第二十期 丸料束流的噴丸強度變化性
發布時間:2017/8/25 13:55:56

引 言                                                                                                        

    一個丸料束流通常被認為是丸料和流體的混合體。流體一般是空氣,但是有時也會是水或其它的流體。

    丸料束流互相之間的差別主要表現在它們的平均噴丸強度上。導致這種差別的主要原因就是大家所熟知:丸料尺寸、丸料速度和丸料密度。上述三個參數有一個增加都會導致平均噴丸強度增加。對一個特定的丸料束流,測試所得到的噴丸強度是一個衡量,但實際上噴丸強度具有變化性,是一個變量,關于這一點人們所知并不多。從飽和曲線得到噴丸強度的變化性取決于以下三個因素:位置、角度和時間。PAT是由英文首字母組成的單詞,是非常有用的,需要大家記住。P表示位置(Position),A表示角度(Angle)和T表示時間(Time)。

噴丸工藝本身需要對每一束束流的噴丸強度進行嚴格控制。因此,本篇文章嘗試解釋一個特定的丸料束流是怎么以及為什么變化。

丸料束流的成分

    一個丸料束流含有兩個基本組成,即快速流動的流體和丸料。兩者的結合情況如圖1所示。

 

圖1 丸料束流中的流體和丸料

    圖1中顯示的丸料束流比較理想化。而真實的丸料束流的形狀取決于丸料推進的形式,即是噴丸還是拋丸。如果采用的是拋丸設備,那么就沒有壓縮空氣的存在,空氣流的形狀主要取決于葉片的設計方式。如果采用噴丸設備,那么空氣流的形狀主要取決于噴嘴的形狀。

    一個非常重要的問題是:“流體和丸料的運動速度哪個更快?”答案要根據實際情況而定,因為丸料是離開噴嘴還是葉片所得到的答案不一樣。對于虹吸式噴丸設備和直接供料噴丸設備,當丸料離開噴嘴后,空氣的移動速度要比丸料更快。對于拋丸設備,丸料的移動速度要比空氣更快。如果噴丸設備采用文丘里噴嘴,那么空氣將達到超音速,這就意味著出口處空氣的移動速度比丸料的速度要快得多。

噴丸強度隨位置的變化

    在一束丸料束流中,位置不同,噴丸強度也不同。造成噴丸強度差異的原因是在丸料束流的不同位置,丸料的速度不同。與之相關的定律稱為束流中的丸料加速定律。該定律可以描述為:如果丸料周圍的流體速度高于丸料本身,那么丸料將被加速,反之亦然。用下述公式可以表達,其中F為流體施加在丸料上的加速力:

F=k(vF-vP)                                        (1)

    其中k為正常數,vF是流體速度,vP是丸料速度。如果vF高于vP,那么(vF-vP)為正值,則F為正值,因此作用在丸料上的力起到加速作用。但是,如果vF低于vP,那么(vF-vP)為負值,則F為負值,因此作用在丸料上的力起到減速作用。vF-vP的差(vF-vP)稱之為“相對速度”。

    為了方便對公式(1)的理解,大家可以想象一下,如果一個人沿著一條很長的平直公路以5千米/小時的速度行走,吹過其背部的風速達到10千米/小時。那么現在相當于有一個(10-5)的力試圖讓這個人加速運動。如果風速減到5千米/小時,那么這個人將不會受到加速的力。如果風速降為2千米/小時,那么(2-5)將是一個負值,將會阻礙這個人向前行進并使其減速。

    關于丸料在噴丸過程中加速和減速的情況也可以采用以上的方法分析,如圖2所示。空氣速度和丸料速度以向量表示,所以每個箭頭的長度代表了速度的大小。請記住空氣速度在離開噴嘴之后會下降的很快。

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圖2 空氣和丸料速度隨位置發生變化的矢量圖


    如圖2所示,在位置1處空氣速度大于丸料速度,那么將會存在一個凈加速作用使丸料的速度增加。在位置2處空氣和丸料的速度相同,那么對丸料來說既無加速作用也無減速作用。在位置3處空氣速度已經減小,丸料速度比空氣速度更快,那么會存在一個凈減速作用使丸料的速度降低。

