第二十五期 影响阿尔门弧gao值的shi片yin素
发瞛i奔洌?018/7/25 15:45:52

yin 言                                                                                                     

    阿尔门弧gao值是阿尔门shi片中心位置的弯曲值。该弯曲是由gao速弹丸轰击阿尔门shi片的一个mianzhi后产生的,yong于喷丸束liu的“强秖u眂eshi。弧gao值是一个非常重yao的指标,在一些标准例如SAE J442和J443的标准中均有suo提及。

    喷丸后的阿尔门shi片从阿尔门固定qi上qu下zhi后,hui形cheng一个弯曲的形状,如tu1suo示。弧gao值huisuizhou曲lv1/R的增加er增加。喷丸hui产生一个深度为d的压应力层。该应力层中的压应力作yong在阿尔门shi片的heng截mian,产生了一个力F。tong时在shi片上施加了一个弯矩M。shi片抵抗弯矩的能力qu决于其弹性模量、宽度和hou度t。

 

tu1. 阿尔门shi片喷丸后产生了弯曲


    影响阿尔门shi片弧gao值的有关shi片的yin素如下:

    (1)shi片的弯曲抗力,E*I。其中E为弹性模量,I是gang度系数(tong时也chen为shi片的断mianguan性矩);

    (2)yin入的弯矩,M。shi片的抗弯强度yue大,其喷丸后的弧gao值yuexiao。喷丸yin入的弯矩yue大,shi片喷丸后的弧gao值yue大。

    本篇文章秡a跋炜雇淝慷鹊膕hi片yin素和弯矩进行可分析。阿尔门shi片的可靠性和一致性需yao对以上yao素进行控制。

shi片的弯曲模型

    基本梁的弯曲理论geichu了施加于梁上的弯矩和由该力矩yinqi的曲lv1/Rzhi间的关系:

    1/R=M/(E*I)                      (1)

    其中R是弯曲半径,E是弹性模量,I是shi片的断mianguan性矩,M是施加在shi片上的弯矩。

    公式(1)表明,shi片的曲lv(或弧gao值)suizhou弯矩的增加er增加,但suizhou弹性模量和断mianguan性矩的增加er减xiao。弯矩和弹性模量是常见的参数,端mianguan性矩相对lai说不太常见。端mianguan性矩是梁的gang性定量表征方式。幸运的是阿尔门shi片的形状为矩形,其端mianguan性矩I和尺寸zhi间的关系比jiao简单:

    I=w*t3/12                         (2)

    其中,w是shi片的宽度,t是shi片的hou秖uⅫ/span>

    可以通过弯曲尺讁ong姆椒╨ai更好地理jie公式(2)。在一个穓iao蛏峡梢匀菀椎赝淝咦樱籩r把尺子旋转90°,就hui发现hen难让尺子发生明显弯曲了。

    把公式(2)代入到公式(1)中,可de:

    1/R=12M/(E*w*t3)               (3)

    曲lv并非弧gao值,suo以需yao知道他men两者zhi间的关系。采yong“相jiao蟳eɡ怼笨蒬e:

    h=s2/(2R)                       (4)

    其中h是弧gao值,s为阿尔门ce具上zhi撑球zhi间的距离。

    把公式(4)中的R代入到公式(3)中可de:

    h=6s2*M/(E*w*t3)               (5)

    公式(5)是一个“定式方程”,表征了shi片suo有重yao参数的内在关系。S是阿尔门ce具的一个参数,M是丸料chong击和shi片变形的函数,E是shi片的重yao参数,但是受礿iang墓貁hu却不多,w是shi片的宽度, t是shi片的hou度,w对弧gao值的影响远xiao于t。

阿尔门shi片的抗弯强度

    阿尔门shi片的抗弯强度yuE*Icheng正比,如公式(1)suo示。秡a趃ei定hou度的N、A和C型阿尔门shi片,E和I应该是保持不变的常量。尽管E*I是阿尔门shi片的重yao参数,但是却hen少被直接监ce。

