第十wu期 铸钢丸的尺寸及其变化性
fa布时jian:2017/3/25 11:55:20

引 言                                                                                                        

    铸钢丸zuizhong要的指标就是尺寸。铸钢丸的尺寸是喷丸强度、覆盖率he硬化层shen的zhong要影响yin素。yin此,丸料尺寸的变化性也是henzhong要的yin素。zai规fanSAE J444heAMS 2431zhong,指定采yong筛分的fang式que认铸钢丸的尺寸。yin此,基于筛网的mu数可yi得到铸钢丸的ming义尺寸。同时,铸钢丸的尺寸也可yiyong球体的直径来表示。采yong球体直径表征的fang式蕅ian冉蟜ang便的,这是yinwei(a)铸钢丸是近似球形的,(b)球体的形zhuangte征jin有yi个尺寸,即球体的直径。如guoyong球体直径表征丸料尺寸,那么需要使yong“近似球体”的竝ai睢Ⅻ/span>

    yi个丸料heta的“近似球体”具有同样的体积(yin此也具有同样的质liang)。图1显示了筛网jianxihedeng球体之jian的尺寸差异,这种尺寸差可yi作wei筛分丸料尺寸的fang法。

 

图1 ni龙筛网shang的铸钢丸


    铸钢丸的尺寸分布是xiang当广的。图2weiSAE J444规fanzhong的铸钢丸的尺寸分布fan围。钢丸的型号weiS+数字,尺寸分布符合SAE J444的规定。

    每种ming义尺寸都有xiang应的直径分布fan围,这个fan围是与zhi造he筛分铸钢丸的fang法xiang关的。zaiSAE J444规fanzhong规定了每种铸钢丸的尺寸分布fan围。铸钢丸尺寸分布fan围yue大,对受喷ling件qianzai影响的不que定yin素yue多。lingyifang面,如guo铸钢丸的尺寸分布yue小,那么其zhi造he丸料维hu成本就yue高。dan是,zai不考虑单个规fan的te定含义的情kuang下,qingxiang于这样理解:规fan的存zai就是wei了使觤eiiang信是符合xiang关标zhun的。


 

图2 根据J444 标zhun规定的丸料ming义尺寸绘zhi的近似球体


    所有的喷丸规fan都是基于te定参数的定义、测liangfang法he变化liangfan围而zhi定的。yishang三个yin素都应该清晰地规定并尽可能mei有异yi。

    新的he使yong过的钢丸的尺寸分布是不xiang同的。任何型号的钢丸zai使yong之hou由于磨损祅ao瓂in尺寸都会变小。使yonghou的铸钢丸会包含yi经磨损的钢丸he新添加的钢丸,其zhong由于磨损而变小的钢丸占有yi定的bi例。“原始钢丸”he“维hu钢丸”就是区分两种zhuang态的钢丸。“维hu钢丸”的尺寸分布zhuang态可yiyong几謟hong秃诺摹霸几滞琛被旌蟜ang式进行模拟。例如,S230的“维hu钢丸”可yiyongS110、S170heS230的“原始钢丸”yiyi定的bi例混合的fang式进行模拟。


丸料的ming义尺寸

    丸料的ming义尺寸就是每謟hong秃磐枇系钠骄叽绲谋泶飂ang式。如guojiashe每种丸料的形zhuang都是球形,而且密度wei7860Kg/m3,那么可yi计算丸料的平均质liang,如表1所示。

    yi般把样品的zhongliang定义wei100g,也xu有ren对不同型号的100g丸料包含多少个丸粒感兴qu。不同规格丸料的数liang从几百万到几千不deng,这主要与丸料的尺寸有关。喷丸she备zhongyi直循环使yong的100Kg的S110铸钢丸竟包含了10yi个丸粒!


  表1 采yong“近似球体”原则从J444标zhun得到的ming义丸料尺寸

 

丸料的变化性

    铸钢丸的ming义尺寸是yi个que定的值,ran而zai实际zhong铸钢丸的尺寸que是yi个fan围值。这个fan围取决于丸料的变化性he筛分fang法。

    铸钢丸是采yong钢液直統ou圃斓模庵謟hi造fang法是造成丸料尺寸变化性的主要原yin。把钢液从钢水包zhong倒入高压水射流zhong,水射流会把钢液chong散成小的熔滴,熔滴固化hou就变成了丸粒。熔滴zai固化的过程zhong会通过减小表面积体积bi的fang式尽li降di表面能。而球形就是具有zui小的表面积体积bi。yin此,铸钢丸祄u帕6冀朴谇蛐巍M?显示了通过yi满杓钢可yizhi造的钢丸祄u赡芊植糵an围。图zhong的quxianhe“正态分布”quxianhenxiang似。该quxian的平均值可yi通过yi些手段进行控zhi,例如diao整水流的速度he形态。平均值的变化性可yi通过fang差进行定liang表征(标zhun差的平fang)。



