第二十八期 覆蓋率:發展,測量,控制及意義
發布時間:2019/6/13 9:22:28

引 言                                                                                                                                                                                           

       噴丸的主要目的是在材料表面產生一層壓縮應力的“表皮”,從而提高部件的使用性能。一個重要的結論是,材料表面的加工硬化是靠高速撞擊的丸料產生的。這種加工硬化通常會提高零件的服役壽命。另一方面,過度的加工硬化會降低表面材料的延展性,導致微裂紋的形成和服役壽命的降低。當粒子撞擊表面時,它們產生的凹痕占零件表面積的比例,術語“覆蓋率”定義為沖擊彈丸粒子撞擊噴丸表面所產生的凹坑的比例。因此,“99%覆蓋率”等表達式表示99%的表面積至少撞擊了一次,而1%的表面積根本沒有受到任何影響。本章的核心問題包括:“覆蓋率如何發展?”如何測量和控制覆蓋率?覆蓋率如何變化?”最佳覆蓋范圍是什么?以及“覆蓋率與所需的表面殘余應力的關系如何?”

覆蓋率的發展

       覆蓋率發展,我們通常是基于丸料產生的隨機壓痕作為簡單模型來解釋。該模型假設相同的彈丸粒子以恒定的速率(單位時間內單位面積的沖擊量)撞擊表面,產生相同的圓形凹痕,并且凹痕是隨機分布的。圖1顯示了逐漸發展的覆蓋率示意圖。在噴丸的第一秒鐘,產生了8個圓形壓痕區域,16個在2秒內,32個在4秒內,64個在8秒內,相當于每秒8個壓痕的恒定速率。每個壓痕的中心都位于外側方格內,壓痕的坐標是用計算機生成的隨機數分配的。內側方格給出了影響范圍的真實指示。應當注意的是,隨著覆蓋范圍的擴大,多重影響的發生越來越頻繁。

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                                                           8個撞擊點                                   16個撞擊點

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                                                           32個撞擊點                               64個撞擊點

圖1 覆蓋率遞增模型


       可使用圖像分析來測量“受影響”的總面積,在這個特定示例中,1、2、4和8s的值分別為15.67%、34.85%、46.87%和77.10%。這些值與覆蓋曲線一起繪制在圖2中,覆蓋曲線與以相同比例受影響的無限大面積有關。覆蓋曲線基于Avrami方程:

覆蓋率= 100 [ 1-exp(-A.R.t)]                                       (1)

       其中A是每次沖擊的面積,R是產生凹坑的速率,t是沖擊時間

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圖2 由圖1預測覆蓋率趨勢圖


       可以看出,這四個實驗點并不精確地位于覆蓋曲線上。這是因為點代表有限樣本,而曲線代表無限樣本。這種差異既微妙又重要。通過類比,考慮擲一個完全規則的六面骰子,擲六次,我們可能只得到一個“六”,也可能在六次過程中從0到6雜亂出現,另一方面,如果我們擲骰子的次數是無限的,那么對于一個規則的骰子,頻率的平均值將精確到骰子的每個面,即投擲次數越多,相同數字出現的頻率將非常接近。

       隨著覆蓋率的增長,重復影響的數量也隨之增加。如圖3所示。這些曲線也是使用“Avrami模型”推導出來的,在這個模型中,在無限大的區域內隨機創建相同的圓形凹坑,但噴丸流量不變,在90%的覆蓋率下,“重合點”(最常見):一個特定點受到影響的次數是2次,然后是1、3、4、5等。99%時,重合點數為4,99.9%時,重合點數為7。在99.9%的覆蓋率下,大部分區域將受到超過20次的影響。該模型預測,無論進行了多長時間的噴丸,100%的覆蓋率都不會達到,這是因為我們假設一個無限大的表面積正在被噴丸。在有限噴丸面積內,覆蓋率可以達到100%,但時間永遠無法保證。即使使用非常高的噴丸強度,我們也只能說對于有限區域來說整個噴丸區域有很高的可能達到100%覆蓋率。

