第ershi一qi 丸料束流的性能
发布时间:2017/9/25 14:11:53

引 言                                                                                                    

    喷丸过程包含三个要素:丸料束流、设备和工件。这三个yin素共tongjue定了喷丸的he心参数:喷丸强度和覆盖率。图1表示了这三种yin素的交联作用。

                 

图1 喷丸yin素的交联作用

(其中SS表示丸料束流、M表示设备、W表示工件)


    图1表示了喷丸过程的所有yin素。对yu一个具体的喷丸过程,工件的参数(例如材料、硬度、尺寸和形状)du已由客户制定好。喷丸he心参数(喷丸强度和覆盖率)以及丸料的型号与尺寸也会yu先制定好。喷丸工程shi所xu要做的就是设zhi合shi的丸料束流和设备参数,即SS/M,lai满足客户的要求。本篇文章中的“参数”表示的是可测liang的以及可变化的jue定喷丸操作输出zhi的liang。

    丸料束流由两部分组成,即“入射丸流”和“反射丸流”。入射丸流从喷嘴中喷出,而反射丸流是从零件上反弹回lai的丸義ian槌伞1酒恼聑hu要是对这两种丸流进行定liang分析。采用丸粒之间互相碰撞的案例lai表征如何使用性能定liang的方法分析喷丸的重要问ti。

    入射丸流的最简单几何mo型就是切去顶秙huo恼瞶hui体。这意味着圆zhui体的顶点是缺失祄o瑃ong时中心轴与底部成直jiao且圆zhui体的底瞜e残巍H肷渫枇鞯男阅苁怯梢韵聎u个参数的liang级以及交联作用jue定的。

    1、丸流liang;

    2、喷qiang直径;

    3、圆zhuijiao;

    4、丸料;

    5、丸料速度。

zhu要参数

    图2为切去顶秙huo恼瞶hui体以及丸流重要的wu个参数的示意图。

    丸流liang,指的是从喷嘴中喷出的丸料质liang速率。在设眊ang猩鑪hi的该参数可允许有一定的精度wu差。例如,在cikong阀中设zhi丸流liang6gong斤/分钟,相当yu100g/s。

    喷qiang直径,D0的liang级襤ua阄父鰄ao米,会随着使用发生磨损而变大。

    圆zhuijiao,2α 是一个非常重要的参数,jue定了丸料束流的散布情况。该zhi的大小zhu要取jueyu喷qiang的种类以及长度直径bi。jiao长且狭窄的喷qiang相jiaoyujiaoduan且kuan大的喷qiang,其圆zhuijiao会更小。收敛kong/发散kong的喷嘴喷出丸料束流的圆zhuijiao由发散jiaojue定。目前工chang使用的喷qiang的圆zhuijiao襤ua阍?~45°。

    丸料速度,vzhu要由压缩空气的压力jue定。其大小可以使用高速摄像机或者感应设备进行测liang。还有一种间統ong姆椒ǎ褪峭ü谝阎捕鹊牟牧仙喜鈙hi丸料击打hou留下lai的凹kang直径进行测算。xu要指出祄o枇纤俣鹊拇笮』醩houdao丸流liangzhi的大小影xiang。

    丸料,为具体的喷丸操作中使用的丸料类型,例如S230。相guan的规范会确保丸料的化学成分、硬度和尺寸范围。

      

               图2.切去顶秙huo恼瞶hui体以及丸流重要的wu个参数的示意图


几何特征

    切去顶秙huo恼瞶hui体mo型可襶uan碚鞔蟛糠zhi耐枇鲜鳌M?xian示了这种mo型的重要尺寸特征。

    在圆zhui体任意距离S处的圆形jie面上dedao的圆的直径为AB,其面ji可deπAB2/4。该面ji随着S簍ou稚iao2α的增加而增加。图3xian示了相guan情况的几何特征。

喷qiang直径D0和半顶jiaoα定义了丸料束流的参数

    圆zhui体具有假象的原点O,横jie面的圆形直径为DS,会随着离喷qiang的距离S而变化。gong式(1)gei出了横jie面直径、喷嘴直径以及圆zhui半顶jiao之间的guan系。

 

图3. 入射丸流的圆zhui形mo型的几何特征


    DS= D0+2S.tan α                                                             (1)    

