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介 紹
噴丸是一個(gè)基本的金屬零件表面處理工藝。噴丸就是一束高能彈丸流在零件的表面上進(jìn)行做功的過(guò)程。彈丸做功后的結(jié)果就是在表面上留下了凹坑。隨著噴丸時(shí)間的延長(zhǎng)，凹坑越來(lái)越多，覆蓋率也越來(lái)越大。圖1闡明了覆蓋率增加的過(guò)程。隨著噴丸時(shí)間的延長(zhǎng)，覆蓋率的增長(zhǎng)率下降，遵循了“邊際效用遞減規(guī)律”。在工程應(yīng)用上，一個(gè)重要的實(shí)際需求就是要用比較經(jīng)濟(jì)的時(shí)間來(lái)達(dá)到覆蓋率的要求。隨著覆蓋率的增加，零件表面會(huì)產(chǎn)生一個(gè)殘余壓應(yīng)力層。這個(gè)殘余壓應(yīng)力層就是可以提高零件服役壽命的“神奇的皮膚”。
圖1 典型的覆蓋率/噴丸時(shí)間曲線
噴丸束流本身必須有一個(gè)規(guī)定的強(qiáng)度等級(jí)，例如N254（在一個(gè)特殊的噴丸時(shí)間T，即飽和時(shí)間，噴丸后N型阿爾門(mén)試片彎曲0.254mm），這是一個(gè)量化噴丸強(qiáng)度的參數(shù)。但是，目前還沒(méi)有一個(gè)量化噴丸束流達(dá)到目標(biāo)覆蓋率的能力的參數(shù)。
本文主要關(guān)注以下的內(nèi)容：
（1）丸料做功的能力；
（2）凹坑的形成過(guò)程；
（3）覆蓋率演化過(guò)程；
（4）覆蓋率和噴丸強(qiáng)度的對(duì)比。
關(guān)于衡量噴丸束流達(dá)到目標(biāo)覆蓋率的能力的參數(shù)將以一些細(xì)節(jié)呈現(xiàn)的方式進(jìn)行描述。
1. 丸料做功能力
每一個(gè)能有效撞擊零件表面的丸粒都有在零件表面做功的能力。這個(gè)能力取決于丸粒的動(dòng)能。功和動(dòng)能是完全相同的參數(shù)，這一點(diǎn)目前沒(méi)有被廣泛認(rèn)識(shí)。
例如：
功的單位可以用N*m或Kg*m2*s-2。
功是力（單位，N）乘以距離（單位，m），
即：功的單位=N*m
（1）動(dòng)能的表達(dá)方式是1/2mv2，即二分之一乘以質(zhì)量（單位，m）乘以
速度（單位，m/s）的平方，即：動(dòng)能的單位= Kg*m2*s-2。
（2）力（單位，N）等于質(zhì)量（單位，kg）乘以加速度（單位，m2*s-2），即：N= kg* m*s-2
（3）如果在公式兩邊都乘以m，可以得到： N*m=Kg*m2*s-2
（4）即（2）和（4）是等同的。因此對(duì)于單個(gè)丸粒的作用能力可以用N*m或Kg*m2*s-2來(lái)表示。
丸粒的質(zhì)量是其體積和密度（ρ）的乘積。圓形丸粒的體積是π*D3/6（D是直徑），所以其質(zhì)量為π*D3*ρ/6。把該表達(dá)式帶入1/2mv2式子中，可以得到圓形丸粒的動(dòng)能表達(dá)式π*D3*ρ*v2/12。現(xiàn)在，丸粒的動(dòng)能和其在零件表面所做的功Wp是相同的。因此Wp=π*D3*ρ*v2/12。把上式除以106（D的單位為mm，Wp的單位為Nmm）可以得出：
Wp=π*D3*ρ*v2/（12*106）
（5）Wp是丸粒的做功潛能，單位為Nmm，D是丸粒的直徑，單位為mm，v是丸料的速度，單位為ms-1，ρ是丸粒的密度，單位為Kg/m-3。
公式（5）可以用來(lái)估算單個(gè)丸粒的做功能力，示例如圖2所示。我們可以從下例中想象一下做功能力是一個(gè)什么樣的概念。想象一個(gè)平均尺寸的蘋(píng)果，這個(gè)蘋(píng)果的重力為1牛（請(qǐng)記住牛頓是在他的果園里看見(jiàn)蘋(píng)果掉落后而發(fā)現(xiàn)了重力定律）。如果把這個(gè)蘋(píng)果升高100mm（4英寸），那么需要做100Nmm的功。
