第十期 噴丸強度的意義、測量原理以及確認方法
發布時間:2016/10/25 11:15:13

引 言                                                                                                        

    “噴丸強度”代表了一個噴丸束流引入殘余壓應力層深的能力。噴丸能夠在零件表面上產生塑性變形,進而在表面變形層上引入殘余壓應力。塑性變形的層深是需要進行控制的。我們可以利用噴丸束流的一些特性來控制殘余壓應力層深。我們可以用一個機械搶連續射擊出一束子彈流進行類比。子彈流具備對目標物體的表面進行破壞的能力。該破壞力取決于子彈的尺寸、速度和硬度。大尺寸、高硬度和高速度的子彈與小尺寸、低硬度和低速度的子彈相比,其對目標物體表面的破壞力更大。類似的,噴丸束流的引入殘余壓應力層深的能力(即噴丸強度)也與上述例子中的因素有關。

    “噴丸強度”是定義和控制噴丸束流引入殘余壓應力層能力的一個參數。在噴丸工藝發展的初始階段,J.O.Almen認識到需要對這種能力進行量化。他想到了一個非常好的主意,即用間接的方法來表征噴丸束流引入殘余壓應力層的能力,通過對一組鋼制的試片用逐漸遞增的時間進行噴丸,然后測試試片的弧高值,生成“飽和曲線”。“飽和曲線”用來表征隨著噴丸時間的增加,噴丸后的試片的弧高值增加的現象。“噴丸強度”是飽和曲線上的一個特殊的點(飽和點),用來量化一個噴丸束流引入殘余壓應力層深的能力。在飽和點上試片的弧高值越高,那么噴丸束流的引入殘余壓應力層深的能力越強。在標準J442和J443中描述了怎么利用設備和程序進行計算噴丸強度。

    本篇文章對關于“噴丸”強度的三個重要問題進行討論,試圖對在現實使用中遇到的相關問題提供一些解決方法。這三個問題是噴丸強度的意義、測量原理以及確認方法。

噴丸強度的意義

    當一個噴丸束流擊打零件時,噴丸行業使用“噴丸強度”作為控制噴丸在零件表面引入的殘余壓應力層深的一個參數。在其它參數不變的前提下,隨著噴丸強度的增加,其引入的殘余應力層的深度會隨之增加,這種關系如圖1所示。我們知道殘余壓應力層深直接與噴丸束流的噴丸強度相關。噴丸強度的單位和其引入的殘余壓應力層深的單位相同,均為毫米mm(或者為千分之一英寸)。

 

圖1. 在“100%覆蓋率”的前提下,噴丸強度對殘余壓應力層深的影響


    噴丸束流本身是具有潛在的噴丸強度的能力(引入殘余壓應力層深的能力)。當噴丸束流擊打目標零件時,人們意識到這種潛能或大或小。為便于分析,我們再拿機械搶射擊出一束子彈為例。這一束子彈具有破壞目標物表面的潛能,可以用來類比噴丸時噴丸束流引入殘余壓應力層深的能力(噴丸強度)。

    有一點對于我們理解噴丸強度非常重要,即:

    噴丸強度會隨距離的變化而發生變化。

    圖2用圖解的方式解釋了一束噴丸束流的這種變化。實際上,當丸料從噴嘴中噴出時,丸料會繼續受到快速移動的空氣流的作用而加速。相反地,丸料受到周圍靜止的空氣的阻力作用而減速。這種加速和減速的共同作用會使丸料在某一距離M上產生一個最大的速度(對于一般的噴丸設備而言,這個距離M通常為200~300mm)。對于拋丸設備而言,丸料一旦從葉片上離開就會馬上減速。

    如果我們把在M點的噴丸和在更遠處的X點的噴丸進行對比,我們會發現有兩個特點有明顯的不同。第一個是這兩個位置的噴丸強度有著明顯的不同。第二個是在M點附近的噴丸強度沒有很大地差異,然而在X點附件的噴丸強度則明顯不同,會有一個范圍。

 

