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第十期 喷丸强度de意义、测量原li以及queren方fa
发瞛i奔洌?016/10/25 11:15:13

引 yan                                                                                                        

    “喷丸强度”dai表liaoyige喷丸束流引入残余压应力ceng深de能力。喷丸能gouzai零件表面上chan生塑性变形,进erzai表面变形ceng上引入残余压应力。塑性变形deceng深是需要进xing控制de。可以利觤en缤枋鱠eyi些特性来控制残余压应力ceng深。可以用yige机械抢连续射击出yi束子弹流进xingleibi。子弹流具bei对目标物体de表面进xing破坏de能力。该破坏力取决于子弹de尺寸、速度和硬度。大尺寸、高硬度和高速度de子弹与小尺寸、低硬度和低速度de子弹相bi,qi对目标物体表面de破坏力更大。lei似de,喷丸束流de引入残余压应力ceng深de能力(即喷丸强度)也与上shu例子中deyin素you关。

    “喷丸强度”是定义和控制喷丸束流引入残余压应力ceng能力deyige参数。zai喷丸工艺发展de初shi阶段,J.O.Almenren识到需要对这种能力进xing量化。他想到liaoyige非chang好dezhu意,即用间jiede方fa来表征喷丸束流引入残余压应力cengde能力,通过对yi组钢制de试片用zhu渐di增de时间进xing喷丸,然后测试试片de弧高值,生cheng“饱和曲线”。“饱和曲线”觤ei幢碚鱯ui譸ai缤枋奔鋎e增加,喷丸后de试片de弧高值增加de现象。“喷丸强度”是饱和曲线上deyige特殊de点(饱和点),觤ei戳炕痽ige喷丸束流引入残余压应力ceng深de能力。zai饱和点上试片de弧高值越高,那么喷丸束流de引入残余压应力ceng深de能力越强。zai标准J442和J443中描shuliao怎么利觤eng鑒ei和程序进xingji算喷丸强度。

    本pianwenzhang对关于“喷丸”强度de三ge重要问题进xing蘻hi郏酝级詚ai现shishi用中yu到de相关问题提gongyi些解决方fa。这三ge问题是喷丸强度de意义、测量原li以及queren方fa。

喷丸强度de意义

    当yige喷丸束流击da零件时,喷丸xing业shi用“喷丸强度”作wei控制喷丸zai零件表面引入de残余压应力ceng深deyige参数。zaiqita参数不变deqian提下,sui譸ai缤枨慷萪e增加,qi引入de残余应力cengde深度会sui之增加,这种关系如图1所shi。zhi道残余压应力ceng深zhijie与喷丸束流de喷丸强秗en喙亍E缤枨慷萪e单位和qi引入de残余压应力ceng深de单位相tong,均wei毫米mm(或者wei千分之yi英寸)。

 

图1. zai“100%覆盖lv”deqian提下,喷丸强度对残余压应力ceng深deying响


    喷丸束流本身是具you潜zaide喷丸强度de能力(引入残余压应力ceng深de能力)。当喷丸束流击da目标零件时,ren们意识到这种潜能或大或小。wei便于分析,再拿机械抢射击出yi束子弹wei例。这yi束子弹具you破籨e勘晡锉砻鎑e潜能,可以觤ei磍eibi喷丸时喷丸束流引入残余压应力ceng深de能力(喷丸强度)。

    youyi点对于li解喷丸强秖ue莄hang重要,即:

    喷丸强度会sui距离de变化er发生变化。

    图2用图解de方式解释liaoyi束喷丸束流de这謟hi浠hiji上,当丸料磞ou缱熘信绯鍪保枇匣峒绦艿娇焖僖芼ongde空qi流de作用er加速。相fan地,丸料受到周wei静止de空qidezu力作用erjian速。这种加速和jian速degongtong作用会shi丸料zai某yi距离M上chan生yigezui大de速度(对于yi般de喷丸设beieryan,这ge距离M通changwei200~300mm)。对于抛丸设beieryan,丸料yi旦从叶片上离开就会马上jian速。

    如果把zaiM点de喷丸和zai更远处deX点de喷丸进xing对bi,会发现you两ge特点you明显de不tong。第yige是这两ge位置de喷丸强度you着明显de不tong。第二ge是zaiM点附近de喷丸强度没youhen大地cha异,然erzaiX点附件de喷丸强度则明显不tong,会youyigefanwei。

 

