第二十二期 水喷qiang化与水喷丸qiang化
发布时间:2017/10/25 15:25:15

引 言                                                                                                    

    水喷qiang化和水喷丸qiang化的共tong特征就是均使用了水流。但是,两种gong艺是有着明显差异的。水喷qiang化xu要对零件施紋ou桓鲎愎桓叩闹苯友筶i使得零件表面chanshengsu性变形。er水流喷丸是使用水流zhong夹带的高速运动的丸liaolai冲击零件的表面,进er使得零件表面chanshengsu性变形。图1和图2说明了两种qiang化gong艺的差异。

    水喷qiang化的喷嘴zhong镶有宝石,mu的是保证足够祄u筸osun性能。对于水流喷丸gong艺,bijiao重要的是要保证水流的连贯性,er不能出现水流分叉的现象。

                             

图1.水喷qiang化的图jie

       

图2. 水喷丸qiang化的图jie

    对于水喷丸qiang化,丸liao被jiaru到速du低许多(相jiao于水喷qiang化)的水流謝iaoM鑜iao被水流jia速,进er冲击零件表面,然后被弹hui。

    本pian文章将对上述两种gong艺分别进行介shao,使用相tong的分xi方fa包括压li、li以及功lv等进行讨论。

水喷qiang化

    水喷qiang化的基本要求就是水流导ru的压li要高于零件的qufu压liqiangdu。当进ru到喷嘴时,水流hui被施以巨大的压li。ru果水流分叉,那么qi速du将huixia降。水作为一种液体是不可被压缩的。这就意味着qi与空气流的特征是不tong的。

水流速du

    水流的速duV可以使用以xiagong式进行计算:

    V=44.721*P0.5                       (1)

    当水流的速duV的单位为m/s时,那么施jiazai喷嘴zhong的压liP的单位为MPa。

    例ru,ru果suo施jia的压li为500MPa,那么把qi代ru到gong式(1)zhong,可以得到V=1000m/s。

    当采用英制单位时,gong式(1)变成:

    V=377.56*P0.5                     (2)

    当水流的速duV的单位为ft/s时,那么施jiazai喷嘴zhong的压liP的单位为kpsi。

    gong式(1)和gong式(2)可以简化为经典的流体li学的gong式,即:

    v=0.98(2*P/ρ)0.5

    qizhongρ为水的midu,对于gong式(1),ρ为1000kg/m3,P的单位为Pa。

    通过gong式(1)可襶uan莶籺ong的yi知压li绘制成图3。因为压lishe及的范围很大,suo以选择了对数zuo标。水流的速du可以大致地分为低、高和超高san个等级。zai水喷qiang化gong艺zhong,水流的速du是超高的。

 

图3 suo施jia的压li对水流速du的影xiang

水流喷丸zhong的水流对零件suo施jia的压li

    zai水喷qiang化zhong,水流zai零件表面suo施jia的压liPW是guan键的参数。ru果知dao水的midu和水流zai打击时的速du,那么gai压li可以很容易地计算出lai。xia述gong式zai水喷qiang化zhong是非常重要的:

    PWW*vW2                    (3)

    qizhongPW是水流以90°祄u莇u冲击零件表面suo施jia的压li,单位为Pa。ρW是水的midu,单位是kg/m3。vW是水流冲击零件表面时的速du,单位为m/s。

    总zhi,水喷qiang化过程zhong,水流的冲击压li是水的midu与水流速du平方的乘积。

    水喷qiang化suo依赖的是水流导ru的压li要高于零件的qufu压缩qiangdu。根据金属jiagong的理论,材liao的qufu压缩qiangdu是qufu拉伸qiangdu的1.155倍。对于水喷qiang化,水的midu为1000 kg/m3。因此gong式(3)可以简化为:

    PW=1000*vW2                    (4)

    zai大气气压xia,空气的midu为1.225 kg.m-3。这就意味着zaitongyang速duxia,水流suo施jia的压li是气流的800倍zuoyou。理jie水流施jia的压li的guan键就是qi与水流速du的平方成正bi。图4为水流施jia的压li与速duzhi间的guanxi图。材liao的qufuqiangduyezai图zhong的纵zuo标上给出了。

 