    只有知道tan α的zhi,才能使用gong式(1)。而要dedaoαjiao,可以进行shi验dedao。bi如,蔳ua皇枇鲜饕源怪钡膉iao度喷一个静止的平ban,ranhou测shi平ban的喷丸qu域(由100%覆盖率的凹kang组成)的直径,DS。测shi出喷嘴的直径为D0,喷嘴至平ban的距离为S。或者也可以使喷qiang在与平ban距离不变的情况下进行横向移dong,ranhou测shi出喷丸qu域的平均kuan度DS。通过gong式(1)可de:

    tan α=(DS-D0)/2S                                                          (2)

    例如,一束丸料束流从10mm直径的喷嘴中喷出,在平ban上形成的喷丸qu域的直径为50mm,喷嘴至平ban的距离为200mm。那me通过gong式(2)可以de.tan α=(50-10)/400=0.10(5.7°)。由yu已知tan α,可以dedao距离喷嘴任何距离的丸料束流的横jie面直径。tong时,也可以筶ang阃枇鲜鞯暮醞ie面AS随着距离的变化gong式:

    AS=π(D0+2S.tan α)2/4                                                     (3)

    丸料束流的横jie面直径随与喷qiang的距离成线性han数guan系,丸料束流的横jie面面ji随与喷qiang的距离成er次han数guan系,如图4所示。

 

图4. 喷丸束流横jie面的直径与面ji随与喷嘴的距离的guan系(喷嘴直径10mm,分散jiao为5.7°)


    分散jiao2α的大小范围为5°~45°,具体大小取jueyu所用喷嘴的类型。襤ua闱榭鱿拢稚iaoxukong制在10°~24°,如图5所示。

    如guo一个圆zhui体被一个平面以一定的jiao度横jie的hua,可以形成一个椭圆的形状,如图6所示。

    与喷嘴tong样的距离S,椭圆的面ji要bi圆的面ji(直径为AB)大。采用ji近似zhi的方法,土元的长轴DCdengyuAB/cosθ。例如,如guoθdengyu45°,那me椭圆的面ji为圆(直径为AB)的面ji1.4倍,如图6中的右图所示。

               

图5. 细与磟hi娜肷渫枇魇疽馔稽/span>

 

          图6.圆zhui体被一个平面以一定的jiao度θ横jie所形成的一个椭圆的形状


入射丸流的dong力学性能

    丸料束流是由ju多高速运dong的丸粒组成。而这xie在丸料束流中的丸粒是具备dong力学特征的。tong时,这xie丸粒也具备静力学特征-尺寸分布,形状,材料,硬度和密度。喷丸设备的参数设定jue定了丸料被送入喷丸束流中流liang和速度,换句huashuo,就是jue定了喷丸束流的dong力学特征。

丸流liang和丸流通liang

    丸流liangMF为mei单wei时间丸料被输送dao喷丸束流的质liang。丸流通liangMXS为mei单wei时间丸料流过一个特定面ji的质liang。yinci可de:

    MXS=MF/AS                                                                        (4)

    其中,AS为与喷嘴呈一定距离S的横jie圆面的面ji。

    例如,当喷丸设备设zhi成mei分钟从10mm圆喷嘴中喷出的丸流的质liang为6kg,那me丸流liangMF为100g.s-1。如guo横jie面AS为78.5mm2,那me丸流通liang为1.27g.mm-2.s-1。丸流liangMF是个常数,但是丸流通liang会随着丸料束流的横jie面发生改变。把AS代入daogong式(3)中,可以dedao如下gong式:

    MXS=4MF/[π(D0+2S.tanα)2]                                          (5)

    例如,如guoMF=100.g.s-1,D0=10mm,S=200mm以及α=3.4°,那meMXS=0.11g.mm-2.s-1

粒流liang和粒通liang

    粒流liangPF为mei单wei时间丸料被输送dao喷丸束流的数liang。粒流通liangPXS为mei单wei时间丸料流过一个特定面ji的数liang。如guo知道粒通liang的数zhi,那me就可以yu测丸料束流在零件上制造凹縴ong乃俾省Ⅻ/span>

    丸粒流的gong式如下:

    PF=MF/m                                                            (6)

    其中m为输送dao丸料束流中丸粒的平均质liang。

    最简单的测shim的方法就是对已知数liang的丸粒进行chen重。chen重设备为高精度的天平。通过该方法可以dedao型号为S70、S170、S230和S930铸gang丸的丸粒平均质liangm分别为0.12/0.54、1.48和89.8mg。如guo丸流liang为100g.s-1,那me相应的粒流liang分别为830,000、190,000、68,000和1,100s-1。作为一个大概的zhi,不tong尺寸的丸料,其数liang可以从约襤ua偻騞ao约一千(以丸流liang100g.s-1为例)。

    粒通liangPXS由下式可de:

    PXS=PF/AS                                                           (7)

    例如,一个36mm直径的丸料束流击打一个平ban。喷丸qu域大约为1000mm2。那me对yu不tong尺寸的丸料,丸料束流在零件上打击的速率为1000粒dao1粒mei平方hao米mei秒。

丸粒空间密度和丸粒占有空间

    有两个重要的问ti,一是“丸料束流在空间中mei单wei体ji的丸粒数liang是多少?”,er是“丸料束流中mei个丸粒平均占有的空间是多少?”。

    丸粒空间密度PSD是mei单wei空间体ji重丸粒的数liang。PSD的zhi取jueyu丸流liangMF、丸粒速度v、圆zhui体jie面面jiAS以及单wei丸粒的平均质liang,m。gong式(8)gei出了相应的guan系式:

    PSD=MF/(v.AS.m)                                                     (8)

    例如,如guoMF=40g.s-1,v=60m.s-1,AS=400mm2以及m=0.54mg(S170丸料),那me代入daogong式(8)可以dedaoPSD=0.0031mm-3(或3.1meicm3)。

    图7为mei平方厘米三个丸粒的时滞mo拟图(在前述例子中筶ang鉪e出)。当丸粒的速度为60m.s-1以及移dong距离为1cm时,时滞为1/6000秒。平均lai讲,在该时间qu间内,三个丸粒将进入dao该li方体中,而另外三个丸粒将离开该li方体。丸粒的weizhi几乎是随机祄oㄖ詓huo是几乎,是yin为丸粒在tong一瞬间不可能重die)。

       

图7. 丸粒空间密度为3/cm3的入射丸粒时滞图


    丸粒占有空间PSO是平均mei个丸粒所占据的空间体ji,其与PSD是成反bi祄o钥蒬e下式:

    PSO=v.AS.pm/MF                        (9)

    在上述所示例子中,PSO=323mm2,即dengyu在边长为约7mm的li方体中有一个丸粒。

穝hang兄械耐枇8鍪琋

    穝hang兄型枇5母鍪齆为至喷嘴距离S的范围内,丸粒的总个数。可以通过下式进行筶ang悖裹/span>

    N=MF×S/(v× m)                    (10)

    例如,如guoMF=40g.s-1,S=300mm,v=60m.s-1,m=0.54mg,那me可deN=370。

    dong能

    mei一束丸料束流在任意瞬间du会有大liang的丸粒以hen高的速度运dong。mei个丸粒du具有dong能E,可以由下面最著ming的gong式de出,该gong式shi用yu喷丸ling域:

    E=1/2mv2                         (11)

    其中,m为丸粒的质liang,v为其速度。

    襤ua鉲ai讲,丸粒的穝hang兴俣确段?0~100ms-1。对yu一个单独丸粒,通过已知丸粒速度和质liang可以dedao其dong能。图8xian示了对yu不tong的尺寸铸gang丸的dong能与速度的对数qu线变化图。由yu图中的能liang范围tai大,所以除了使用对数qu线图外,没有其它合shi的表征方法。

 

图8 铸gang丸的能liang与尺寸和速度的变化qu线


    丸粒的dong能与“饱和qu线”(糲i缤枨慷龋┯凶胖苯yong牧怠A硪环矫妫哺锹视胪枇鲜鞯膁ong能通liang和喷丸时间相guan。

    dong能流liangKEF是mei单wei时间进入丸料束流中的总dong能,即E/t。使用gong式(11)可de:

    KEF=1/2MF.v2                                                          (12)