    一束丸料束流中存在大量的丸粒。在丸料束流中,由于丸粒的位置、尺寸和形狀不同,每個丸粒的相對速度也不同。同時,需要我們記住的是,由于受到外部靜止氣流的作用,在丸料束流邊緣處的氣流速度會顯著下降。如果要對丸料束流中的每一個丸粒進行分析將是非常困難的一件事情。大家可以聯想一下,數千只塑料鴨子扔入流速很快的溪流中的場景。在溪流的中間位置,水流的速度是最快,而在岸邊的位置,水流的速度卻非常的慢。隨著溪流變寬,水流的速度會降低。以上的場景大家還是比較容易想象,而虹吸式噴丸設備中的丸流狀態與上述場景是非常相似的,如圖3所示。

 

圖3 虹吸式噴丸設備中丸流的噴丸強度分布


    在虹吸式噴丸設備中,噴丸強度的最大值出現在距離噴嘴D處的丸流中間位置。

    測試一個噴丸束流的不同距離D的噴丸強度是非常容易的。在噴嘴或葉片頂端的不同距離處放置阿爾門試片固定器進行噴丸強度測試。需要注意的是,要保證丸流的中軸線要沿著阿爾門試片的中軸線移動。在不同的距離處進行飽和強度試驗進而繪制飽和曲線。圖4中給出了S170鑄鋼丸,5mm直徑噴嘴,2千克/分鐘丸流量,虹吸式噴丸設備等條件下的噴丸強度變化隨距離的變化情況,噴丸強度的變化范圍為10-12A。該曲線的最重要的特征為最大噴強度hmax出現在245mm的距離處。

 

圖4 噴丸強度隨距離的變化曲線圖


    需要補充的是,哪怕是處在同一個距離,丸料束流橫截面上的不同位置的噴丸強度也不相同,如圖5所示。

 

圖5 丸料束流橫截面上噴丸強度的變化情況

(噴丸強度最大值出現在丸流的中心位置)

    測試所得的噴丸強度也會隨著阿爾門試片的擺放位置的變化而變化。如果阿爾門試片的中軸線和丸流束流的中心線重合地較好,那么就能夠得到相對較高的噴丸強度,而如果重合的情況不好,那么得到的噴丸強度相對較低。

    丸料束流中的噴丸強度差異程度和噴丸設備類型也有關。直接供料設備的噴丸強度差異性要比虹吸式噴丸設備小很多。而拋丸設備的情況是不一樣的,由于丸料受到離心力和葉片推力的雙重作用,丸料在離開葉片頂端時的速度要大于空氣的速度,這就意味著丸料一旦離開葉片就開始減速了。

    從試驗的角度來講,測試丸料束流橫截面的噴丸強度差異比較困難一些。由于彈坑的直徑是和噴丸強度直接相關,因此可以采用間接的方法,即測試噴丸后留下來的彈坑直徑的變化來推測噴丸強度的變化。通過在靜止的阿爾門試片和固定的噴丸噴嘴之間放一個“滑動模塊”進行測試。最終的結果表明,邊緣部位的凹坑直徑(象征噴丸強度)比中間位置要降低了約30%,這也反映出在丸流橫截面上噴丸強度的變化情況。

噴丸強度隨角度的變化

    如果丸粒不是以垂直的角度沖擊零件,那么丸粒沖擊零件后在零件表面上留下來的凹坑要更淺一些,這也意味著塑性變形的程度要更小,因而噴丸強度也更小。圖6顯示了噴丸強度與沖擊角度之間的關系。

 

圖6 沖擊角度與噴丸強度的關系

(本試驗采用N型試片,S110鑄鋼丸)


噴丸強度隨時間的變化

    一個丸料束流的所測噴丸強度取決于以下三個與時間相關的因素,每個因素都具有長期、短期和即刻效應,它們為:

    1. 丸料特征;

    2. 速度控制;

    3. 強度測試方法。

1. 丸料特征

    丸料的特征有平均尺寸、思忖分布和形狀,這些特征都會隨著時間發生變化。圖7是造成丸料特征隨時間發生變化的幾個因素的圖示。這些因素對噴丸強度造成長期的(緩慢的)、短期的(快速的)和即刻的變化。

 