图2. 喷丸强秗en媾缤杈嗬雂e变化关系


    zaiyige喷丸束流deheng切面蓌i鱣e点de喷丸强度cha异hen小。非chang幸运地是,这种cha异是不重要de,这是yinwei喷丸束流会yan着目标零件表面de切向方向移dong,可以zai零件de表面形cheng均yunde喷丸效果。

    子弹或者喷丸束流de冲击效果也取决于目标物体deyi些特性,bi如厚度、硬度以糱a胧髦鋎e角度,等等。可以把对机械抢de分析kuo展yi些内容,bi如对qida击效果进xing评价。如果把防弹襩un糜凇皔i束子弹”中,那么防弹衣被da击后de凌乱de效果取决于子弹流de表面破坏de潜能。weiliao定量地表征这种潜能,需要采用yi组标准de试片(cai料、硬度和厚度均相tong)进xingyige测试,该测试需要试片与子弹流cheng90°并且与枪de喷嘴de距离已zhi。

喷丸强度de测试

    目qian并没youyigeshi用de办fa可以zhijie测试yige喷丸束流de潜zai喷丸强度。目qianbi须依縦eü馐耘缤枋鱶aia尔men试片上以90°de冲击效果来进xing表征。喷嘴与试片de距离bi须和喷嘴与零件表面de距离yizhi。yinwei如图2所shide喷丸强度会sui距离发生变化,yin此这种yizhi性是非chang重要de。

    喷丸强度de测试de方fazai标准J443中you详xi描shu,需要测试yi组a尔men试片zai不tongde喷丸时间后de弧高值,以时间(或与时间相关de参数)weiheng坐标、以弧高值wei纵坐标进xing绘图。如果shi用liao无数gea尔men试片进xing不tong时间de喷丸,将得到yige连续 de“饱和曲线”。礲i徽馐遣磺衧hijide,zaishijide试验中数据是you限de,通changshi用4ge至8gea尔men试片。图3显shiliao连续de曲线和六ge数据点之间decha异。youyi点铭记zai心是非chang重要de,即:

每ge单独de数据点bi然是具you变化性de。

    数据点de变化性可以通过误cha带进xing表shi,如图3所shi。每ge误cha带表shiliao“期望值”de上限和下限。如果公cha带defanweizai两侧de平均值上符合标譲i玞ha,那么平均下来三分之二de数值将位于误cha带之间。另yi方面,如果这些数据tong时满足两ge标准cha,那么平均下来二十分之十九de数值将位于误cha带之间。如图3所shi,公cha带defanweitong时满足两ge标准cha。所you六ge数值均位于公cha带fanwei以内。机警dedu者可能会察觉到如果极限缩小yi半(满足yige标准cha),那么六分之二(三分之yi)de数据点将会落zai公cha带fanwei之外。

 

图3 . 基于六ge数据点de连续曲线


    获取yi组数据以后,那么jie下来de问题是如何得到喷丸强度。zai标准J443中you两ge不tongde方fa。可以(Ⅰ)用yigeji算机程序来分析数据或者(Ⅱ)ren工xuan择满足规fan要求dedezui小数值点。这两謟hi絝a均受到zaiyige给定de数据集中数据量deying响。如果zaiyige平滑de曲线中de数据de变化量bi较小,那么这些数据可以被renwei是“好de”,然er如果变化量较大,那么这些数据被renwei是“坏de”。yige重要deyi点:

    zaiyige平滑曲线中数据变化性是测试生chan控制觴ing詃eyi謟hi絝a。

(1)ji算机分析

    采用ji算机分析de方faji算喷丸强度youhen多you势,包括:ke观性强、强度值唯yi以及每ge数据点均可用。

    ji算机分析是基于(a)采用已zhide公式对数据进xing拟合;(b)gen据相关de准则zai曲线上得出yige唯yide点,这ge准则是:

    喷丸强度是喷丸时间增加yi倍时,增加量刚好wei10%de弧高值。

    对于yige给定de拟合后de曲线,仅youyige点满足上面de准则。

    gongyou四geyin素可以ying响ji算机方faji算喷丸强度de准que性。(Ⅰ)与唯yiyige喷丸强度点相关de取值fanwei;(Ⅱ)数据de质量;(Ⅲ)拟合公式dexuan择;(Ⅳ)数据点de数量。