圖2. 噴丸強度隨噴丸距離的變化關系


    在一個噴丸束流的橫切面上各個點的噴丸強度差異很小。非常幸運地是,這種差異是不重要的,這是因為噴丸束流會沿著目標零件表面的切向方向移動,可以在零件的表面形成均勻的噴丸效果。

    子彈或者噴丸束流的沖擊效果也取決于目標物體的一些特性,比如厚度、硬度以及與束流之間的角度,等等。我們可以把對機械搶的分析擴展一些內容,比如對其打擊效果進行評價。如果把防彈衣置于“一束子彈”中,那么防彈衣被打擊后的凌亂的效果取決于子彈流的表面破壞的潛能。為了定量地表征這種潛能,我們需要采用一組標準的試片(材料、硬度和厚度均相同)進行一個測試,該測試需要試片與子彈流成90°并且與槍的噴嘴的距離已知。

噴丸強度的測試

    目前并沒有一個實用的辦法可以直接測試一個噴丸束流的潛在噴丸強度。我們目前必須依靠通過測試噴丸束流在阿爾門試片上以90°的沖擊效果來進行表征。噴嘴與試片的距離必須和噴嘴與零件表面的距離一致。因為如圖2所示的噴丸強度會隨距離發生變化,因此這種一致性是非常重要的。

    噴丸強度的測試的方法在標準J443中有詳細描述,需要測試一組阿爾門試片在不同的噴丸時間后的弧高值,以時間(或與時間相關的參數)為橫坐標、以弧高值為縱坐標進行繪圖。如果我們使用了無數個阿爾門試片進行不同時間的噴丸,我們將得到一個連續 的“飽和曲線”。當然這是不切實際的,在實際的試驗中數據是有限的,通常使用4個至8個阿爾門試片。圖3顯示了連續的曲線和六個數據點之間的差異。有一點銘記在心是非常重要的,即:

每個單獨的數據點必然是具有變化性的。

    數據點的變化性可以通過誤差帶進行表示,如圖3所示。每個誤差帶表示了“期望值”的上限和下限。如果公差帶的范圍在兩側的平均值上符合標準偏差,那么平均下來三分之二的數值將位于誤差帶之間。另一方面,如果這些數據同時滿足兩個標準差,那么平均下來二十分之十九的數值將位于誤差帶之間。如圖3所示,公差帶的范圍同時滿足兩個標準差。所有六個數值均位于公差帶范圍以內。機警的讀者可能會察覺到如果極限縮小一半(滿足一個標準差),那么六分之二(三分之一)的數據點將會落在公差帶范圍之外。

 

圖3 . 基于六個數據點的連續曲線


    獲取一組數據以后,那么接下來的問題是如何得到噴丸強度。在標準J443中有兩個不同的方法。我們可以(Ⅰ)用一個計算機程序來分析數據或者(Ⅱ)人工選擇滿足規范要求的的最小數值點。這兩種方法均受到在一個給定的數據集中數據量的影響。如果在一個平滑的曲線中的數據的變化量比較小,那么這些數據可以被認為是“好的”,然而如果變化量較大,那么這些數據被認為是“壞的”。一個重要的一點:

    在一個平滑曲線中數據變化性是測試生產控制有效性的一種方法。

(1)計算機分析

    采用計算機分析的方法計算噴丸強度有很多優勢,包括:客觀性強、強度值唯一以及每個數據點均可用。

    計算機分析是基于(a)采用已知的公式對數據進行擬合;(b)根據相關的準則在曲線上得出一個唯一的點,這個準則是:

    噴丸強度是噴丸時間增加一倍時,增加量剛好為10%的弧高值。

    對于一個給定的擬合后的曲線,僅有一個點滿足上面的準則。

    共有四個因素可以影響計算機方法計算噴丸強度的準確性。(Ⅰ)與唯一一個噴丸強度點相關的取值范圍;(Ⅱ)數據的質量;(Ⅲ)擬合公式的選擇;(Ⅳ)數據點的數量。

(Ⅰ)取值范圍

    選取數據范圍的一個重要原則就是:“數據中至少有一個點所對應的時間必須比噴丸強度對應的時間更短”。這個原則的重要性可以用下面這個真實的例子來證明。選擇SAE表面強化委員會給出的八個例子中的No.1的數據,如果把第一組數據去掉,增加一個在時間為16時弧高值為7.1的數據,這兩組數據如表1所示。