    把数显的阿尔门ce具进行简单的改zao就可以yong于gu算E*I。该简单的改zao如tu2suo示,其中5.5mm直径的钢ganyong于zhi撑受到zai荷为P的阿尔门shi片。该钢gan可以避mian被施加zai荷的阿尔门shi片yuzhi撑球zhi间的接触,进er可以消除tamenzhi间产生过多的磨损。在弯曲的shi片接触zhi撑球zhi莂i梢约郼e到最大达到0.700mm的弯曲值。钢ganzhi间的距离最大可为71mm,并在Fchu使yongdian片,目的是yao获de最大的弯曲敏gan秖uJ蕐ong梁的弯曲公式如下suo示:

         h=(p^* s^3)/(48E^* I)                                                     (6)


 

tu2. 对阿尔门ce具进行改zaoyong于ceshi抗弯强度


    把假定的数值s、E和I代入到公式(6)中可知,秡a贜型阿尔门shi片的弯曲值范wei,施加zai荷P的范wei为1~10N(大约0.1~1Kg)已经足够。tu2中的zai荷P可以使yonghen多种方法实现。本文中suoyong礿iang姆椒ň褪鞘箉ongchui直于阿尔门shi片的不tong质量的铁gan,该铁gan的一端为锥形,锥形顶端yuzai荷中心线重合。该特殊制作的阿尔门ce具需yao被zhi撑,以保zheng阿尔门shi片在两个穓iao蛏暇畃ing。

    公式(6)表明弯曲值h和suo施紋ong膠ai荷Pzhi间有zhou直統ong墓叵怠8酶膠ao后的阿尔门ce具可以对一个A型阿尔门shi片施紋ing籺ong的zai荷lai进行验zheng。tu3显示了弯曲值和suo施紋ong膠ai荷zhi间有zhou非常好的线性关系。

 

tu3. 秡a贏型阿尔门shi片,zai荷和位yi的线性关系

    采yong改zao后的阿尔门ce具可襶ue行矶郼eshi。最重yao的商业yong途就是ceshishi片抗弯强度的一致性。学术上的ceshi包kuo不tonghou度的N、A和C型阿尔门shi片的抗弯强度的对比以及弹性模量的ceshi。

一致性ceshi

    例如,可以在一盒共50个N型阿尔门shi片上进行一致性ceshi。在每个shi片的中心位謒eng暇┘酉鄑ong的758g(7.44N)zai荷。其弯曲值在改zao的TSP-3型号的阿尔门ce具上进行ceshi。收集礿iang氖齤u以条形tu的格式呈现,如tu4suo示。

 

tu4. 50个N型阿尔门shi片的弯曲值分bu条形tu


    秡a趃ei定的P和s值,公式(6)显示弯曲值h和抗弯强度EIzhi间存在zhou直統ong南咝怨叵怠H绻鹔 的变化性yue大,那么EI的变化性也yue大。

    在本次ceshi中,50个弯曲值的标准差为0.0052mm,ping均值为0.3633mm,范wei为0.355到0.376mmzhi间。

阿尔门shi片的hou度秡a诳雇淝慷鹊挠跋朦/span>

    如果E、P和w是恒定值的籥i瑂hi片hou度对抗弯强度的影响可以hen容易地确定。通过公式(5)可知,弯曲值h1/h2和阿尔门shi片的hou度t1和t2的关系如下:

    h1/h2=(t2/ t13                  (7)

    施加tong样的758g的zai荷后,N型和A型shi片的弯曲值分bie为0.360和0.079mm,er其hou度分bie为0.784和1.293mm(基于每种shi片的十次不tong位置的ceshi)。yin此h1/h2为4.56,(t2/ t13为4.49。差异为1.5%,yao比shi验误差更大。通过ceshi发现这两种shi片的宽度是一致的,tong时suo施紋ong膠ai荷襜u负跏且恢碌模敲磟aocheng变化性的yin素zhi剩下弹性模量,E。

弹性模量对抗弯强度的影响

    抗弯强度是yushi片材料的弹性模量cheng正比的。阿尔门shi片是由材料为SAE 1070的轧制钢带制作ercheng的,其gui定的弹性模量为201Gpa,yao比文献上记zai的铁素体钢的210MPa的ping均值yaoxiao4.5%。SAE 1070可以通过冷轧、热轧或窄带材制cheng。文献上记zaiSAE 1070材料的ceshi数ju为190~219.4GPazhi间。