    例如,一束丸料束流中,MF为0.1kg.s-1(6kg/min),丸粒的穝hang兴俣任?0m.s-1,代入gong式(12)可de丸料dong能为180kg.m2.s-3,相当yu180W。

    dong能通liangKFX,是mei单wei时间mei单wei面ji进入丸料束流中的总dong能,可以使用gong式(7)和gong式(11)de礿iao率鰃ong式:

    KFX=1/2mv2.PF/AS                                                      (13)

反射丸流的特性

    丸料从零件表面反弹之hou会形成一个反射的丸流,该丸流会与入射丸流发生互相影xiang。反射丸流的几何特征hen大程度上取jueyushou喷零件的表面特征。yinci对yu反射丸流的特性不能一概而论。图9仅仅xian示了一种情况,即一束jiao细的丸流从一个零件平直的表面反弹的状态。在距离零件表面非常近的qu域,反射丸流的空间密度要大yu入射丸流。例如,假设入射丸流的速度为60m.s-1,空间密度为mei平方厘米3个,反射丸流的速度为45m.s-1,那me反射丸流的空间密度平均为mei平方厘米4个。


                                    

                                       图9 由入射丸流产生的反射丸流


实例研究-丸粒之间的碰撞

    反射丸流的一个非常重要的特性就是为丸粒之间的碰撞提供了机会。一xie反射丸粒一定会和入射丸粒发生碰譩ingE鲎驳某潭却印扒嵛⑴霾痢眃ao“ying面相譩ing辈籨eng。“ying面相譩ing钡那榭隹梢缘贾峦枇7⑸鷓o碎,这是yin为碰撞的相对速度是两个丸粒的速度之和,就像chehuo发生时一样。反射速度取jueyu入射速度以及丸粒与零件表面之间的恢复系数。举一个dian型的例子,反射速度是入射速度的70%,入射速度为60m.s-1,那me入射丸粒簍ou瓷渫枇T凇皔ing面相譩ing笔钡南喽运俣冉飀ao100m.s-1左右(220英里/小时)。碰撞发生hou,丸粒的穝hang泄旒=岱⑸鷓ian离,那me和没有碰撞的情况相bi,丸粒的入射jiao度将不会那me理xiang。丸粒之间yan重碰撞的相对速度要bi丸粒和零件之间的碰撞要大的多,所以这也是导致丸料发生po损的zhu要原yin,you其是对yu那xie相对bijiao脆的丸料laishuo。

    那me接下lai引出的重要问ti是:“丸粒之间发生yan重碰撞的可能性有多大?”以及“影xiang丸粒发生碰撞概率的yin素是什me?”。可以采用下述的半描述的方法进行合理推算。如guoxu要更为精确的推算,那就xu要复詙ong耐臣品治龇椒恕Ⅻ/span>

碰撞qu域

    假设有两个直径为0.5mm的丸粒,一个为入射丸粒,一个为反射丸粒,正在发生碰撞过程。如guo要发生碰撞,那me其中一个丸粒的中心weizhi一定会weiyu1.0mm直径的碰撞圆形qu域,而另一个丸粒的中心weizhi也是如ci,如图10所示。如guo入射丸粒的中心weizhi在A点处,那me其将会簍ou瓷渫枇7⑸鷜ing面相譩ingH鏶uo入射丸粒的中心weizhi在B点处,即在碰撞圆形qu域的边缘处,那me将仅会簍ou瓷渫枇7⑸嗖痢!芭鲎苍残蝢u域”的面ji为π.d2,其中d为丸粒的直径。

    发生相擦的碰撞将不会对入射丸粒的喷丸效guo产生影xiang。“yan重碰譩ing笨梢yuan欢ㄒ逦肷渫枇5闹行膚eizhiweiyu碰撞圆形qu域襤ua氲膓u域,对yu这种碰撞的情况,入射丸流的的碰撞jiao度为30°或者更小,如图10所示,ci时发生yan重碰撞时,入射丸粒的中心weizhiweiyuC点。“yan重碰撞圆形qu域”的面ji为π.d2/4,其中d为丸粒的直径。