表1

SAE規范中的No.1數據以及修飾后的數據

 

    采用計算機分析的方法,使用French-specified擬合方程對數據進行擬合,所得到的曲線如圖4所示。對于SAE給定的例子中,使用第1至第4的數據得出的噴丸強度為6.4(在4.75的時間)。使用第2至第5的數據得出的噴丸強度為5.9(在1.08的時間)。

 

圖4. 原始數據的選擇對計算噴丸強度的影響


    采用修飾之后的數據畫出的曲線前段部分幾乎為一條曲線,這不可能找出真正的噴丸強度。

    選取數據范圍的第二個重要原則就是“數據中至少有一個點所對應的時間必須和噴丸強度對應的時間的2倍相同或更長”。具備了這個原則意味著可以用實際的數據確認“噴丸強度是噴丸時間增加一倍時,增加量剛好為10%的弧高值”是否滿足要求。

(Ⅱ)數據的質量

    每一組數據都與理想狀態的平滑的飽和曲線產生一定程度的偏差。這就是變動幅度,可以用來定義一組數據的質量。測試出的弧高值發生隨機的或系統性的偏差是在所難免的。在一組數據中數據越多,則越能減少這種偏差。但是,如果總偏差過于嚴重,那么不管采用何種形式的分析都會比較困難。這種情況用“朽木不可雕也”這個名句是比較合適的。一組數據的質量是否合格直接影響著是否可以計算出準確的噴丸強度。一個主觀的方法是做一個“常識性”的判斷,這是基于對繪制出的數據以及相應的最佳擬合曲線進行目視檢查的結果。客觀的方法是基于數據擬合結果的準確性,比如離差平方和的大小是否合適。

(Ⅲ)擬合公式的選擇

    擬合曲線的選擇(如果選擇是有效的)應該基于一組數據的數量、范圍和質量并且是否使用了復合夾具。對于“求解程序”選擇指南如下:(a)對于單個夾具中每組數據有四到五個中等到優等質量的數據點使用EXP2P或2PF程序,如果數據的范圍更大,則推薦使用2PF程序;(b)對于復合夾具中每組數據有四到五個中等到優等質量的數據點使用2PF程序;(c)在一組數據有六個或更多的數據點時使用EXP3P程序。

(Ⅳ)數據點的數量。

    人們普遍沒有意識到:

    噴丸強度的精度取決于一組數據中數據點的數量。

    作為一個近似值,計算機得到的噴丸強度的公差帶等于單個數據值除以一組數據中的數據點的個數。例如,對于一組五個數據點,如果單個數據點的公差帶的寬度的平局值為1.0,那么噴丸強度的公差帶的寬度為0.2(1.0/5)。這就決定了在一組數據中的數據點越多,那么得到的噴丸強度將會更準確。

    (2)最小數據點的選擇

   在有些情況下沒有辦法得到一個完整的飽和曲線,這種情況出現在當單獨的一遍(一次或一次轉臺旋轉)噴丸后的弧高值與多遍(多次或多次轉臺旋轉)噴丸后弧高值很接近的時候。弧高值與遍數的關系圖如圖5所示。此時噴丸強度H就定義為”當噴丸時間增加一倍時,弧高值的增加量不超過10%的最小數據點”。

    圖5中的數據點與圖4中修飾后的數據點比較相似。在這種情況下就不適用采用曲線擬合的方法。采用“最小數據點選擇”的方法得出的噴丸強度比使用計算機程序擬合飽和曲線的方法要更大一些,兩者的差異大概在10%左右。另外一個重要的特征就是噴丸強度是一個單一的值。

 

