不规则试样原子发射光谱激发平台设计

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(1.山东农业工程学院,济南 250100; 2.中国石油油田动力装备试验基地,济南 250306)

当前,各类大型工业场合对重型机械设备需求旺盛。以发动机为例,其装配零部件种类多、数量大、形状尺寸复杂,在运转时承受交变高负载,且工况恶劣。因此这些零件材料的化学成分构成应具有相应元素所带来的耐磨、耐热、耐腐蚀等特殊性能[1]。

原子发射光谱法(AES)在金属元素分析中具有重要地位,已有众多研究围绕其代表性的电感耦合等离子体原子发射光谱法(ICP-AES)开展,但场景多限于冶炼铸造的炉前分析或是科研院所[2-5],且其制备耗时久的特性令其无法胜任实际生产中的大批量零件检验任务。整机制造业的质量管理是一个庞大复杂的系统工程,作为质量管理控制的重要一环,火花源原子发射光谱法非常适合对固体样品进行直接分析,至今仍是快速判定金属零件材料质量的主要手段[6-8]。目前虽然有相当数量文献阐述了对该法的应用,但鲜有对复杂实物快速检测技术的研究[9],火花源原子发射光谱法在分析阶段的速率优势往往被漫长的制样过程所消解。

本工作通过对外形具有代表性的几种典型发动机零件的制备过程进行分析,总结归纳了面向现场的实物试样制备思路,并设计了多种适用性的夹具,通过增加试样在激发台的定位手段,有效降低制备难度与缩短耗时,提高工作效率。

1 制备不规则试样存在的问题

1.1 影响试验进程的因素探讨

机械零件因其功能需要一般具有较为复杂的结构,且多施有表面工艺。所以实物试样对原子发射光谱法整体分析进程的影响,主要源自其外观表面不具备试验开展的基本条件,这包括粗糙度、渗碳发蓝等表面处理工艺、无规则平稳持立端面、形状或尺寸不足以覆盖激发孔等典型情况。这就经常需要机加工取样、试验人员的手动制样以及相应的辅助工具予以试样一定程度的夹持。

对于工业现场大批量送检试样,单个实物零件制备对当批次送检流程造成的延迟,主要源自其材料或外形特点造成的加工或固支难度,及其在加工队列的位置。由于机加工排序遵从总装、热处理等主工艺路线要求、且受限于自身换装条件,优先级难以随时调整。因此,通过改进试样制备路线和制作适用性强的试样定位工装,则更为现实合理。

1.2 试样快速制备路线的建立

面向现场的实物质量分析,具有试样种类杂、数量多、制备过程繁琐、类型标准化程序切换频繁等特点。为尽可能减少分析前步骤耗时,对试样快速制备路线的设计应充分结合实际。限于篇幅,这里仅阐述创建快速制备路线应遵循的基本准则,即注重制备方法的可复现性,并采取“分解叠加”、“因形制宜”等制备思路:①合理分类试样,梳理加工工序,基于二者对应关系并利用最优树原理,建立取样工艺最简路线对照表;②优化制样手段,分解复杂设备的取样环节,通过叠加刨、钳、磨等低排序系数设备的使用,尽量取代前者;③对于试样尺寸小于激发室容积的,应尽可能利用试样自身外形特征,搭配合理的工艺或工装,进一步减少制样与放样耗时。

2 新旧制备方法对比试验

首先选取发动机配气机构中的气门弹簧与气门座圈进行快速制备方法与传统制备方法的数据精度对比试验。该试验包括对自制工具使用效果的检验,皆通过Thermo ARL 3460原子发射光谱仪开展,数据分析则利用Win OE 3.2-1平台进行。

螺旋状的气门弹簧和环状的气门座圈,是无法覆盖激发孔且又较难取样、制样的典型实例。螺旋状的气门弹簧其传统制备方法多用喷灯加热并锻打后再磨抛、加盖密封,因涉及明火作业,该制样过程多有不便。由于环状的气门座圈硬度高,传统方法只能使用电火花线切割U形走刀取样,由于线切割是低进给高排序的设备,所以耗时较多。二者的制备效果见图1(a)。

对于气门弹簧,利用“分解叠加”思路,选择磨抛端平面并锉去待激发点附近的表面镀层或氧化膜,插入锥度销后加盖多层铜套密封,见图1(b)。对于气门座圈,则基于“因形制宜”思路,改端面激发为柱面激发,设计了简易环形零件端面夹持工装(Tool-1),见图1(c)。

该工具既利于手持试样进行砂轮周磨,也利于激发环境的密封。

图1 新旧实物零件制备方法对比Fig.1 Comparison between old and new reparation method for entity sample