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圖3 不同數量丸料對總覆蓋率的貢獻


       在此有個爭論點,我們的通常認為撞擊后覆蓋率是不斷增加的(宏觀意義上),但其平均值明顯低于100%。這里存在一個最佳覆蓋值的概念,低于此值表示欠噴丸,高于此值表示過度噴丸。這個最佳值在很大程度上取決于被噴丸的材料。應記住,噴丸的主要目的是產生一種壓縮性“皮膚”,以優化材料使用性能,而不是徒勞地追求100%的覆蓋率。這種盲目追求將使得零件被過度的噴丸處理,同時有可能超過材料的延展性,并降低原先噴丸的好處。

覆蓋率的控制和測量

       控制覆蓋率的第一個問題是能夠準確地測量它。圖4顯示了一個放大約10倍的輕微噴丸試樣。由于存在大量未噴丸表面,因此可以對試樣進行合理準確的測量。利用圖像分析程序可以很容易地對這些樣品進行定量測量。然而,隨著覆蓋率接近100%,測量變得困難并最終無法進行。同時由于原始表面未打磨也加劇了測量問題,制造商不會僅僅為了幫助測量覆蓋范圍而對其零件進行打磨,因此,噴丸表面的不均勻性是最重要的問題,因為不均勻的表面難以對焦。重疊的凹坑邊緣模糊,微小的未噴丸區域都將影響到測量值。

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圖4 使用S170彈丸對鋁樣品進行噴丸處理,覆蓋率為34.8%,放大10倍,并使用具有毫米刻度的公制尺進行觀察。


       顯然無限小的未噴丸區域不可能測量。對于非常小的未噴丸區域,當前的技術也無法進行測量。例如,考慮一個10mm*10mm區域,該區域將在10倍放大倍率下拍照進行檢查。圖像在10倍放大率下的“屏幕上”尺寸將為100mm*100mm。假設相機具有錄制1兆像素圖像的能力。相當于1000×1000像素的正方形圖像。因此,樣本表面的每平方毫米對應于100×100像素。如果我們現在考慮由S110或S170彈丸形成的壓痕,壓痕直徑將在0.1mm區域。那么,這就相當于一個直徑為0.1mm的圓,它被刻在一個正方形上,這個正方形的圖像只有10像素*10像素。圖5顯示了這種情況的一種表示。

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圖5 0.1mm直徑的噴丸區域像素化圖片,其中包括重疊噴丸區和未噴丸區域


       如果(這是一個非常大的“如果”)相機能夠完美地區分被噴丸和未噴丸的區域,那么噴丸區將顯示為較暗的像素(單色),從而形成“鋸齒狀的圓”。如圖5所示,三個重疊撞擊之間形成的“未噴丸區域”在任何方向上都小于一個像素,因此無法檢測到。圖中所示的單個“未噴丸區域”的面積約為0.1*0.1mm總面積的0.1%。因此,我們無法確定覆蓋率是否高于99.9%。事實上,在整個區域上有10個這樣小的未噴丸的區域,我們甚至無法確定是否達到了99%的覆蓋率。

       定量圖像分析覆蓋率測量方法的精度取決于原始圖像的質量。為了說明可能出現的問題,特意使用了低質量圖像,如圖6(a)所示。如圖6(b)所示,對應的二值圖像無法區分未噴丸區域的反射率和壓痕底部。因此,“黑點”出現在大多數凹坑區域的中心。對圖像的精確分析只能基于測量每個已識別噴丸的封閉區域(忽略凹坑之間的斑點)。因此,擁有一個高質量的圖像才能更好、更容易的進行測量工作!