    人men普遍不认为轧制gang的弹性模量是矢量(即tong时具有大xiao和穓iao颍r轧制gang是各向异性的,yin为在加工时其晶粒有zhou择you定向。该各向异性suizhou轧制的程度增加er增加,且宽shi片的各向异性yaogao于窄shi片。er中间退火的频次影响了择youqu向的程秖u6啻稳仍ひ誷uo产生的择youqu向程度相对lai说非常轻微。N型和A型阿尔门shi片在热chu理zhi莃aǔ2蓎ong纵切剪边的宽轧制ban材制zaoercheng。er一些C型阿尔门shi片是由热轧ban材制zaoercheng。

    弹性模量的各向异性直接影响zhou抗弯强秖u=酉耹ai就通过一些有限的shi验laiceshi单个sui机挑选的N、A和C型阿尔门shi片的弹性模量。采yong最佳拟合的方法ceshi通过原dian的h/p直线的斜lv,并对shi片的宽度和hou度进行细致的ceshi。弯曲值yuzai荷的相关关系如tu3、tu5和tu6suo示。秡a诓籺ong的阿尔门shi片的ceshi结果如下suo示:

    N型阿尔门shi片:E=199.9GPa;A型阿尔门shi片:E=204.5GPa以及C型阿尔门shi片:E=194.8GPa。

    从以上三个ceshi值可以看chu,弹性模量以及相应的抗弯强度差异非常明显。

 

tu5.N型阿尔门shi片的zai荷-位yi关系tu

 

tu6. C型阿尔门shi片的zai荷-位yi关系tu

喷丸suoyin入的弯矩

    阿尔门shi片受到喷丸后hui在其表mian上产生一个压应力层。该层上的应力乘以其作yong的mianji就de到了力F。该力F继erhuiyin入一个弯矩M。阿尔门弧gao值h是yu弯矩cheng正比的,如公式(5)suo示。

弯矩的产生模型

    弯矩的一个简单的产生模型如tu7suo示。该弯矩假设是由一个力F产生,其作yong的压应力层深为d,那么该弯矩为F(t-d)/2。该力F假设是由压应力层的一个ping均应力σ乘以其作yongmianji(shi片的宽度w乘以深度d),那么F=σ*w*d,继er力矩M可襷a扇缦鹿奖硎荆裹/span>

    M=σ*w*d*(t-d)/2            (8)

    阿尔门shi片的宽度w和hou度t均是常量,那胏hui?中zhi有两个变量。tu8显示了秡a贏型阿尔门shi片(宽度为18.95mm,hou度为1.295mm)其应力层深度和应力水ping秡a谕渚氐挠跋臁5毖褂αΣ闵畲锏絪hi片hou度的一半时,其弯矩达到了最大,然后弯矩一致jiang低直到整个shi片的截mian均为压应力时jiang为零。后mianhui进一步薲e鳎谑礿i应yong中通常hui对强度进行一个严格的限制,suo以一banqing况下压应力层的深度是不hui超过0.2mm,yin此弯矩是和ping均的压应力水pingcheng正比的。

 

tu7. 作yong在阿尔门shi片上的弯矩示意tu


 

tu8.压应力层中的深度和应力秡a谕渚氐挠跋朦/span>

shi片材料的性能秡a谕渚氐挠跋朦/span>

    影响弯矩的主yao力学性能是ying秖uR环絤ian,材料更gao的ying度hui导致喷丸后凹縴ong某叽绺黿iao,yin此其压应力层d也hui更xiao。另一方

   目莂i丫邢嗟倍嗟膕hi验表明喷丸后材料中的压应力mian,更gao的ying度也hui在压应力层中带lai更大的压应力水pingσ。yin此,可能huide礿iao喾 的结果。σhuisuizhou金属材料的ying度增加er增加。但这种精确的关系还wei在阿尔门shi片上进行建立,yin为阿尔门shi片具有ya稳taihui火马氏体的结gou,这hui导致问题更加复za化。ying度yue大,那么由喷丸导致的“喷丸hui火”的程度yuegao(喷丸hui火是由塑性变形导致的)。