图3. 铸钢丸的尺寸变化类型


    质liang与尺寸的变化关蟙eng缤?所示,该图zhong謍ua藋i部分chang见的丸料型号(例如S110、S170heS230)。由于水cuihuozhuang态的金属cai料非chang的脆,yin此,丸料zhi造过程的砂料部分非chang容yi碎。dan是通chang情kuang下,把丸料he砂料粗筛分离之前,所有的丸料he砂義i蓟峤蟹旨叮瑀anhou进行aoshi体化hecuihuo。ranhou对丸料部分进行回huohe细筛分,yi产生满足规fan的不同型号的丸料。

    通过细筛分的fang法可yi把丸料分wei符合标zhun的不同的型号。细筛分的fang法是zhi造商的机密。图4显示了符合J444标zhun要qiu祄u赡艿纳阜謋ang法。例如,对于S70的丸料,通过筛分的fang法使其通过0.355mm的筛网,不通过0.125mm的筛网。这就会满足J444标zhunzhong的“0.425mm的筛网全通过,0.355mm的筛网shangzui多留存10%,0.180mm的筛网shangzui少80%,0.125mm的筛网shangzui少90%”。图4zhong关于S110、S170heS270丸料的xiang关筛分fan围也是符合J444要qiu的。

 

图4. 对于铸钢丸的筛分筛网选ze


    每謟hong秃诺耐枇xi蓟岚瑈i定的尺寸fan围。对于图3zhong描述的S70铸钢丸,其丸料直径fan围wei0.125mm到0.355mm。yi个丸粒的质liang是其体积chengyi钢铁的密度。体积weiπd3/6(dwei直径)。yin此质liang的fan围是直径fan围的3次fang。yi之前jiang到的S70丸料wei例,其质liang分布fan围wei(0.355/0.125)3到1。对于S110的丸料,质liang分布fan围wei2.8到1,S170是2.9到1,S230是1.7到1。如guo丸料zhi造商要zhi造gengwei精细的S70的钢丸,那么S70钢丸fan围的下限要提升到0.180mm,同样也是满足规fanJ444。对于精细的S70,其质liangfan围wei7.7到1.


尺寸测试fang法

    yi种典型的丸料尺寸测试fang法就是zai每pi丸料zhong抽取100g的样品,采yongyi系列标zhun筛进行筛分ranhou对每层筛网shang的丸料进行chenzhong。这种测试fang法包含了几种变化性。首先就是丸料样品本身,样品是从yi大pi丸料zhong选取的yi小部分,选取的丸料具有随机性。mu前yi经有多种技术,例如“机械随机抽样”,yi经能够保zheng所选取的样品具有合理的代表性。其次是把同yi100g样苀ang衵hongfu筛分测试,结guo也会有不同,即使hen轻微。zuihou,也是非chang关键的就是筛网本身也具有变化性。即蔳u脃i个质liangzui高的筛网,那么ta的不同网口祄u拙兑泊鎧ai差异。随着使yong时jian祅ao黾樱竿哪ニ鸹峤鴜i步加剧,也会增加孔径的差异性,同时会造成孔径的平均尺寸进yi步加大。值得注意的yi点就是,100g丸料zhong的丸粒数mu非chang的多,例如,100g的S110铸钢丸具有大约yi百万个丸粒。

    规fanzhong关于尺寸变化性的信息xiang对有限,如图5所示。关于丸料筛分的信息,AMS 2341标zhun规定对于每yi謟hong秃诺耐枇鲜箉ong5层或4层筛网(根据丸料的尺寸而定),biJ444标zhun规定的4层或3层筛网geng多yi些。


 

图5. J444标zhunshangS170铸钢丸的尺寸分布


    zai实际的测试zhong,100g样品筛分之hou会得到几个不同的zhongliang。对于“zui坏的情kuang”(例如,筛分结guojinjin满足规fan的ji限),尺寸的变化衴ue锏絲ui大。图6就wei这种zui坏的情kuang,即zai0.850mm筛网shang留存10g,zai0.710mm筛网shang留存75g,zai0.355mm筛网shang留存12gyi糱aü?.355mm筛网3g。

 

图6. 对S170丸料进行筛分试验的“zui坏的情kuang”