圖5. 當噴丸時間增加一倍時,弧高值的增加量不超過10%的最小數據點

確認

    通常情況下使用一定的遍數/次數/轉臺旋轉數對試片進行噴丸進而才能繪制出飽和曲線。飽和曲線主要用于確認所需的噴丸強度是否達到了要求。確認噴丸強度時用到了飽和時間T。

   我們會花費比較多的時間和精力用來調整設備的參數,目的是要找到符合規定要求的噴丸強度,噴丸強度所對應的時間為T,如圖6所示。當相關的參數確定以后,需要定期的進行檢查以確定這些參數得到的噴丸強度是否持續的滿足要求。但是,檢查的結果和噴丸強度是不相同的。對于單個阿爾門試片固定器的強度確認與多個阿爾門試片固定器相比要簡單的多。

單個阿爾門試片固定器的強度確認

    在標準SAE J443中描述了噴丸強度的確認方法。當僅有一個固定器時,可以使用單個阿爾門試片進行確認。在理想狀態下,這個試片應該用時間T(噴丸強度對應的時間)進行噴丸。需要指出的是,當時間的單位為遍數或者旋轉次數時,這種采用時間T驗證的方法就不可行了。噴丸時間T很少為整數,如圖6所示。J443中解釋到“驗證得到的弧高值與飽和曲線計算得到噴丸強度的差異應在±0.038mm以內……”。噴丸強度可以從飽和曲線上使用簡單的追加曲線求解程序獲得。這種追加的程序會代替把已選擇的整數“時間”數值帶入到擬合的等式中進而求得相應的弧高值。該弧高值可以稱為“目標確認的弧高值”,不是真正的噴丸強度值。通過飽和曲線得出的強度值的精度比單個數據點的精度更加的精確。一個目標確認的弧高值如圖6所示。J443規定驗證得到的弧高值與噴丸強度相差的范圍應在±0.0015英寸(±0.038mm)以內。作為另外一個驗證方法,有一個簡單的方法可以調整規范的極限值(上限和下限),目的是彌補時間T和選擇的目標確認的“時間”。這種方法使用了目標確認的弧高值和噴丸強度對應的弧高值的比值。通過簡單地把上限和下限與計算出的比例進行相乘。下面的例子對這種調整如何在現實中進行使用進行了說明。

 

圖6. 從具有整數“時間”單位的飽和曲線上得到的噴丸強度和目標確認的弧高值

    對于單個固定器的強度確認以及范圍調整的例子。

    圖7中的例子是基于使用2PF程序以及SAE的No.4的一組數據。在擬合公式h=a*t/(b+t)可以得出以下數值:a=6.22,b=0.58,得出的噴丸強度為5.09,噴丸強度對應的時間為2.62。把3(t值)代入到2PF公式中可以得到h=6.22*3/(3+0.58),從而可以得到“目標確認的強度”h=5.21。把規定的強度范圍(4和6)乘以5.21/5.09后得到4.1和6.1作為修正后的極限。那么采用“時間”為3遍進行噴丸強度確認時,所得的弧高值需落在4.1至6.1的范圍以內(圖7中的綠色棒)。在這個特殊的例子中,對于誤差帶的調整很小,不影響最終確認的結果。對于噴丸強度點和極限范圍很接近的例子,可能會在這種調整中受益。

 

圖7. 從具有整數“時間”單位的飽和曲線上得到的噴丸強度和目標確認的弧高值


多個固定器的強度確認

     當使用多個阿爾門固定器進行飽和曲線繪制時,將會產生多個“飽和時間”T。在這種情況下,J443推薦使用一個確認的時間進行強度確認。所選擇的時間不應比最短的飽和時間更短,同時也不能比最長的飽和時間更長。最終得到的弧高值與原始飽和曲線得到的噴丸強度相差的范圍應在±0.0015英寸(±0.038mm)以內。