圖2 不同直徑不同速度的鑄鋼丸的做功能力
2. 彈坑的形成
在給一個(gè)丸粒的做功能力進(jìn)行定量分析后，我們可以估算丸粒形成凹坑的能力。當(dāng)一個(gè)高速飛行的丸粒撞擊零件的表面時(shí)，丸粒會(huì)失去其大部分的做功能力，而其中大部分是以撞擊產(chǎn)生的熱量而丟失的，僅有不高于1/10的能量用于產(chǎn)生凹坑。在之前的一節(jié)中講到了丸粒的做功能力是如何計(jì)算的。本節(jié)將闡述要產(chǎn)生一定深度的凹坑，如何計(jì)算所需要的功的大小。
在飛行的丸粒和零件表面剛進(jìn)行接觸時(shí)，零件表面所導(dǎo)入的力為零。這是因?yàn)榱κ菓?yīng)力和接觸面積的乘積，由于剛開(kāi)始接觸時(shí)的面積為零，那么力也就為零。被導(dǎo)入的應(yīng)力是零件的屈服壓力強(qiáng)度。隨著丸粒更深入到零件的表面，則丸粒和零件的接觸面積隨之增加，結(jié)果引入零件內(nèi)部的力也在增加。當(dāng)丸粒停止向前運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，接觸面積達(dá)到最大，因此引入零件內(nèi)部的力也達(dá)到了最大。圖3顯示了從剛開(kāi)始接觸（a）一直到最大接觸（b）的過(guò)程，凹坑的深度為H。
圖3 丸粒造成零件的表面凹坑的過(guò)程
用A表示圓形丸粒和零件表面接觸的面積：
A=π*D*h
（6）D表示丸粒的直徑，h表示凹坑的深度。
式（6）中的h在接觸開(kāi)始時(shí)為0，最大值為H，如圖3所示。
設(shè)外加的力為屈服應(yīng)力Y，乘以應(yīng)力施加的面積A，可以得到丸粒在撞擊過(guò)程中施加零件的力F的表達(dá)式為：F=π*D*h*Y
（7）產(chǎn)生凹坑所需要的功WD的值為圖4中藍(lán)色直角三角形的面積，即三角形底部的長(zhǎng)度和垂直高度的乘積的二分之一。在圖4所示的例子中，面積為126*0.08/2N*mm或?yàn)?N*mm。
圖4 丸粒施加零件的力隨凹坑深度的變化的示例-可以計(jì)算出所做的功
計(jì)算產(chǎn)生凹坑所需的功的示例
假設(shè)一個(gè)圓形丸粒的直徑為1mm，沖擊零件表面后留下了0.08mm深的凹坑，零件的屈服強(qiáng)度為500Nmm-2。把這些數(shù)值代入公式（7）中將得出丸粒在撞擊過(guò)程中施加零件的最大力Fmax：
Fmax=π*1mm*0.08mm*500Nmm，即
Fmax=π*1*0.08*500N，得：
Fmax=126N
產(chǎn)生凹坑所做的功WD為直角三角形的面積，該直角三角形的高為Fmax，底部的長(zhǎng)度為凹坑的高度，因此我們可以得到：
WD=126N*0.08mm/2，得：
WD=5N*mm。
如前所述，僅有不到十分之一的丸粒的能量用于產(chǎn)生凹坑。因此，丸粒的能量必須至少是產(chǎn)生凹坑的功的十倍?，F(xiàn)在，我們可以用圖2來(lái)對(duì)產(chǎn)生凹坑所需的功以及飛行的鑄鋼丸的能量進(jìn)行對(duì)比。如果我們假設(shè)丸粒是S380的鑄鋼丸，那么其飛行速度必須達(dá)到180m*s-1才能具有50N*mm的作功能力，50N*mm的功可以產(chǎn)生大約0.08mm深度的凹坑。
單個(gè)丸粒的做功能力和其產(chǎn)生凹坑的直徑有一個(gè)定量關(guān)系式，如下所示：
d4=D4*P*W*1000/B
（8）d表示凹坑的直徑，單位為mm，P表示用于產(chǎn)生凹坑所做功與總能量的比值，W表示丸粒的總能量，單位為N*m，D表示丸粒的直徑，單位為mm，B表示零件的布氏硬度，單位為MPa。布氏硬度的單位通常為Kg/mm2，乘以9.8就得到了MPa的單位。