图4. 水流的速du对冲击压li以糰n膌iaoqufuqiangdu的影xiang

    水流的速du一定要da礿iao嗟备叩乃讲拍躢hansheng足够大的冲击压lilai超过零件的qufuqiangdu。zai图4zhong,金属材liao被大致分为san组,分别为ying质he金、半ying钢和软金属。通常suo喷的最软祄u鹗羰锹羑e金,此时水喷qiang化suoxu的水流最xiao速du为300m/s。zai软金属范围的dingbu对应的蕅ian難ing钢,此时水喷qiang化suoxu的水流最xiao速du为800m/s。对于bi不xiu钢gengying祄u鹗艚兴鐀iang化时,suoxu要的水流速duxu要geng快。

    zai流体li学zhongbijiao有趣的一个结论就是,一个连续的水流的冲击压li大约是施jia于喷嘴的压li的两倍。

    ruqian文suo述,水流zai离kai喷嘴后ji不hui分叉,ye不hui收羈ingS肟掌籺ong,水具觴iao氨砻嬲舕i”。表面张li可以使水(无论是水滴的形式huai是水流的形式)努li保持以及最xiao化qi表面积。因此,一束水流总是shi图保持qi形状。喷嘴的she计以糰n膌iaozai保证水流瞙uan植娣矫嫫鹱欧浅V匾淖饔谩hi想一xia,ru果水流zai打击零件表面时的直径变大成cong喷嘴刚喷出时的两倍,qi打击lihui减少为不变大的状态的si分zhi一(直径变大两倍,那么横截面积hui变大si倍)。

水流的功lv

    一束高速运动的水流具有非常大的功lv。可以使用以xia的gong式进行表shi:

    JP=1/2ρ*v2*A                   (5)

    qizhongJP是水流的功lv,ρ是水的midu,v是水流的速du,A是水流离kai喷嘴后的横截面积。

    例ru,一束水流的运动速du为1000m/s,qi横截面积为10mm2,那么代ru上述gong式可得qi功lv为5000千瓦。

水流的能量

    水流具有动能,表da式为1/2mv2,qizhong,m表shi质量,v表shi速du。zai水流撞击固体mu标物zhiqian,qi能量可以容易地県uai浪恪Ⅻ/span>

    例zi:假she存zairu图5suoshi的情形。一个长du为10厘米的水流,qi横截面为0.1cm2,那么qi体积可以精确地计算出为1li方厘米。水的midu为1g/cm3,suo襶uan贸u水流的质量为1g。ru果gai段水流的速du为1000m/s,那么qi动能为1/2*1*1000000g.m2/s2或zhe500kg.m2/s2。yi知1 kg.m2/s2=1J(焦耳),1卡路里=4.186J。那么500 kg.m2/s2=500J=120卡路里。

 

图5. 假想的一束特定水流的尺寸


水流能量的转化

    当一束水流冲击零件表面后,qi能量的分布方式一定hui出现变化。ru图1suoshi,当一束水流冲击一个平板时,qixiangqian的动能hui完quan地消失,水流的运动方xiangyehui转变90°。有一xie能量hui存zai于横xiang(平行于零件表面的方xiang)流动的水流謝iaou果假she水流的大bu分动能转化为热能,那胏ong肓慵哟サ乃鱞u分将hui变得非常地热,甚至于出现沸腾的状态。文献zhongyi经有一xie报告指出,水流qiang化可以chansheng蒸汽云。

    例zi:假shezai上述的shi例zhong,冲击qian水流的温du为10℃,总能量120卡路里zhong的10卡路里存zai于横xiang流动的水流謝iaou果把水cong10℃jia热到沸点100℃,xu要90卡路里。剩yu的20卡路里将hui消耗zaichansheng蒸汽的过程謝iaoⅫ/span>

    有理论依据认为水流的动能转变成热能是不一致的。最高的动量变化lv将出现zai水流的轴xiang方xiang。因此,可以认为zai轴xiang方xiang,geng多的动能hui转变成热能。图6为gai能量转化机理的shi意图。

    水流zhong少量的能量将hui消耗zai喷走材liao表面破sui的氧化物的过程謝iaoⅫ/span>

 

图6. zai水喷qiang化过程zhong,能量转化机理的shi意图

水喷丸qiang化

    水喷丸qiang化的基本特征ru图2suoshi。cong本质上讲,高速运动的水流被用lai把丸liaojia速到一个相当高的速du,进er使零件表面chanshengsu性变形。水的midu要bi空气大的多,因此可以很容易地对丸liaochanshengjia速的作用。

水流的速du

    zai第十期的文章zhongyi经介shao了计算计算丸流速du的相guan理论和等式。水喷丸qiang化与空气喷丸qiang化的唯一显著不tong点就是suo使用的jia速流体的midu不tong。水的midu为1000kgs/m3,bi空气的midu要高得多。zai10个大气压xia,空气的miduye才为12kgs/m3

    水喷丸qiang化zhong丸liao的速duVS取决于以xia几个因素:

    (1)水流的速du,VJ

    (2)阻lixi数CD是一个无量纲量,对于球形的物体qi值为0.5;

    (3)丸liao的横截面积,A;

    (4)水的midu,ρW

    (5)丸liao的midu,ρS

    (6)丸liao被jia速的距离,s;

    (7)水流和丸流的相对速du(VJ- VS)。

    ruqiansuo述,计算丸liao速du的gong式zaiqian期文章zhongyi经进行了相guan介shao,本期不zai赘述。表1为采用Excel表ge进行的相guan计算结果。这gaishi例zhong,假she水流的压li为12MPa,用lai秠uan滞杞衘ia速,jia速距离为100mm。水流的速du可以使用本片文章的等式(1)进行估算。“促进效lv”是丸liao速du与水流速du的bi值,单位为百分bi。zai本例zhong,丸liao的速du为水流速du的90%。

表1.采用Excel表ge估算由液体作为载体的丸liao速du

 

    zai表1zhong使用到了shu语“X因zi”。gai因zi的表da式为:

    X=(1.5*B2*B3*B4*B7/(B5+B6))^0.5            (6)

    X因zi的重要性zai于可以zai丸liao速du和水流速duzhong的bi值VS/ VJzhong体现出lai:

    VS/ VJ=X/(1+X)                                (7)

    zai上述例zizhong,X为10.7,那么VS/ VJ=10.7/11.7=0.915。采用百分数lai表da就是91.5%,等于“促进效lv”。xu要指出的是,“X因zi”越大,促进效聅hi礁摺4俳v与“X因zi”zhi间的guanxiru图7suoshi。


 

图7的形状特征为有理函数。

    tongyang喷丸qiangduqu线ye具有相tong的特征。gai图ye说明了水喷丸qiang化和空气喷丸qiang化的最主要的不tong。zai空气喷丸zhong,X因zi非常的xiao,因此qi促进效lvye非常xiao。喷嘴zhong的最大空气速duye受到了声速(大约340m/s)的限制。er水流的速du可以da到声速的4.3倍或geng高(大约1500m/s)。

水喷丸qiang化zhong丸liao速du的变化性

    zai水喷丸qiang化zhong,促进效lv几乎是恒定的,高于90%。相反地,对于空气喷丸的X因zi是处zai陡斜lv謝iaoR虼丝梢缘贸鲆桓鼋崧郏褪qiang掌缤鑪hong的丸liao速du的变化性相bi于水流喷丸要geng大。ru果水流喷丸的横截面能够保持不变的话,那么上述结论huigengjia明显。

例ru,ru果水流的横截面由于分san的问题增jia了一倍,那么水流的速du将hui减半,相应地,水流zhongsuo包含的丸liao速duyehui迅速减xiao。水流的速du减xiao,那么qijia速丸liao的能liyehui变弱。er空气jia速丸liao的效lv与水流相bihuigeng低,因此一dan丸liao离kai喷嘴zhi后,qi受到空气变化的影xianghuijiaoxiao。


讨论

    本pian文誰v嵌詑ian期guan于喷丸和抛丸的丸liaojia速机理的补充。通过Excel表ge的帮助,可以定量地分xi相guan的因素biru压li、功lv要求、速lv促进效lv和丸liao特征。例ru,可以很容易地显shi出zai空气喷丸zhong,大直径的丸liao不易获得高速du。相反,对于大直径的丸liao,采用水喷丸qiang化就可以很容易地获得很高的速du。功lv和能量的要求是bijiaoguan心的,特别是对于水喷qiang化er言。

    不含丸liao的水喷qiang化xu要超高的水流速du使得零件表面发shengsu性变形,进erchansheng残yu压应li。由于水喷qiang化不包含丸liao,因此qiang化后零件表面不hui出现凹kang。零件材liao的qufuqiangdu越高,qi表面越难发shengsu性变形。

    水喷丸qiang化的优点zai丸liao可以获得非常高的运动速du,于哪pa是尺寸非常大的丸liao。这zai喷丸成形gong艺zhong的优shi非常明显。对于纯水喷qiang化,水的循huan是一个bijiao大的问题。

    本pian文章zhong的gong式都是基于流体li学的,tong时ye采用一xie简单的假she,因此通过本pian文章的gong式计算得出祄u峁籬ui蕅ian俜职僮ji返摹5牵嘈舚i譲i沸詙e是相当qiang的,足够对不tong的变量簍ong籺ong的gong艺进行定量分xi。对于几种不tong的喷丸qiang化gong艺,相应的Excel表ge(不包含宏命ling)可以deng陆shotpeener@btinternet.com网站进行xia载。