地，有近20家拋丸機制造企業(yè)，興起于上世紀90年代末，噴拋丸制造企業(yè)較多，但規(guī)模都不大，噴拋丸設備年銷售收入大都在3000萬元左右
江蘇無錫市在20世紀90年代后期發(fā)展起來許多噴拋丸設備生產廠家，但規(guī)模都不大，年銷售收入都在3000萬元以下。
江蘇大豐是近年發(fā)展起來的拋丸機設備生產集散地，作坊式工廠較多，價格比較低，生產的產品質量水平也比較低。
總體來說，目前國內拋丸清理機生產廠家研發(fā)能力比較弱，還是以模仿和測繪為主，除幾個比較大的設備生產廠家有自己的研發(fā)機構和研發(fā)人員以外，其它噴拋丸生產廠家技術開發(fā)力量很弱，甚至沒有，靠低成本、低價格生存，這也是目前中國噴拋丸設備技術水平不高也難以提高的主要原因。
3.2 噴砂機(噴丸器)
噴砂機及噴砂房等設備是中船重工所屬企業(yè)和院所上世紀
80年代引進日本技術消化吸收而開發(fā)的，另外還有航空業(yè)所屬企業(yè)和院所致力于噴砂技術的開發(fā)。噴砂機生產廠家主要分布在北京、上海、重慶、廣東東莞等。
3.3 磨料
磨料主要生產廠家有大豐大奇、上海摩根、山東等幾家年銷售收入在千萬元以上，其它磨料生產廠家規(guī)模比較小。
四.噴拋丸裝備市場情況及技術水平
4.1 噴拋丸裝備市場情況
國外高水平噴拋丸設備公司集中在歐美，像美國的潘邦
(PANBORN)公司、丹麥的迪砂(DISA)、日本新東(SINTO)、德國施力克(Schlick)等。與中國其它行業(yè)類似，國外噴拋丸設備公司在中國經歷了合作、引進、合資、獨資等過程。2000年以前以作、引進、合資為主。近年來國外先進噴拋丸設備制造廠家也在中國國內建廠，為了保護知識產權，基本是獨資或控股，像迪砂公司在青島已設立工廠；日本新東公司在國內的合資公司青島新東機械有限公司，其股份已達到95％(另有5％股份屬于青島市機械工業(yè)總公司)。國內噴拋丸設備生產企業(yè)，生產主要噴拋丸設備，約占80％以上是滾筒式、履帶式、轉臺式、臺車式、吊鏈式、輥道通過式及專機，成套成線設備主要是鋼材預處理線，包括上料、預熱、拋丸、噴漆、烘干、卸料等工序；其次為噴砂設備。這些噴拋丸設備主要分布在船舶、汽車、工程機、鐵路、石油管道等行業(yè)。
4．2 噴拋丸裝備技術水平
國內噴拋丸設備技術水平較低，總體達到國外上世紀80年代初期到中期水平。存在的問題是：可靠性差，故障率高；能耗高；作業(yè)環(huán)境差，環(huán)境污染嚴重；操作者素質和技能比較差，存在安全隱患；設備控制水平較低，自動化水平較低；易損備件不過關，壽命大概是國外的1／5不到。發(fā)動機缸體缸蓋機械手自動拋丸清理，基本靠國外進口或國內獨資企業(yè)生產的設備；鋼材預處理線設計、制造和電氣控制水平較低，寬厚板(寬超過5m、厚超過100mm)鋼材預處理線尚靠進口，影響了船舶工業(yè)的發(fā)展；航空航天工業(yè)需要的計算機監(jiān)控強化和成形控制設備，無論是控制軟件還是主要控制元件都要靠國外進口。
拋丸清理機設備核心部件拋丸器定向套調整與檢測，國外已經實現自動在線調整，定向套窗口磨損情況也已實現在線監(jiān)測，而國內此項技術尚未開始研究。彈丸電磁流量閘門尚依靠進口。諸如此類，國內噴拋丸設備無論是在機械結構性能還是在設備控制、監(jiān)測等方面與國外先進技術相比都存在較大差距。
五.對中國噴拋丸技術與裝備的思考
綜上所述，我國在拋丸機技術與裝備方面與國外先進水平相比差距是非常明顯的，主要原因：
1.是我國由于機械工業(yè)整體設計與制造水平較低，影響了噴拋丸設備的水平。如噴拋丸設備主要的耐磨材料，耐磨鑄鐵制造水平大概與國外1970年代水平相當，工藝落后，鑄造工藝基本靠手工造型，表面和內在質量都比較差，耐磨壽命低，極大地影響了設備可靠性，增大了設備故障率，加大了用戶使用成本；國外很多噴拋丸設備室體或護板采用軋制高錳鋼，而國內大多還采用室體使用普通鋼材加以鑄造高錳鋼護板，即使有些使用了軋制高錳鋼板，性能方面比國外也有很大差距。所以提高基礎原材料及配套元器件的設計和制造水平，才能保證拋丸機設備整體水平的提高，保證設備的可靠性。
2.是國內企業(yè)普遍對產品研發(fā)特別是自主研發(fā)投入不夠，靠低價競爭，甚至沒有研發(fā)機構或研發(fā)人員，擁有自主知識產權的成果比較少，產品技術水平離國外先進技術水平差距越來越大。信息技術應用水平比較低下，產品設計基本采用二維CAD三維CAD設計以及CAM(計算機輔助制造)／CAPP(計算機輔助工藝規(guī)程設計)／CAE(計算機輔助分析)／ERP(企業(yè)資源規(guī)劃)等設計驗證和管理手段應用比較少，故產品研發(fā)周期比較長、差錯率比較高、成本比較高，應用到產品控制中的信息技術如人機界面、計算機監(jiān)控等先進控制技術就更少了。希望國內企業(yè)充分意識到這一點，加大研發(fā)投入，盡快走出低水平競爭。
3.是由于院所專業(yè)調整等原因，國內專門研究噴拋丸工藝的科研院所比較少，專業(yè)研究人員也比較少。在噴拋丸技術基礎研究方面比較薄弱。
4.是隨著噴拋丸技術應用領域的拓展,很多從事噴拋丸技術的工程技術人員由于缺乏對噴拋丸工藝的研究，而多側重于噴拋丸設備設計制造方面，故成套成線性比較差，單機較多，成套成線設備穩(wěn)定性差。
5.是國家宏觀管理沒有到位，缺乏相應的激勵政策。目前噴拋丸技術與裝備歸濟南鑄造鍛壓機械研究所，也僅僅以鑄造行業(yè)的噴拋丸工藝為主，但目前噴拋丸工藝已遠遠超出了鑄造機械的范疇，幾乎涵蓋了所有行業(yè)，各行各業(yè)對本行業(yè)的噴拋丸技術與裝備都有自己行業(yè)的要求和標準，所以造成了有些標準不統(tǒng)一，不好管理。希望對噴拋丸技術與裝備歸口進行調整，統(tǒng)一歸口到鑄造機械行業(yè)管理，對重大技術專項和研發(fā)給與支持和扶持，提高中國噴拋丸設備自主品牌水平，為中國裝備制造業(yè)的振興貢獻應有的力量!
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