公式（8）具有以下的作用：可以預(yù)測(cè)丸粒直徑、丸粒做功能力和零件硬度對(duì)于產(chǎn)生凹坑直徑的影響。
3. 覆蓋率的形成過(guò)程
噴丸是一個(gè)由無(wú)數(shù)的丸粒擊打零件表面的過(guò)程。丸粒擊打零件后，在零件表面會(huì)覆蓋一層凹坑。對(duì)于不同的零件，用戶會(huì)規(guī)定相應(yīng)的覆蓋率要求。無(wú)論覆蓋率的規(guī)定值是多少，覆蓋率均是由兩個(gè)要素決定的：（a）表征束流擊打能力的覆蓋率因子K，（b）噴丸時(shí)間。
覆蓋率因子，K
K是A和N的乘積，其中A表示每個(gè)凹坑的平均面積，N表示受?chē)娏慵膯挝幻娣e凹坑增長(zhǎng)率。例如：假設(shè)每個(gè)凹坑的平均面積A為0.01mm2，凹坑的增長(zhǎng)率N為10每mm2每秒，那么K的值（A×N）為0.1/秒（兩個(gè)mm2互相約去了）。
凹坑增長(zhǎng)率和覆蓋率之間的關(guān)系式可以用下式表示：
C=100（1-exp（-K*t））
（9）C表示覆蓋率百分比，K是覆蓋率因子，t表示實(shí)際噴丸時(shí)間（產(chǎn)生凹坑后的時(shí)間）。
把K=0.1代入到（9）式中，可以得到公式100（1-exp（-0.1*t））。圖5顯示了該公式的曲線。該覆蓋率指數(shù)曲線的一個(gè)比較有用的特征就是：當(dāng)噴丸時(shí)間為T(mén)時(shí)，覆蓋率為90%。如果我們把時(shí)間延長(zhǎng)至2T，我們將得到99%的覆蓋率，延長(zhǎng)至3T得到99.9%的覆蓋率，4T得到99.99%的覆蓋率，依此類(lèi)推。當(dāng)K=0.1s-1時(shí)，90%的覆蓋率出現(xiàn)在23秒時(shí)，99%的覆蓋率出現(xiàn)在46秒時(shí)，依此類(lèi)推。所謂的“完全覆蓋率”是指98%或更高的覆蓋率，這是因?yàn)楦哂?8%的覆蓋率的測(cè)試精度和重復(fù)率都無(wú)法進(jìn)行保證。當(dāng)K-0.1s-1時(shí)，98%的覆蓋率出現(xiàn)在39.1s的時(shí)間。
圖5 當(dāng)覆蓋率因子為0.1s-1時(shí)的覆蓋率曲線
當(dāng)覆蓋率達(dá)到了一個(gè)非常高的值的時(shí)候，更進(jìn)一步延長(zhǎng)噴丸時(shí)間是浪費(fèi)的。K的單位也可以表示“每遍”而不是“每秒”，在這種情況下N的單位就是“每遍”而不是“每秒”。
假設(shè)在一個(gè)特定的零件上的有一個(gè)最大的噴丸時(shí)間為100秒或者最大的噴丸遍數(shù)為10遍，不同的覆蓋率因子對(duì)應(yīng)的圖示如圖6和圖7所示。
覆蓋率因子K的值取決于噴丸操作的類(lèi)型以及其參數(shù)。對(duì)于具體的噴丸操作，K值是可以計(jì)算或者預(yù)測(cè)的。下面就是針對(duì)于以壓縮空氣為動(dòng)力的噴丸的例子，對(duì)如何計(jì)算K值進(jìn)行一些解釋。
圖6 不同的覆蓋率因子對(duì)應(yīng)的覆蓋率/噴丸時(shí)間曲線
圖7 不同的覆蓋率因子對(duì)應(yīng)的覆蓋率/噴丸遍數(shù)曲線
對(duì)于壓縮空氣噴丸，估算覆蓋率因子K的示例
針對(duì)于這個(gè)例子，假設(shè)一個(gè)錐形的束流一直擊打一個(gè)水平的零件表面，產(chǎn)生了一個(gè)圓形的擊打區(qū)域，該區(qū)域的直徑為D，面積為Z。進(jìn)一步假設(shè)該束流以TR的速度在水平方向進(jìn)行橫向移動(dòng)，丸流量為FR，單個(gè)丸粒產(chǎn)生凹坑的平均面積為A。圖8對(duì)這些變量進(jìn)行了一些說(shuō)明。
圖8 影響覆蓋率的因素
如果噴丸束流沒(méi)有進(jìn)行橫向移動(dòng)（移動(dòng)速率為0），覆蓋率因子為下面的表達(dá)式：
K=FR*A/（m*Z）