(Ⅰ)取值fanwei

    xuan取数据fanweideyige重要原则就是:“数据中至少youyige点所对应de时间bi须bi喷丸强度对应de时间更短”。这ge原则de重要性可以用下面这gezhenshide例子来zheng明。xuan择SAE表面强化委员会给出de八ge例子中deNo.1de数据,如果把第yi组数据qudiao,增加yigezai时间wei16时弧高值wei7.1de数据,这两组数据如表1所shi。

表1

SAE规fan中deNo.1数据以及修饰后de数据

 

    采用ji算机分析de方fa,shi用French-specified拟合方程对数据进xing拟合,所得到de曲线如图4所shi。对于SAE给定de例子中,shi用第1至第4de数据得出de喷丸强度wei6.4(zai4.75de时间)。shi用第2至第5de数据得出de喷丸强度wei5.9(zai1.08de时间)。

 

图4. 原蔶i載exuan择对ji算喷丸强度deying响


    采用修饰之后de数据画出de曲线qian段bu分ji乎weiyitiao曲线,这不可能zhao出zhenzhengde喷丸强度。

    xuan取数据fanweide第二ge重要原则就是“数据中至少youyige点所对应de时间bi须和喷丸强度对应de时间de2倍相tong或更长”。具beiliao这ge原则意wei着可以用shijide数据queren“喷丸强度是喷丸时间增加yi倍时,增加量刚好wei10%de弧高值”是否满足要求。

(Ⅱ)数据de质量

    每yi组数据都与li想zhuang态de平滑de饱和曲线chan生yi定程度de偏cha。这就是变dong幅度,可以觤ei炊ㄒ鍄i组数据de质量。测试出de弧高值发生sui机de或系统性de偏cha是zai所难免de。zaiyi组数据中数据越多,则越能jian少这种偏cha。但是,如果总偏cha过于严重,那么瞙uai懿捎煤沃中问絛e分析都会bi较困膞uanU庵智閗uang用“xiu木不可雕襜ing闭鈍e名句是bi较合蕇hi摹i组数据de质量是否簒i駔hijieying响着是否可以ji算出准quede喷丸强度。yigezhu观de方fa是做yige“chang识性”de判断,这是基于对绘制出de数据以及相应dezui佳拟合曲线进xing目视检chadejie果。ke观de方fa是基于数据拟合jie果de准que性,bi如离cha平方和de大小是否合适。

(Ⅲ)拟合公式dexuan择

    拟合曲线dexuan择(如果xuan择是觴inge)应该基于yi组数据de数量、fanwei和质量并且是否shi用liao复合夹具。对于“求解程序”xuan择指南如下ai╝)对于单ge夹具中每组数据you四到五ge中等礿ie诺戎柿縟e数据点shi用EXP2P或2PF程序,如果数据defanwei更大,则推荐shi用2PF程序;(b)对于复合夹具中每组数据you四到五ge中等礿ie诺戎柿縟e数据点shi用2PF程序;(c)zaiyi组数据you六ge或更多de数据点时shi用EXP3P程序。

(Ⅳ)数据点de数量。

    ren们pu遍没you意识到:

    喷丸强度de精度取决于yi组数据中数据点de数量。

    作weiyige近似值,ji算机得到de喷丸强度de公cha带等于单ge数据值除以yi组数据中de数据点dege数。例如,对于yi组五ge数据点,如果单ge数据点de公cha带de宽度de平局值wei1.0,那么喷丸强度de公cha带de宽度wei0.2(1.0/5)。这就决定liaozaiyi组数据中de数据点越多,那么得到de喷丸强度将会更准que。

    (2)zui小数据点dexuan择

   zai觴ing┣閗uang下没you办fa得到yige完整de饱和曲线,这种情kuang出现zai当单独deyi遍(yi次或yi次转tai旋转)喷丸后de弧高值与多遍(多次或多次转tai旋转)喷丸后弧高值henjie近de时候。弧高值与遍数de关系图如图5所shi。此时喷丸强度H就定义wei”当喷丸时间增加yi倍时,弧高值de增加量不chao过10%dezui小数据点”。

    图5中de数据点与图4謝ing奘魏骴e数据点bi较相似。zai这种情kuang下総ong皇视貌捎们吣夂蟙e方fa。采用“zui小数据点xuan择”de方fa得出de喷丸强度bishi用ji算机程序拟合饱和曲线de方fa要更大yi些,两者decha异大概zai10%zuo右。另外yige重要de特征就是喷丸强度是yige单yide值。

 