    另外一個方法就是把所有的噴丸強度對應的時間進行平均并進行四舍五入,然后在每個固定器上用這個四舍五入后的整數時間對試片進行噴丸,從而進行目標強度確認。那么在每個固定器上進行目標強度的確認的方法可參照之前的單個固定器的方法。第二個問題就是要能夠把其包括的大量的數據可視化。一個簡單的基于Excel的計算機程序可以自動執行相關的計算。這個程序也會產生調整后的上限和下限,同時也要使用±0.0015英寸的方法。下面的例子對這種程序如何在現實中進行使用進行了說明。

在使用多個固定器的情況下的強度確認程序

    針對這個例子,假設夾具中包含了七個阿爾門試片固定器。在每個固定器上生產飽和曲線并使用2PF求解程序。得到的相關的噴丸強度和時間如圖8所示,同時使用基于Excel的“強度確認程序”。七個噴丸強度對應的飽和時間T的平均值為5.71,四舍五入后得6。假定噴丸強度的上限和下限分別為8和10。在每個固定器上,使用T=6時對這些極限進行一些調整(與之前的單個固定器的方法相同)。目標確認弧高值(把T=6代入到每個飽和曲線的公式中)在黃色的一欄數據中。

    在7個固定器位置中使用T=6的時間進行噴丸,測量后得到的“確認弧高值”輸入到藍色的一欄數據中。每個數據均要求位于調整后的上限和下限之間。

 

圖8. 在有7個阿爾門固定器的夾具上使用2PF求解程序


    噴丸強度確認值和目標值之間的差異計算出來后顯示在“差值”的一欄中。為了模擬出“問題狀態”下的情景,確認弧高值的數值被故意的放大了,這與把之前的飽和曲線弧高值測量的時間設為T=6有關。故意的放大后的值在差值一欄中大多顯示了“正值”。這種大多數的情況并不是隨機發生的而是與一個或多個控制參數的變化有關(比如壓縮空氣或葉輪轉速)。最終的一欄清晰地顯示所有七個試片確認的結果均滿足公差帶要求的范圍。

兩個試片噴丸強度的確認

    采用一個試片進行噴丸強度確認的方法并不能保證該噴丸束流的強度達到了要求。這僅僅能夠確認在該處的弧高值是連續的。圖9中的情況包含了圖7的飽和曲線同時還有另外兩條曲線,在1,2和3處有著噴丸強度,這三條曲線均通過了相同的目標確認弧高值5.21。如果采用兩個試片進行噴丸強度確認,那么會明顯地把三條曲線進行區分開,關鍵是在第二個試片用2TINT的時間,即兩倍的TINT。采用兩個試片的方法在一定程度上能夠更準確的確認噴丸強度。

    值得注意的是,如果丸流量或者丸料速度發生很大地變化后,那么噴丸強度也會發生很大地變化,如圖9中所示。像這樣大的變化在一般情況下是很難遇到的,但是如果在控制體系發生了某些明顯的變化后可能會發生這樣的問題。

 

圖9. 通過目標確認弧高值的幾條曲線


總結

    噴丸強度是一個噴丸束流在零件表面上引入一定殘余壓應力層深和塑性變形的潛在能力。這種潛在的能力僅在零件噴丸的時候才能被認識到。非常重要的是,我們要認識到噴丸強度隨距離的變化而發生變化。

    噴丸強度的量化是通過對一組阿爾門試片的弧高值進行測量和分析而得到的,每個試片都要噴不同的時間。把不同的弧高值連在一起就能近似地得到一個連續的曲線。每組數據都能夠使用計算機程序客觀地計算出來。弧高值的范圍(噴丸時間的選取)、數據點的質量、數據點的數量和擬合曲線的選取對于取得準確的噴丸強度會產生重要的影響。

    規范中規定的要求的噴丸強度的確認方法是使用非整數的飽和時間T得到的弧高值是否在要求的范圍以內。

    采用一個整數的數字,遍數,進行強度確認時,目標確認的弧高值要進行調整。一個客觀的基于Excel的“確認程序”可以使得所有的計算自動進行,尤其使用多個阿爾門固定器時是非常使用的。兩個試片確認強度的方法在一定程度上可以保證噴丸強度確認的結果的可靠性。






















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