（10）m表示丸粒的平均質(zhì)量。
例如，假設(shè)所使用的丸料為S170鑄鋼丸，丸流量為50g*s-1，擊打面積Z為1300mm2（直徑D為50mm），每個(gè)凹坑的面積為0.01mm2。每一個(gè)S170丸粒的平均質(zhì)量m為0.33*10-3g。把這些數(shù)據(jù)代入到式（10）中可以得到：
K（s-1）=50*0.01/（0.33*10-3*1300），可得： K=1.2s-1
對(duì)于橫向平行移動(dòng)的噴丸束流，其平均覆蓋率因子KAV可以用下面的對(duì)式（10）修正的公式進(jìn)行估算：KAV=FR*A*D/（m*Z*（TR+D））
（11） 其中，TR表示束流的移動(dòng)速度。
使用先前例子中一樣的參數(shù)，零件的移動(dòng)速度設(shè)為50mm/s，我們可以得到： K（s-1）=50*0.01/（0.33*10-3*1300（50+50）），可得：K=0.6s-1
正如我們所預(yù)料的，這個(gè)結(jié)果顯示出，移動(dòng)的束流的覆蓋率增長(zhǎng)率是不移動(dòng)的束流的一半。
式（10）和式（11）可以對(duì)噴丸參數(shù)和覆蓋率之間的關(guān)系進(jìn)行量化。增加丸流量或單個(gè)凹坑的尺寸，覆蓋率的增長(zhǎng)率同樣會(huì)增加。增加丸粒的平均質(zhì)量，打擊區(qū)域或束流移動(dòng)速度，將會(huì)減小覆蓋率的增長(zhǎng)率。
4. 覆蓋率和噴丸強(qiáng)度的關(guān)系
覆蓋率的定義為凹坑的面積與表面總面積的百分比。噴丸強(qiáng)度的定義為飽和曲線上的一個(gè)特殊點(diǎn)P，如圖9所示。這個(gè)P點(diǎn)具有兩個(gè)坐標(biāo)，H和T。當(dāng)t坐標(biāo)上有一個(gè)特殊的噴丸時(shí)間T時(shí)，其對(duì)應(yīng)H是h坐標(biāo)上的一個(gè)值。H值的大小依賴于T的大小。正如一首老歌所唱：“在這兩者中，缺一不可”。
圖9 典型的噴丸曲線
覆蓋率因子K決定了覆蓋率的增長(zhǎng)率。K是由A和N相乘的結(jié)果，A是每個(gè)凹坑的平均面積，N是零件單位面積的凹坑增長(zhǎng)率。每個(gè)凹坑的平均面積與圖9的H值是成正比的關(guān)系。H的值反映了凹坑的尺寸A的大小。相反地，時(shí)間T反映了凹坑的增長(zhǎng)率。如果H值很小，T值很大，證明阿爾門(mén)試片的覆蓋率的增長(zhǎng)率比較緩慢。需要注意的是，零件上覆蓋率的增長(zhǎng)率和阿爾門(mén)試片上的覆蓋率是有區(qū)別的。造成這種區(qū)別的主要原因是凹坑的平均尺寸A的不同。比阿爾門(mén)試片軟的零件的覆蓋率增長(zhǎng)率會(huì)更快，相反，比阿爾門(mén)試片硬的零件的覆蓋率增長(zhǎng)率會(huì)更慢。但是，在覆蓋率預(yù)測(cè)或覆蓋率測(cè)試中，可以允許硬度有些許差異。
目前已經(jīng)有相關(guān)覆蓋率和弧高值之間關(guān)系的研究報(bào)道，該研究主要是在阿爾門(mén)試片上對(duì)覆蓋率和弧高值進(jìn)行了測(cè)試和對(duì)比，試驗(yàn)的阿爾門(mén)試片一共分為六組，即每個(gè)參數(shù)在六個(gè)阿爾門(mén)試片上重復(fù)六次。圖10的數(shù)據(jù)選取了六組數(shù)據(jù)中的第一組數(shù)據(jù)。該試驗(yàn)是在儀器化程度高、可控性強(qiáng)的噴丸設(shè)備上進(jìn)行的。對(duì)覆蓋率數(shù)據(jù)和弧高值數(shù)據(jù)分別進(jìn)行雙指數(shù)的指數(shù)曲線擬合。通過(guò)圖10可以看出，弧高值的飽和曲線擬合效果非常好，也就是說(shuō)隨著噴丸的時(shí)間增長(zhǎng)，丸料在阿爾門(mén)試片上所做的功的增長(zhǎng)是可以預(yù)測(cè)的。