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                                                                     (a)                                (b)

圖6 采用S170丸料、10倍放大率對鋁件進行噴丸的光學圖像(a)和二值圖像(b)


       可靠的測量需要建立在含有大量未噴丸區域的表面的基礎上。因此,考慮覆蓋率控制時,也應該基于對覆蓋率遠低于99%的表面進行的測量。下面的案例研究旨在說明如何實施這種控制。

覆蓋率控制案例研究

       一個零件要用四個相同的壓痕進行噴丸,目的是精確地達到99.9%的覆蓋率。唯一可用于控制的變量為丸料的流量。準備拋光的材料片,其材料性能尺寸都應相同才可使用。

第一步可以是將拋光的材料片安裝到噴丸設備中,方法與固定Almen試片的方法類似。噴丸時,材料片進行一次性噴丸,給定一個丸料流量。噴丸后,對材料片的幾個區域進行拍照和圖像分析,以便進行覆蓋率測試。平均覆蓋率為74.6%。我們可以將該值代入Avrami覆蓋方程(1),得出:

74.6 = 100(1-exp(-A.R.1)]                                   (2)

       其中,第二個“1”表示測試中四個壓痕中的第一個;A:每個壓痕的面積假定為常量,R與丸料流量成正比。

       我們可以很容易地解出方程(2),其中A.R的值為1.3548。然后,可以將該值與2、3和4一起填入到方程(2)中,以表示隨后的過程。這樣我們就得到了2次、3次、4次通過的總覆蓋率為93.344%、98.283%和99.55%,即2次、3次和4次通過(以1.3548的A.R率)。因此,四次通過后的覆蓋率低于所需的99.9%。然后,我們將所需的99.9%代入方程中,找到A.R的值,所需的A.R值為1.7269。將該值與1.3548進行比較表明,我們需要將丸料流量增加約27.5%,以便通過四個壓痕精確地實現99.9%的覆蓋率。實際計算如圖7所示,其中“x”用于初始的A.R組合,而“y”用于調整后的A.R比率。

       如果所需的覆蓋率是99.99%,而不是99.9%,那么彈丸流量比率必須增長70.0%(采用與之前相同的程序得出)。對于99.999%的覆蓋率,程序預測所需的彈丸流量比率增加112.4%。應該注意的是,如此高的覆蓋率值很可能會超過材料優化所需的值。注意,在每次傳遞過程中,”A” 都被假定為常量。可以使用比(1)更復雜的方程,該方程將可能減小凹坑A的尺寸。

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圖7 “Mathcad”工作表用于預測所需彈丸流量的變化量


覆蓋率與表面殘余應力

       零件的噴丸會在整個表面形成一個二維的、非常有益的、壓縮應力的表面層。噴丸如此持續有效的一個主要原因是它是一個“漸變”的過程。這就是說,如果在任何臨界應力區域的覆蓋范圍不降到非常低的時候,那么壓縮殘余應力的保護表皮是完整。因此,我們是可以通過對零件進行噴丸來提高材料性能,未受影響的小區域并不意味著表面存在“弱點”,這是因為不是凹坑產生了壓縮應力區,而是凹坑下方和周圍的變形區產生了壓縮應力區。圖8顯示了一個單一的沖擊區域、其相鄰的變形區域以及壓縮應力材料同心“包絡”的表示。壓縮應力水平從撞擊區中心越遠下降。

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圖8沖擊區、變形區及周圍壓應力包絡線示意圖


       圖8的目的只是為了說明沖擊區和變形區的尺寸都是有限的,而包絡影響區是無限的(沒有特定的邊界)。沖擊區的有限尺寸由彈丸尺寸、噴丸能量、材料強度等決定。周圍變形區的有限尺寸由沖擊中心的距離決定,超過屈服強度-因此塑性變形有一個尖銳的“截止線”。另一方面,壓縮殘余應力值隨著距離沖擊區域中心的距離逐漸下降,即最大壓縮應力值將位于沖擊區域下方。為了說明重疊的應力輪廓,圖9用同心等應力圓表示了遠離沖擊區域的應力大小下降,包括幾個沖擊區域。由于“應力疊加原理”,重疊的應力輪廓將合并,形成表面殘余壓應力的連續性。如果噴丸前表面含有拉伸殘余應力,噴丸后則由噴丸產生的壓縮殘余應力代替。

