李　昊，項(xiàng)名珠，魏善武LI Hao，　XIANG Ming-zhu，　WEI Shan-wu（公安部第一研究所 安檢技術(shù)事業(yè)部，北京 102200）

離心鑄造工藝在制備氧化鉛/環(huán)氧樹脂基零件中的應(yīng)用研究

李昊，項(xiàng)名珠，魏善武
LI Hao，XIANG Ming-zhu，WEI Shan-wu
（公安部第一研究所 安檢技術(shù)事業(yè)部，北京 102200）

為進(jìn)一步提高氧化鉛/環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料的高壓絕緣能力和射線屏蔽能力，滿足射線源安全、穩(wěn)定工作的要求。經(jīng)對其制備工藝進(jìn)行分析，在改進(jìn)中創(chuàng)造性的引入了離心鑄造工藝，應(yīng)用了恒溫加熱部件，計(jì)算了離心轉(zhuǎn)速，梳理了工藝流程。經(jīng)對制備工藝改進(jìn)前后樣件的對比測試，改進(jìn)工藝后零件的高壓絕緣能力和射線屏蔽能力有了明顯提升。

氧化鉛/環(huán)氧樹脂基；離心鑄造；高壓絕緣；射線屏蔽

0　引言

射線源作為安檢機(jī)的核心部件之一，其技術(shù)指標(biāo)與可靠性的高低與安檢機(jī)的整體性能息息相關(guān)?，F(xiàn)階段，隨著安檢機(jī)穿透、分辨能力的不斷提高，對射線源高壓、束流指標(biāo)的要求也隨之提升。在此條件下，為保證射線源安全、穩(wěn)定的工作，射線源內(nèi)部材料的高壓絕緣能力和射線屏蔽能力也必須進(jìn)一步提高。

氧化鉛/環(huán)氧樹脂基材料是一種廣泛應(yīng)用于射線源內(nèi)部的復(fù)合材料，其主要由氧化鉛粉和環(huán)氧樹脂兩種主要成分加少量固化劑組成，具有良好高壓絕緣和射線屏蔽能力，適用于較為苛刻的輻射環(huán)境之中［1～3］。目前，該材料制成的零件既可用于對射線管進(jìn)行局部屏蔽，以降低外部整體屏蔽厚度；也可放置在對射線管與電子元件之間，以避免電子元件受到射線的直接照射。

1　制備工藝改進(jìn)分析

為提高氧化鉛/環(huán)氧樹脂基材料的性能，需制備過程中對其高壓絕緣能力和射線屏蔽能力分別進(jìn)行分析，在改進(jìn)制備工藝中對兩種能力的提高統(tǒng)籌思考，不能在改進(jìn)中出現(xiàn)一種能力提高而另一種能力降低的情況。

1.1高壓絕緣方面

在高壓絕緣方面，為提高其絕緣能力，首先需提高制備工藝中對氧化鉛和環(huán)氧樹脂這兩種主要材料的混合能力。因?yàn)槿绻麅煞N材料沒有充分混合，就會導(dǎo)致零件局部密度不均勻，甚至在固化過程中存在孔洞，從而降低零件的高壓絕緣能力，甚至擊穿零件，造成零件完全喪失絕緣能力。

1.2射線屏蔽方面

在射線屏蔽方面，零件的射線屏蔽能力與零件厚度和單位厚度的材料致密性直接相關(guān)。在零件設(shè)計(jì)不變的情況下，其厚度無法增加，只能在零件制備中提高材料的致密性，進(jìn)而提高整個(gè)零件的射線屏蔽能力。因此需在制備中對整個(gè)固化過持續(xù)程施加外力，使混合材料在固化的同時(shí)壓緊。

2　離心鑄造工藝的應(yīng)用

根據(jù)上述分析，在氧化鉛/環(huán)氧樹脂基材料制備工藝中引入了離心鑄造工藝。離心鑄造工藝是將混合液注入高速旋轉(zhuǎn)的鑄型內(nèi)，使其在離心力的作用下充滿鑄型并形成鑄件的鑄造工藝。它具有加工成本低、成型質(zhì)量高、幾乎沒有鑄造缺陷等優(yōu)點(diǎn)。通過離心時(shí)的高速旋轉(zhuǎn)有效提高了制備中材料的混合效果，同時(shí)利用旋轉(zhuǎn)離心力壓緊混合材料，提升其致密性。