圖7 影響丸料束流特征的時間相關因素


    對噴丸強度變化造成長期影響的一個例子就是丸料的磨損。丸粒的逐漸磨損是人們最容易理解的。經過長期使用后,丸料最終將不滿足標準中尺寸的要求。圖8就是S110丸料的長期磨損影響噴丸強度的一個例子,假設其它的參數保證不變。假設新的S110丸料可以達到的噴丸強度11A,那么長期使用之后丸料尺寸會減小,變成了S70丸料,如果其它的噴丸參數不發生變化,噴丸強度將降為7A(英制單位)。但是在實際的噴丸中,考慮到丸料的減小,噴丸參數是會作出相應調整的。

 

圖8 丸料的長期磨損與噴丸強度之間的關系


    對于鋼切丸來說,長期使用中形狀的變化對噴丸強度的影響是特別顯著的。在使用過程中,鋼切丸會逐漸變得更接近球形。這種形狀的變化在未鈍化鋼切丸最為顯著,在球形鈍化鋼切丸中最不顯著。從理論上來講,隨著鋼切丸的形狀發生變化,噴丸強度將會發生輕微的下降。

    圖9顯示了丸料尺寸的長期變化是如何影響飽和曲線的。在實際的工廠噴丸強度測試中經常遇到的例子,如果料斗的底部積累了細的丸料,那么首先噴射出細的丸料,待細的丸料噴完,噴射出是粗的丸料,那么得到的飽和曲線將會是0ABC,這將導致實際的噴丸強度會降低。如果首先噴射出是粗的丸料,待粗的丸料噴完,噴射出是細的丸料,那么得到的飽和曲線將會是0DBE,得到的將會是不同的噴丸強度。

    對設備中的丸料進行補充后將會導致噴丸強度立刻升高,也就是從圖9中的“比平均尺寸細”的曲線轉變為“比平均尺寸粗”的曲線。


 

圖9 丸料特征的變化對噴丸強度的影響


2. 速度控制

    一個丸料束流的噴丸強度直接和平均丸料速度、質量和直徑相關。公式(2)和(3)為噴丸強度與丸料速度之間的經驗公式,其中V為丸料速度,I為噴丸強度,S為鑄鋼丸的平均尺寸。

I=S*0.0036659(1-exp(-0.010482*v))                             (2)

    其中I的單位為mm,v的單位為ms-1

I=S*0.00014432(1-exp(-0.0031949*v))                           (3)

    其中I的單位為英寸,v的單位為英尺每秒。

    舉一個例子,如果S170丸料(S=170)的速度為300英尺每秒(V=300),代入公式(3)中,得到的噴丸強度為0.015英寸。圖如果速度降為270英尺每秒,那么得到的噴丸強度為0.014英寸,下降了10%。圖10顯示了由公式(2)得到的對于不同鋼丸噴丸強度與丸料速度的關系。

但是,丸料速度很少是直接控制的,通常采用空氣壓力和葉輪速度對其進行間接地控制,并假定丸流量是穩定的。但是不幸的是,以上三個因素(空氣壓力、葉輪速度和丸流量)在短期、中期和長期或多或少地都會進行波動。壓力罐壓力變化、電壓波動、葉片磨損、軟管磨損、噴嘴磨損以及丸流量控制波動等因素都會造成丸料速度發生變化。

          

圖10 噴丸強度與丸料速度之間的關系


3. 噴丸強度測試方法

    噴丸強度的測試方法也會對噴丸強度的測試結果造成影響。長期的因素包括弧高度測試儀的支撐球和頂桿的磨損。短期的因素包括每個試片的差異以及測試阿爾門試片時的擺放方式。但是通過對弧高度測試儀的定期校準可以有效地減少噴丸強度測試方法對噴丸強度結果的影響。


結論

    本篇文章并不具備綜合性和權威性。本篇文章的目的是強調現實中有大量的因素會造成丸料束流的噴丸強度發生變化。

    我們一直關注的主題是如果每個噴丸強度的測試和設備參數的設置能夠以某種形式保存成數據庫,那么對于噴丸強度的控制將會更加有效。如果設備的噴丸強度發生了變化,那么可以參考本篇文章的相關影響因素進行分析。


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