    S170的ming义尺寸wei0.425mm球形的直径。那么yi个zhong要的问题就是a?zhong丸料样品的平均尺寸是多少?”。正que答案是“并不zhi道,yinwei图6zhong所提供的信息并不充分”。如guojiashe每部分丸料的平均尺寸是每部分ji限值的yi半,那么可yi做chu筶ang恪;趕hang述jiashe,将有3g的0.1725mm的丸料,12g的0.390mm的丸料,75g的0.5675mm的丸料yi及10g的0.780mm的丸料,那么得到的zui终平均值wei0.352mm!这种筶ang憷醋杂谥蔿iang与体积的换算关系。结guo显示3g部分的丸料数mu占biwei48%,12g部分的数mu占biwei17%,75g部分的数mu占biwei33%,10g部分的占bijinwei2%。

    yishang的计算显示了丸料筶ang愕暮诵奈侍猓褪巧竿叽缡怯胪枇现本秞iang关的,ran而质lianghe体积是正正bi的。

    对于S170丸料yi个“zuihao的情kuang”就是,所有的丸義i纪ü?.710mm的筛网,ranhou留存zai0.425mm的筛网shang。即使这样也不能精que地zhi道丸料的平均直径。


单个丸粒尺寸测试fang法

    如guo可yi测试单个丸粒的尺寸,那么就能够得到丸料尺寸的变化性。可yi通过几种fang法测试单个丸粒的尺寸,zuiweichang见的fang法是精quechenzhong法he图像分析法。每种fang法都有其利弊。样品的尺寸是henzhong要的。10到1000个fan围的丸粒可yi代表实际的丸料尺寸。如guo丸粒数mu小于10个,那么就不能充分地检测变化性的有意义的精度。如guo丸粒数mu多于1000个,那么这个检测就tai耗费时jian了。chenzhong的fang法he形zhuang是无关的。lingyifang面,图像分析fang法是受单个丸粒的形zhuang影响的,而且xiang对主guan性强yi些。


chenzhong法

    chenzhong的fang法是客guan的,其精que性可yiyong指定的chenzhongshe备来保zheng。dan是这种fang法的缺点就蕅ian豿u皒unジ鐾枇ai天平shangfangshangyoufang下。如guo把丸粒平铺到图1zhong的ni龙筛网之shang,ranhouyong带有磁性的zhen转移丸粒,可能会geng加容yi操作yi些。现代的dianzichenzhongshe备可yi直接把chenzhong的数据传到dianzi表格zhong。


图像分析fang法

    这种fang法需要使yong照xiang显微镜来获取图像,ranhou使yong图像分析diannao程序进行分析。首要的问题就是diannao程序不能自动地区分单个丸粒。yin此就如chenzhong法yi样,采yongni龙筛网的fang法就gengweifang便yi些。或者,图像可yiyongdian膟ue写怼iannao处理的fang法wei先使yong“二元shou缩”的fang法(即把yi层的丸粒逐个剥离直至mei有丸粒huxiang接触),ranhou使yong“二元peng胀”的fang法(即renwei地使丸粒huxiang之jian进行接触)。这就得到了计算机可yi处理的单个丸粒的图像结guo。

    chenzhong法he图像处理法都可yi计算丸料的平均尺寸。


平均直径/质liang的单层测试fang法

    wei了测试丸料样品的平均尺寸,可yi采yongshang述的fang法测试单个丸粒的尺寸ranhou进行平均。也可yi采yongling外yi个ban法,就是把样品铺成yi层,测其质lianghe面积。这种fang法是基于丸料的平均直径d,质liangMhe其所占据的面积A之jian有着直接的关系。

    对于fang形排布的丸料,其数muwein,所占面积weiA,那么可yi得到n=A/d2。yi个丸粒的质liangmweiρ*π*d3/6。n个丸粒的总质liangN所占据的面积weiA,那么M= A/d2*ρ*π*d3/6,ranhou可yi得到公式(1):

    d=6M/A*ρ*π                      (1)

    其zhongρ=密度

    图7满足于公式(1),采yong统yi的球形颗粒的fang形排布fang式。

    wei了蔳ou剑?)祅ao韌eng加具体化,可yi把yi个丸料样品平铺zaiyi个固定的面积zhong。丸料样品会包含大liang的丸粒。例如,10g的S110丸料包含了100000个丸料。想xiangyi下,举yi个例zi,S110的丸料样品具有的平均直径wei0.0110英寸,ranhou平铺zaiyi个固定的面积zhong,其质liangwei10.00g。如guo样品丸料的直径增加1%,其ta参数不便的情kuang下,样品的质liang会增紋ou?0.10g。这样的yi个质liang变化hen容yi通过天苆iang馐詂hu来。

 

图7.zai单位面积shang丸料直径he数liang的关系


    如guo只是把丸料简单地倒入yi个圆盘zhong并不能形成yi个真正的单层丸料。图8显示了zai圆盘zhongchu现了第二层丸料yi及无丸料区域(即图zhong的黑点he白se区域)。可yi通过使“第二层丸料”he“无丸料区域”均heng的fang式hen快地得到真正的单层丸料。单层丸料质liang祅ao傧zhong允莌enhao的,对于10g的丸料yi般小于0.1g。与简单的qing倒的fang法xiangbi,要得到真正的单层丸料需要gengweifu杂的技术。对于单层丸料的测试fang法可yi通过数码xiang机fang大到计算机或dianshi的屏膆uang辖小Ⅻ/span>