該工藝的核心是一套離心鑄造系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由：離心鑄造機(jī)、PLC控制器、真空攪拌機(jī)、澆注設(shè)備、模具起吊設(shè)備等組成。系統(tǒng)核心的離心鑄造機(jī)主要由整體機(jī)架、驅(qū)動電機(jī)、旋轉(zhuǎn)部件、模具部件、恒溫加熱部件等組成，其示意圖如圖1所示。

2.1恒溫加熱部件的應(yīng)用

由于氧化鉛/環(huán)氧樹脂基材料在一定溫度下可有效提高固化成型速度，為提高制備效率，因此在一般離心鑄造機(jī)上進(jìn)行改進(jìn)，加入了恒溫加熱部件，實(shí)現(xiàn)了對模具溫度的動態(tài)控制，成為了一種獨(dú)創(chuàng)的新型離心鑄造機(jī)。在使用中，將攪拌好的混合液澆入旋轉(zhuǎn)的模具部分之中，恒溫加熱部件包裹模具部分，同時(shí)根據(jù)不同尺寸零件的固化情況動態(tài)調(diào)節(jié)其溫度，使混合物更快的凝固、成型。

圖1　離心鑄造機(jī)

2.2離心轉(zhuǎn)速的計(jì)算

在制備中，由于氧化鉛/環(huán)氧樹脂零件應(yīng)用在不同場合時(shí)材料的配比有所不同，導(dǎo)致其密度的變化，因此在制備前需首先確定不同密度零件的離心轉(zhuǎn)速。在離心鑄造中，為克服重力，零件須達(dá)到一定的轉(zhuǎn)速：如轉(zhuǎn)速過低時(shí)，由于離心力不足，就會使離心鑄造時(shí)鑄件造型不充分。但轉(zhuǎn)速過高時(shí)，使鑄件產(chǎn)生縱向裂紋，混合液更易偏析［5～7］。因此在確定離心鑄造鑄型的轉(zhuǎn)速時(shí)，其原則是在保證零件質(zhì)量的前提下，選取所需的最低離心轉(zhuǎn)速［8］。

最低轉(zhuǎn)速的計(jì)算公式，分別如式（1）、式（2）、式（3）所示。

離心鑄造時(shí)材料所受的離心力與旋轉(zhuǎn)半徑成正比，與旋轉(zhuǎn)角速度的平方成正比，其離心力公式如下：

式中，F(xiàn)為材料所受離心力（N）；m為材料的質(zhì)量（kg）；

ω為材料旋轉(zhuǎn)角速度（rad/s）；

R為離心鑄造系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)半徑（m）。

旋轉(zhuǎn)半徑不同，離心力也不同。因材料有一定的厚度，不同厚度內(nèi)各層所受離心力會不同，要完全帶起材料，充滿鑄型，就必須使內(nèi)部的離心力也大于內(nèi)部材料的重力，因此式（1）可變化為：

式中，G為材料所受重力（N）；

n為離心鑄造系統(tǒng)轉(zhuǎn)速（r/min）。

在生產(chǎn)中可采用各種經(jīng)驗(yàn)公式來確定鑄型的轉(zhuǎn)速，本文根據(jù)重力系數(shù)計(jì)算鑄型轉(zhuǎn)速，其計(jì)算公式如下：

式中，T為重力系數(shù)，根據(jù)氧化鉛在材料中的百分比確定，一般取70～85之間。

在實(shí)際使用中可將式（2）和式（3）的計(jì)算結(jié)果對比使用，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行試驗(yàn)，最終通過試驗(yàn)氧化鉛/環(huán)氧樹脂基零件的固化情況、外形是否均勻、是否存在氣孔、表面光潔度等指標(biāo)確定合適的最低轉(zhuǎn)速。