碰撞概率

    对yu两个丸粒的任何碰撞,碰撞概率pdu取jueyu丸料的空间密度和丸料的直径。例如,在1平方厘米空间的两个直径为0.5mm的丸粒,其相撞的概率pdengyu碰撞圆形qu域面ji/li方体的面ji,yinci可以dedaop=π/100或3.2%。yan重碰撞圆形qu域的面ji仅为碰撞圆形qu域的四分之一。yinci,对yu任意类型的碰撞,发生yan重碰撞的概率仅为碰撞概率的四分之一,在上述的例子中,为0.8%。

 

图10. 入射丸流簍ou瓷渫枇鞯呐鲎苍残蝢u域

    在特定体ji(1li方厘米)中单个入射丸粒发生任何类型碰撞的概率PTdu会随着丸料空间密度的增加而增加,如gong式(14)所

    PT=(π.d2)/100.4/3.P.S.D.                                                     (14)

    例如,如guoP.S.Ddengyu3,那me在定义的体ji中将有4个反射的丸粒(假设反射丸粒的速度是入射丸粒的75%)。当d=1mm时,那mePT=12.8%。单个丸粒发生“yan重碰譩ing钡母怕饰⑸叭魏闻鲎bing钡乃姆种唬谡飧隼又形?.2%。

    丸粒碰撞不仅发生在1平方厘米中,tong时也会发生在tong一pai的其它li方体中。这种li方体的数liang取jueyu丸流和零件界面的几何状态。如图9所示的例子中,表面为平面的零件会产生最多的li方体个数,yinci也会产生最多的倍率系数。

    对yumei一种丸料,对一个零件进行喷丸hou产生的碰撞概聅hi怯胪枇鞯耐枇峡占涿芏戎苯映烧齜i的。丸料空间密度是与丸流liangMF成正bi的。yinci可以dedao一个重要的guan系:

    对yumei一种丸料,对一个零件进行喷丸hou产生的碰撞概聅hi怯胪枇鱨iang成正bi的。

    图11xian示了碰撞概率与丸流liang的正biguan系。xu要zhu意的是,该图中所使用的数据与前述的例子相tong,即gang丸的直径为0.5mm,丸料速度为60m.s-1,丸料束流的圆zhui体jie面的面ji为400mm2

   

    图11. 在gei定的喷丸参数条件下,丸流liang对碰撞概率的影xiang

讨论

    所有丸料束流的xian著特性可以用一定的精度进行表示。要计算出lai这xie特性的具体zhi,xu要知道丸料束流的分散jiao。分散jiao是由喷qiang的高kuanbi(长度/直径bi)和喷qiang的形譪i鵭ue定的。目前市场上有数百种喷嘴,包kuo了各种形状、材料和高kuanbi。从喷嘴中喷射出lai的丸料束流的分散jiao是非常重要祄o橇钊司鹊氖牵壳癵uanyuciketi还没有任何的gong开发表的信xi和资料。喷丸工程shi襤ua闶腔鵼u过wang的经验以及推测lai选择合shi的喷嘴jiao度。

    所有工艺参数的kong制du会收dao参数变化性的影xiang。在一个喷丸过程中,重要参数bi如丸流liang、丸料尺寸、丸料速度和丸料形状在某一程度上du是一个变化的liang。例如,喷嘴的直径会在使用过程中发生磨损,yinci会影xiangdao丸料束流的性能。

    对yu丸料束流的各个参数进行定liang可以帮助研究喷丸过程的许多方面。本篇文章中讲dao的碰撞概率的例子就表明了在一定的喷丸参数下,入射丸粒簍ou瓷渫枇;岽嬖诜⑸皔an重碰譩ing钡母怕省S肴肷渫枇洗蚧髁慵砻娴那榭鱿郻i,丸粒相撞会产生更大的相对速度,yinci其对丸料的po碎率贡xian更大。入射丸粒与反射丸粒发生碰撞hou将会pian离垂謆i肷淞慵砻娴墓旒!K孀磐枇鱨iang的降低,丸料的碰撞概率和po损率du会随之降低。但是,这tong时带lai的另外一个问ti就是要达礿iao鄑ong的覆盖率,所xu喷丸时间会更长。非常zhidezhu意的一点就是,对零件进行过多的喷丸,不仅会langfei喷丸时间以及降低零件表面的性能,tong时也会增加丸料的po损率。