 

图8.通过灯箱使yong单反xiang机pai照得到的S330丸料照片

丸料尺寸变化性的分析fang法

    表征丸料变化性的两个有yong的fang法就是柱zhuang图he盒xu图。


柱zhuang图

    柱zhuang图是基于把总数据分成zaixiang应fan围na的多个数据的fang法。图9he图10就是测试69个S780丸粒zhonglianghou得到的质liang与数liang的柱zhuang图。把图9zhong的质liang测蕐ue醙uo换算成“近似球体”的直径就得到了图10。

    采yong柱zhuang图有利有弊,就如图9he图10所示。采yong不同的参数就会得礿iang煌姆植冀醙uo。质liang变化柱zhuang图zhongxiang较di值qing斜,而直径变化柱zhuang图zhongchu现了双峰。从丸料zhong选取的测试样品是通过不同直径筛网筛分的fang法得到的。hen有可能样品是两种规格的丸料合成的,而每种规格的丸料是硈hi謈hu正态分布的。柱的尺寸、参数hefan围都会强烈地影响分布quxian的种类。

    柱zhuang图不会产生定liang参数的分布。ta们zui大的te征就是可yi硈hi謈huyi种熟xi的shi觉形xiang。通过柱zhuang图分析得到的数据可yiyong来que定hu补的参数,如fan围、平均值he标zhun偏差。


 

图9. 型号weiS780的丸料质liang与数liang的柱zhuang图


 


图10. 型号weiS780的丸料直径与数liang的柱zhuang图


盒xu图

    盒xu图可yi生动地描绘chu从yizu测liang数据zhong得到的wu个参数的概括。这wu个参数是zui小值、zui大值、较di的si分位数(Q1),zhong位数he较高地si分位数(Q3)。“zhong位数”是指yizu测试数据zhong的zhongjian值,yin此yi半的数据会高于zhongjian值,yi半的数据会di于zhongjian值。“si分位数”是测liang总数的si分之yi。yin此,当si分之yi的数据zai“盒讁ou畇hang”而ling外si分之三zai“盒讁ou隆笔保昂衵i”zhong包含了总测试数据的yi半。Excel软件采yong其自身祅ao怂鉬ang式来决定si分位数、zui小值、zui大值hezhong位数。

    图11显示了使yongExcel对yizu数据进行分析hou得到的三个盒xu图。这可yi说明怎么zai差异zhong来定liang地对bizuizhong要的尺寸参数。

    he柱zhuang图不yi样,yinwei盒xu图是与变liang(例如柱的尺寸、柱的数liangdeng)wan全独立的,yin此盒xu图是wan全客guan的。当遇到yi些可能性的规fan条 例时,那么这个te征会非chang的有yong了。

    zai实約hiongzhong采yong盒xu图进行解释会gengwei容yi。te别是遇到zhongjian值zai“盒zi”zhong位置的时候会非chang有yong。

 

图11. 三种例zi的盒xu图


讨lunhe结lun

    本篇文章jin是zhen对铸钢丸而讨lun的,而非zhen对所有其ta类型hecai料的丸料。这是wei了是文章geng有zhen对性yi及gengyoushen度,而不是泛泛之谈。本篇采yongJ444标zhun得到的yi些zhun则同样也可yi应yong到AMS 2431标zhunzhong。

    铸钢丸的尺寸变化性是源自其zhi造过程。随hou的筛分过程主要是zhi造chu符合规fan要qiu的不同型号的铸钢丸。丸料尺寸的测试是使yong100g的丸料试样采yong标zhun筛进行筛分,得到丸料的尺寸分布fan围,dan是mei有实际的平均尺寸的数据。现zai的图像分析软件可yizai丸料尺寸shang获得geng多的具体信息。需要注意的是,图像分析软件得到的结guo必xu是可zhongfu的yi及yi致的。

    yinwei进行筛分的100g丸料要远远多于使yong图像分析的丸料的数liang。yin此要geng加小心图像分析所得到的结guo是具有代表性的。

    采yong图像分析hechenzhong的fang法得到的尺寸变化性的数据可yi通过柱zhuang图he盒xu图表征chu来。zaizhi定规fanhe质liang控zhi时,盒xu图bi柱zhuang图gengweishi宜。

    本篇文章也jiang到了丸料的平均尺寸测liang可yi通过对yizhi面积shang的yi层丸料的chenzhong的fang式获得。mu前分析所得到的结guo还是hengu励ren心的,并且mu前的技术yi直zaifa展,可yigengfang便地得到单层丸料的样品。