对气门弹簧和气门座圈采用不同制备方法所制备试样进行分析,结果见表1。

由表1可知:通过对比可以发现快速制备法保证了数据的可靠性和准确性,但相较于传统制备法,“分解”法充分利用磨工与钳工工具等,避免了复杂加工设备的介入;而“因形”法可积累创建简易工装库,像该例中的工具便可快速制备多种孔径的环类或管套类零件,从而节约制样时间。

表1 新旧制备方法的测定结果对比Tab.1 Comparison of results between old and new preparation methods%

3 不规则试样定位工具设计

对于小于激发室容积的实物零件试样,其无法直接进行测试的根本原因,是自身结构特征导致的激发孔漏气和分析极距无法确保。虽然有部分研究做出了设计工装或改造试验台等措施[10-15],但其结构均过于简单,导致适用范围普遍局限于简单断面型材等外观均匀的试样。所以,如何在保证气密性的同时,从空间有限的激发台上为表面不规则的试样提供必要固支,成为设计实物试样定位工具的关键。

下面将挑选具有代表性的3件工装进行描述,其结构设计思路均兼顾功能性和复杂性的平衡,即在保证对目标形状操作性的同时,仅靠开展理化试验所需的基础加工设备即可制作。为突出重点,以下展示图均略去盖板、密封套及拓展附件。

3.1 径向固支工具和轴向固支工具

现有技术多采用弹性夹头等定心夹紧方式,是导致工装适用范围窄的主要原因。对于不规则表面的复杂结构零件,由于目标支撑面缺乏显著规律性,为提供足够固支,需尽可能增加不同方法的夹紧力供给数量。对于待激发端面以上仍有较多夹持空间的细长试样,如销轴类、阀杆类、螺纹类等试样,设计了径向六点离散固支结构的试样定位工具,该多点紧固工具(Tool-2)由定位底座、空心六角钢、六角头丝杆、对中垫圈组成,见图2(a)。

由图(2)可知:该工具的设计要点是提供夹紧力的丝杆不是同时进给,因而能够适应多种外形表面。此外丝杆所处面偏离基体中心剖面,通过翻转六角钢可适应多种尺寸的凸缘头结构。而底座和垫圈提供了试样在紧固和放置时的双重定心,这对于激发端面面积有限的试样尤为重要。

对于螺母或弹垫等空心件、定位锥度件、施有表面工艺的月牙形等试样,由于缺乏径向夹持面,所以需要增加紧固载荷的有效范围。为此设计了拥有双向钳口的夹紧工具,该柱面夹紧工具(Tool-3)由钢套、台阶螺栓、T型槽V口钳和卡箍等组成,见图2(b)。

由图2(b)可知:该工具的设计要点在于螺栓在倒角端的台阶设计配合钳口背部的T型槽,不仅实现了载荷的正反进给,而且令钳口易于更换;在此基础上搭配各种形状或孔径的卡箍,可显著扩充该工具的适用范围。

轴向支撑工具(Tool-4),由卡座、支架、丝堵和调节螺钉组成,为试样待测面提供激发孔中心轴向支撑,面向的是圆弧表面件、窄小扁薄件、从大型铸件上凿取的无规则外形碎片,以及在失效分析中掏取的限定区域的组织等小型试样,还能在特殊情况下修补激发台磨损。其示意图见图2(c)。

由图2(c)可知:该工具设计要点在于卡座利用激发台的连接角钢定位,且可避免支架在插入激发孔时产生磕碰;支架则从激发孔处适当沉降从而保证分析极距,其与卡座分离的结构,使得通过更换不同形状尺寸的支架以拓展该工具的适配性成为可能。最后,丝堵与调节螺钉的组合弥补了弹性紧固在自身和试样固支时所存在的不稳定缺陷,能在保证激发环境气密性的同时为多种尺寸的试样提供有效配重。

3.2 定位工具使用效果验证

为了验证各工具的使用效果,分别利用它们对螺栓、螺母、无规则外表的碎片试样开展试验,采用ICP-AES和红外碳硫分析法(CS)联合测定,结果见表2。

由表2可知:测定结果符合企业现场对金属材料质量快速判定的分析要求。

图2 定位工具实物及结构示意图Fig.2 Actual and structural sketches of positioning fixtures

表2 不同定位工具及不同方法的测定结果Tab.2 Results of determination obtained with the different positioning tools and testing methods %

表2(续) %

4 结论

当前,越来越多的制造企业为了提升对供应链的把控能力,需对多种类成批量的外协零部件同时开展性能、成分、金相等理化试验。这就要求对相关测试设备的使用,在保证数据准确性的同时还要兼顾效率,以符合人力资源调配和生产流程管理的可行性与可控性。本工作在火花源原子发射光谱仪的基础上搭建了面向实物试样的快速成分测试平台,制定了合理的试样制备路线并开发了多种普适工装,拓展了对复杂样品的分析范围,并使现有设备的使用场景实现从线下或后台向流程现场推进的前置效果,对某些制造企业或相关试验室的改造升级具有一定的参考意义。