2.3制備工藝流程

在確定所有工藝參數(shù)后，通過離心鑄造制備氧化鉛/環(huán)氧樹脂基零件的工藝流程主要包括以下步驟：

1）將計(jì)量完畢的氧化鉛和環(huán)氧樹脂按一定比例混合，加入少量固化劑，放入真空攪拌機(jī)中進(jìn)行攪拌，同時(shí)進(jìn)行抽真空處理。

2）待攪拌均勻，真空度滿足工藝要求后，通過澆注設(shè)備將混合物注入離心鑄造機(jī)的模具內(nèi)，模具需事前涂抹脫模劑。

3）按混合物重量和成型要求設(shè)定離心鑄造機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)動時(shí)間、加熱溫度后，開始進(jìn)行離心鑄造。

4）到達(dá)設(shè)定完成時(shí)間，觀察氧化鉛和環(huán)氧樹脂混合物完全固化后，關(guān)閉離心鑄造機(jī)。

5）通過模具起吊設(shè)備將模具連同混合物從離心鑄造機(jī)中取出，進(jìn)行脫模。

3　應(yīng)用前后對比試驗(yàn)

3.1高壓絕緣能力對比試驗(yàn)

為檢驗(yàn)應(yīng)用離心鑄造工藝后的實(shí)際制備效果，計(jì)劃將應(yīng)用前后兩種工藝制備的樣件放入絕緣測試儀中進(jìn)行高壓絕緣能力對比試驗(yàn)。該儀器內(nèi)置微型計(jì)算機(jī)，測試準(zhǔn)確性高，操作簡單，其外形如圖2所示。

圖2　絕緣測試儀

表1　絕緣對比試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表2　射線泄漏對比試驗(yàn)數(shù)據(jù)

將應(yīng)用離心鑄造前后兩種工藝分別制備的共10塊直徑為60mm、厚度為5mm的圓盤形氧化鉛/環(huán)氧樹脂基樣件，每塊樣件放入測試儀中連續(xù)打壓5次，其具體測試數(shù)據(jù)，如表1所示。

經(jīng)絕緣對比試驗(yàn)可知，應(yīng)用離心鑄造工藝后樣件的高壓絕緣能力與之前相比平均提高了19.3%，有效提高了其在高電壓環(huán)境下的絕緣防護(hù)能力。

3.2射線屏蔽能力對比試驗(yàn)

將應(yīng)用離心鑄造工藝前后制備的兩套實(shí)際尺寸樣件分別安裝在兩臺射線源中，射線源以160kV/1.2mA的參數(shù)工作，進(jìn)行射線屏蔽測試。經(jīng)使用Fluke451P型電離室劑量率儀，選取射線源前、后、左、右、上、下方向，在距離X射線源表面5cm處，共6個(gè)測試位置進(jìn)行測試，其射線泄漏照射量率數(shù)據(jù)，如表2所示。

經(jīng)射線泄漏對比試驗(yàn)可知，使用離心鑄造工藝后制備的樣件，使射線源的射線泄漏照射量率與之前相比平均降低了9.3%，進(jìn)一步提高了射線源的射線屏蔽能力。

4　結(jié)論

目前，具有良好高壓絕緣能力和射線屏蔽能力的氧化鉛/環(huán)氧樹脂基防護(hù)零件應(yīng)用在X射線源之中發(fā)揮著不可替代的作用。經(jīng)對其制備工藝進(jìn)行改進(jìn)，加入了新設(shè)計(jì)的離心鑄造工藝，經(jīng)實(shí)測有效提高了零件的高壓絕緣能力和射線屏蔽能力。綜上所述，離心鑄造工藝有效提高了氧化鉛/環(huán)氧樹脂基防護(hù)零件的產(chǎn)品性能，保證了射線源的安全、穩(wěn)定工作。

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Applied research of centrifugal casting in manufacturing lead oxide/epoxy resin parts

TM215

A

1009-0134（2016）06-0081-03

2016-04-07

李昊（1985 -），男，北京人，工程師，碩士，主要從事射線源的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和絕緣設(shè)計(jì)。