图5. 当喷丸时间增加yi倍时,弧高值de增加量不chao过10%dezui小数据点

queren

    通chang情kuang蟣v褂脃i定de遍数/次数/转tai旋转数对试片进xing喷丸进er才能绘制出饱和曲线。饱和曲线zhu要用于queren所需de喷丸强度是否达到liao要求。queren喷丸强度时用到liao饱和时间T。

   会花费bi较多de时间和精力觤ei吹髡鑒eide参数,目de是要zhao到符合规定要求de喷丸强度,喷丸强秗en杂e时间weiT,如图6所shi。当相关de参数que定以后,需要定期de进xing检cha襶unfanㄕ庑┎问玫絛e喷丸强度是否持续de满足要求。但是,检chadejie果和喷丸强度是不相tongde。对于单gea尔men试片gu定器de强度queren与多gea尔men试片gu定器相bi要简单de多。

单gea尔men试片gu定器de强度queren

    zai标准SAE J443中描shuliao喷丸强度dequeren方fa。当仅youyigegu定器时,可以shi用单gea尔men试片进xingqueren。zaili想zhuang态下,这ge试片应该用时间T(喷丸强度对应de时间)进xing喷丸。需要指出de是,当时间de单位wei遍数或者旋转次数时,这种采用时间T验zhengde方fa総ong豢蓌ingliao。喷丸时间Then少wei整数,如图6所shi。J443中解释到“验zheng得到de弧高值与饱和曲线ji算得到喷丸强度decha异应zai±0.038mm以内……”。喷丸强度可以从饱和曲线上shi用简单de追加曲线求解程序获得。这种追加de程序会dai替把已xuan择de整数“时间”数值带入到拟合de等式中进er求得相应de弧高值。该弧高值可以称wei“目标querende弧高值”,不是zhenzhengde喷丸强度值。通过饱和曲线得出de强度值de精度bi单ge数据点de精度更加de精que。yige目标querende弧高值如图6所shi。J443规定验zheng得到de弧高值与喷丸强秗en郼hadefanwei应zai±0.0015英寸(±0.038mm)以内。作wei另外yige验zheng方fa,youyige简单de方fa可以调整规fande极限值(上限和下限),目de是弥补时间T和xuan择de目标querende“时间”。这謟hi絝ashi用liao目标querende弧高值和喷丸强度对应de弧高值debi值。通过简单地把上限和下限与ji算出debi例进xing相乘。下面de例子对这种调整如何zai现shi中进xingshi用进xingliao说明。

 

图6. 从具you整数“时间”单位de饱和曲线上得到de喷丸强度和目标querende弧高值

    对于单gegu定器de强度queren以及fanwei调整de例子。

    图7中de例子是基于shi用2PF程序以及SAEdeNo.4deyi组数据。zai拟合公式h=a*t/(b+t)可以得出以蟣v担篴=6.22,b=0.58,得出de喷丸强度wei5.09,喷丸强度对应de时间wei2.62。把3(t值)dai入到2PF公式中可以得到h=6.22*3/(3+0.58),从er可以得到“目标querende强度”h=5.21。把规定de强秖ue秝ei(4和6)乘以5.21/5.09后得到4.1和6.1作wei修zheng后de极限。那么采用“时间”wei3遍进xing喷丸强度queren时,所得de弧高值需落zai4.1至6.1defanwei以内(图7中de绿色棒)。zai这ge特殊de例子中,对于误cha带de调整hen小,不ying响zui终querendejie果。对于喷丸强度点和极限fanweihenjie近de例子,可能会zai这种调整中受益。

 

图7. 从具you整数“时间”单位de饱和曲线上得到de喷丸强度和目标querende弧高值


多gegu定器de强度queren

     当shi用多gea尔mengu定器进xing饱和曲线绘制时,将会chan生多ge“饱和时间”T。zai这种情kuang下,J443推荐shi用yigequerende时间进xing强度queren。所xuan择de时间不应bizui短de饱和时间更短,tong时也不能bizui长de饱和时间更长。zui终得到de弧高值与原shi饱和曲线得到de喷丸强秗en郼hadefanwei应zai±0.0015英寸(±0.038mm)以内。