    喷丸后在材料表mian上liu下的凹坑直径yuying度(压痕)的si次方根cheng反眖uQ褂αΣ愕纳疃葃u凹縴ong闹本禼heng正眖uin此,可以假设应里层深度dyushi片ying度的si次方根cheng反眖uⅫ/span>

    可以采yong一个经验方法lai对比shi片ying度的变化秡a诹礁鱿喾磞in素的影响。该方法de礿iang慕峁鐃u9suo示。这些数juchu自Champaigne和Bailey在ICSP9上发表的论文,本文把其转化硈ha俜直鹊谋浠Mü哉庑ヾian采yong最佳拟合的方法de到一个直线,然后对该直线的方程进行si次方根chu理,从erde到suizhou应力层增加er增紋ong闹毕摺442gui定了阿尔门shi片的ying度范wei为44~50HRC。er在该范wei内suo预ce的净变化jiang达到6.3%。

 

抗弯强度和弯矩秡a诨ao值的综合作yong

    秡a谂缤韬髎hi片的弧gao值h(单位为mm)可以采yong公式进行预ce:

    h=631*M/(E*I)                (9)

    喷丸suoyin入的弯矩受到了shi片的ying秖u⒖矶群蚳ou度的影响,然er抵抗弯矩的抗力E*I也hui受到shi片的宽秖uou度以及弹性模量的影响。

    公式(9)可以采yongM和I的公式进行进一步变化,可de:

    h=3786*σ*d(t-d)/(E*t3)       (10)

    公式(10)表明影响弧gao值的关键yin素是ying度(影响zhouσ和d),弹性模量和shi片的hou秖u8霉娇梢詙ong于预ce其包han的任he参数的影响效果。例如,假设σ=800MPa,E=201MPa,通过公式(10)de礿iang腘、A和C型阿尔门shi片(各采yongping均hou度)的曲线如tu10suo示。例如,竚en叻从砪hu了弧gao值yu应力层hou度的相互关系应该在J443标准的yaoqiu范wei以内。


 

tu10. 阿尔门shi片的hou度yu应力层深度秡a诎⒍呕ao值的预ce影响效果


讨论

    阿尔门shi片制zaochang商的首yao关zhudian就是其制zao的shi片喷丸后的弧gao值应该尽可能地保持一致。喷丸suoyin入的弯矩大xiaoqu决于shi片的ying度和hou秖uhi片的抗弯强度qu决于其弹性模量、宽度和hou秖u6za谙鄑ong的喷丸强度和fu盖lv,喷丸后shi片的弧gao值大xiaoqu决于以下五个yin素:ying秖uou秖u⒌阅A俊hi片的长度和宽秖uS跋旎ao值的关键yin素是ying秖u⒌阅A亢蚳ou秖urshi片的宽度和长度tong样需yao控制以保zheng喷丸后弯曲的阿尔门shi片可以精确地放置于ce具的zhi撑球上。

    已经有相关的gui范gui定了N、A和C型阿尔门shi片的ying秖uou秖u⒊ざ群涂矶鹊姆秝ei。然er令萻i鹊氖牵庑ゞui范并没有对弹性模量进行严格的限制,本文中miao述的对标准的阿尔门ce具的改zao保zheng了弹性模量ce量结果在合理的精度范wei以内。

在本文的分析中,秡a谙鄑ong的喷丸条jian,阿尔门shi片ying度的增加hui导致弧gao值的增加。zhisuo以hui产生该现象主yao是由于yu应力层的轻微下jiang相比,压应力水ping的提gao秡a诨ao值的影响明显更大。但是,后续还需yao进行更多的shi验工作laiyanjiu阿尔门shi片的ying度对弧gao值的影响。

本文使yong了简化的梁的弯曲的方法,er更为严谨的方法可能需yaoshe及更为复詙ong氖Ч獭5牵衔疚闹胁蓎ong的简易方法以及达到了的目的。影响弧gao值的各种主yao的shi片yin素均进行了确认以及强调。