但是，關(guān)于覆蓋率的曲線擬合效果并不好。非常令人吃驚的是，噴丸三遍的阿爾門(mén)試片和噴丸一遍的相比，覆蓋率的增長(zhǎng)量非常的小，僅從49%增長(zhǎng)到52%，而弧高值的增長(zhǎng)正如我們所預(yù)測(cè)，由0.0081”增長(zhǎng)到0.0144”。 其它五組的覆蓋率數(shù)據(jù)（噴丸一遍和噴丸三遍）分別為：48%到84%，60%到83%，36%到40%，67%到80%和50%到75%。在飽和時(shí)間T時(shí)測(cè)量的覆蓋率是大約75%，把噴丸時(shí)間延長(zhǎng)到二倍的飽和時(shí)間2T，則覆蓋率的測(cè)試值已經(jīng)達(dá)到了“完全覆蓋率”的水平。
圖10 覆蓋率和弧高值的一組測(cè)試數(shù)據(jù)和曲線擬合結(jié)果
討 論
對(duì)于噴丸工程師來(lái)說(shuō)，覆蓋率的定量量化當(dāng)然是非常重要的?；诟采w率的可控性，本文盡量地去解釋可控覆蓋率因子K是怎么應(yīng)用的。該因子可以進(jìn)行預(yù)測(cè)或測(cè)試。
我們期望隨著噴丸時(shí)間的延長(zhǎng)，覆蓋率的增長(zhǎng)情況能夠符合圖1所示的曲線。但是在實(shí)際的試驗(yàn)中，覆蓋率測(cè)試結(jié)果非常依賴覆蓋率的檢測(cè)方法的精確性，就比如圖10給出的例子中，覆蓋率的測(cè)試結(jié)果和我們的覆蓋率測(cè)試經(jīng)驗(yàn)就完全不相符。因此，對(duì)覆蓋率進(jìn)行測(cè)試時(shí)，需要用不同的測(cè)試方法進(jìn)行比較。
規(guī)范SAE J2277關(guān)于噴丸覆蓋率的檢測(cè)方法提供了很有益的指導(dǎo)。該規(guī)范的公式（1）定量地表達(dá)了覆蓋率和噴丸時(shí)間的關(guān)系。該公式和本文中的公式（9）對(duì)應(yīng)的曲線是一致的。J2277規(guī)范中的圖2給出了噴丸遍數(shù)（1、2、3、4和6遍）對(duì)應(yīng)的覆蓋率圖示。對(duì)這五個(gè)覆蓋率值進(jìn)行曲線擬合，如圖11所示。J2277規(guī)范中的公式（1）是以1遍為單位的，目的是可以更好地預(yù)測(cè)隨著噴丸遍數(shù)的增加，覆蓋率的增長(zhǎng)方式。采用“最佳擬合”方程對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合，可以得到與J2277規(guī)范中的公式（1）一樣的曲線，這樣我們就更加地確認(rèn)這些覆蓋率數(shù)據(jù)符合一種可預(yù)測(cè)的簡(jiǎn)單指數(shù)函數(shù)的關(guān)系。
在這里需要強(qiáng)調(diào)一點(diǎn)的是，阿爾門(mén)試片是目前在實(shí)際工程應(yīng)用中唯一的檢測(cè)噴丸強(qiáng)度的方法。但是，這并不妨礙阿爾門(mén)試片可以應(yīng)用于學(xué)術(shù)研究領(lǐng)域。采用阿爾門(mén)試片對(duì)覆蓋率進(jìn)行測(cè)試和分析有非常大的好處：第一，在阿爾門(mén)試片上進(jìn)行覆蓋率-時(shí)間關(guān)系的測(cè)試是可行的，第二，阿爾門(mén)試片的尺寸和形狀都是穩(wěn)定的，可以非常方便地進(jìn)行覆蓋率測(cè)試。實(shí)際噴丸的零件，很少能具有阿爾門(mén)試片的上述兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)，因此這就是我們?cè)趯W(xué)術(shù)研究中也喜歡用阿爾門(mén)試片研究覆蓋率的原因。
圖11 對(duì)規(guī)范J2277中覆蓋率數(shù)據(jù)的擬合結(jié)果