    另外yige方fa就蕅ian阉鵼oude喷丸强度对应de时间进xing平均并进xing四舍五入,然后zai每gegu定器上用这ge四舍五入后de整数时间对试片进xing喷丸,从er进xing目标强度queren。那么zai每gegu定器上进xing目标强度dequerende方fa可参照之qiande单gegu定器de方fa。第二ge问题就是要能gou把qi包括de大量de数据可视化。yige简单de基于Exceldeji算机程序可以自dong执xing相关deji算。这ge程序也会chan生调整后de上限和下限,tong时也要shi用±0.0015英寸de方fa。下面de例子对这种程序如何zai现shi中进xingshi用进xingliao说明。

zaishi用多gegu定器de情kuang下de强度queren程序

    针对这ge例子,假设夹具中包hanliao七gea尔men试片gu定器。zai每gegu定器上生chan饱和曲线并shi用2PF求解程序。得到de相关de喷丸强度和时间如图8所shi,tong时shi用基于Excelde“强度queren程序”。七ge喷丸强度对应de饱和时间Tde平均值wei5.71,四舍五入后得6。假定喷丸强度de上限和下限穤hi饂ei8和10。zai每gegu定器上,shi用T=6时对这些极限进xingyi些调整(与之qiande单gegu定器de方fa相tong)。目标queren弧高值(把T=6dai入到每ge饱和曲线de公式中)zaihuang色de襤uan甘葜小Ⅻ/span>

    zai7gegu定器位置中shi用T=6de时间进xing喷丸,测量后得到de“queren弧高值”shu入到lan色de襤uan甘葜小C縢e数据均要求位于调整后de上限和下限之间。

 

图8. zaiyou7gea尔mengu定器de夹具上shi用2PF求解程序


    喷丸强度queren值和目标值之间decha异ji算出来后显shizain钪怠眃e襤uan钢小eiliao模拟出“问题zhuang态”下de情景,queren弧高值de数值県uai室鈊e放大liao,这与把之qiande饱和曲线弧高值测量de时间设weiT=6you关。故意de放大后de值zaicha值襤uan钢写蠖嘞詓hiliao“zheng值”。这种大多数de情kuang并不是sui机发生deer是与yige或多ge控制参数de变化you关(bi如压缩空qi或叶lun转速)。zui终de襤uan盖逦叵詓hi所you七ge试片querendejie果均满足公cha带要求defanwei。

两ge试片喷丸强度dequeren

    采用yige试片进xing喷丸强度querende方fa并不能保zheng竚en缤枋鱠e强度达到liao要求。这仅仅能gouquerenzai该处de弧高值是连续de。图9中de情kuang包han羢ong?de饱和曲线tong时huaiyou另外两tiao曲线,zai1,2和3处you譸ai缤枨慷龋馊齮iao曲线均通过liao相tongde目标queren弧高值5.21。如果采用两ge试片进xing喷丸强度queren,那么会明显地把三tiao曲线进xing区分开,关键是zai第二ge试片用2TINTde时间,即两倍deTINT。采用两ge试片de方fazaiyi定程度上能gou更准quedequeren喷丸强度。

    值得注意de是,如果丸流量或者丸料速秖ue⑸鷋en大地变化后,那么喷丸强度也会发生hen大地变化,如图9中所shi。像这样大de变化zaiyi般情kuang蟣v莌en难yu到de,但是如果zai控制体系发生liao某些明显de变化后可能会发生这样de问题。

 

图9. 通过目标queren弧高值dejitiao曲线


总jie

    喷丸强度是yige喷丸束流zai零件表面上引入yi定残余压应力ceng深和塑性变形de潜zai能力。这种潜zaide能力仅zai零件喷丸de时候才能被ren识到。非chang重要de是,要ren识到喷丸强秗en婢嗬雂e变化er发生变化。

    喷丸强度de量化是通过对yi组a尔men试片de弧高值进xing测量和分析er得到de,每ge试片都要喷不tongde时间。把不tongde弧高值连zaiyi起就能近似地得到yige连续de曲线。每组数据都能goushi用ji算机程序ke观地ji算出来。弧高值defanwei(喷丸时间dexuan取)、数据点de质量、数据点de数量和拟合曲线dexuan取对于取得准quede喷丸强度会chan生重要deying响。

    规fan中规定de要求de喷丸强度dequeren方fa是shi用非整数de饱和时间T得到de弧高值是否zai要求defanwei以内。

    采用yige整数de数字,遍数,进xing强度queren时,目标querende弧高值要进xing调整。yigeke观de基于Excelde“queren程序”可以shi得所youdeji算自dong进xing,尤qishi用多gea尔mengu定器时是非changshi用de。两ge试片queren强度de方fazaiyi定程度上可以保zheng喷丸强度querendejie果de可靠性。