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圖9多個噴丸區的重疊壓縮等應力圓


       另一個重要因素是壓力水平不能突然改變。因此,在已獲得均勻、實質性覆蓋的噴丸部件中,物理上不可能有拉伸表面殘余應力區域,甚至是非常低的壓縮殘余應力區域。

討論和結論

       上述論據得出三個主要結論:

       1. 無需嘗試對已噴丸部件進行很高的覆蓋率。

       2. 有效的覆蓋率控制可以通過在早期測量覆蓋率,調用適當的覆蓋率公式,然后控制給定噴丸狀態下的丸料流量。

       3. 有限和無限覆蓋樣本之間是有很大區別的。

       對于高覆蓋率的精確測量是不可能的。很難有效識別,更不用說確保,100%覆蓋整個已噴丸部件的表面。在不同的使用條件下,應為不同的材料測試最佳覆蓋率,這一點很重要。這是因為噴丸的目的是產生一個壓縮應力表面“皮膚”,優化材料性能。過度的噴丸會導致噴丸表面延展性的耗盡而退化。另一方面,在進行噴丸處理時,表面不會達到最佳硬度(通過加工硬化)并且隨后壓縮應力“表皮”的厚度會減小。可以合理地假設,對于許多材料,最佳覆蓋率將小于90%。

       定量覆蓋控制可以成為精密噴丸的有效手段。一個基本的優點是覆蓋/噴丸時間曲線具有如此簡單的形狀,相應的Avrami方程只有一個變量——假設有固定的凹坑直徑。與阿爾門飽和曲線的復雜形狀相比,阿爾門飽和曲線需要三到四個參數才能進行精確分析。因此,對于恒定的噴丸條件,僅需一次測量即可預測覆蓋/噴丸時間曲線的進度。固定凹坑直徑的使用是一種簡化,真正的噴丸區域包含不同范圍直徑的凹坑。但這并不能證明從噴丸的中間階段就可以預測最終覆蓋率的觀點是正確的。等直徑的概念可以等同于一系列凹坑尺寸的平均直徑。

       結果表明,基于小而精確的丸流比率變化的控制是非常有效的。與大多數可接受的控制程序一樣,必須有參考標準。例如,定量化學分析依賴于一系列已知成分的標準樣品。然后,測量值相對于最近可用標準的測量值進行表示。

案例研究中概述的覆蓋控制程序的參考標準應包括:

       1. 一套不同材料的標準數碼照片,經處理后覆蓋范圍不同。然后可以調整圖像分析程序,使其與標準相匹配。

       2. 一套標準的經噴丸處理的樣品,同樣由不同的材料經不同的、確定的覆蓋范圍進行噴丸處理。然后可以調節成像/分析技術。

       覆蓋測量的精度將通過使用試片、拋光過的部件材料或至少細磨過的部件材料來提高。圖像分析程序應允許一次測量大量凹坑區域。這是為了消除有限樣本大小和無限大樣本預測值之間的差異。

       覆蓋整個表面的均勻性很重要。如果在噴丸的中間階段進行測量,也可以更有效地監測這一點。

       最后,覆蓋率和噴丸強度(通過阿爾門飽和曲線測量)是不同的。它們反映了噴丸控制的不同方面。對噴丸部件覆蓋范圍的準確了解將涉及到壓縮殘余應力這層保護皮的完整性。此外,覆蓋范圍的測量是指材料本身。另一方面,噴丸強度指的是適用于鋁帶的噴丸“強弱性”——使用的標準材料必須符合規范和相應條件。


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