第十期 喷丸强度的意义、测量原理以及确认方法
发布时间:2016/10/25 11:15:13

引 言                                                                                                        

    “喷丸强度”代表了一个喷丸束流引入残余压应力层深的能力。喷丸能够在零件表面上产生塑性变形,进而在表面变形层上引入残余压应力。塑性变形的层深是需要进行控制的。我们可以利用喷丸束流的一些特性来控制残余压应力层深。我们可以用一个机械抢连续射击出一束子弹流进行类比。子弹流具备对目标物体的表面进行破坏的能力。该破坏力取决于子弹的尺寸、速度和硬度。大尺寸、高硬度和高速度的子弹与小尺寸、低硬度和低速度的子弹相比,其对目标物体表面的破坏力更大。类似的,喷丸束流的引入残余压应力层深的能力(即喷丸强度)也与上述例子中的因素有关。

    “喷丸强度”是定义和控制喷丸束流引入残余压应力层能力的一个参数。在喷丸工艺发展的初始阶段,J.O.Almen认识到需要对这种能力进行量化。他想到了一个非常好的主意,即用间接的方法来表征喷丸束流引入残余压应力层的能力,通过对一组钢制的试片用逐渐递增的时间进行喷丸,然后测试试片的弧高值,生成“饱和曲线”。“饱和曲线”用来表征随着喷丸时间的增加,喷丸后的试片的弧高值增加的现象。“喷丸强度”是饱和曲线上的一个特殊的点(饱和点),用来量化一个喷丸束流引入残余压应力层深的能力。在饱和点上试片的弧高值越高,那么喷丸束流的引入残余压应力层深的能力越强。在标准J442和J443中描述了怎么利用设备和程序进行计算喷丸强度。

    本篇文章对关于“喷丸”强度的三个重要问题进行讨论,试图对在现实使用中遇到的相关问题提供一些解决方法。这三个问题是喷丸强度的意义、测量原理以及确认方法。

喷丸强度的意义

    当一个喷丸束流击打零件时,喷丸行业使用“喷丸强度”作为控制喷丸在零件表面引入的残余压应力层深的一个参数。在其它参数不变的前提下,随着喷丸强度的增加,其引入的残余应力层的深度会随之增加,这种关系如图1所示。我们知道残余压应力层深直接与喷丸束流的喷丸强度相关。喷丸强度的单位和其引入的残余压应力层深的单位相同,均为毫米mm(或者为千分之一英寸)。

 

图1. 在“100%覆盖率”的前提下,喷丸强度对残余压应力层深的影响


    喷丸束流本身是具有潜在的喷丸强度的能力(引入残余压应力层深的能力)。当喷丸束流击打目标零件时,人们意识到这种潜能或大或小。为便于分析,我们再拿机械抢射击出一束子弹为例。这一束子弹具有破坏目标物表面的潜能,可以用来类比喷丸时喷丸束流引入残余压应力层深的能力(喷丸强度)。

    有一点对于我们理解喷丸强度非常重要,即:

    喷丸强度会随距离的变化而发生变化。

    图2用图解的方式解释了一束喷丸束流的这种变化。实际上,当丸料从喷嘴中喷出时,丸料会继续受到快速移动的空气流的作用而加速。相反地,丸料受到周围静止的空气的阻力作用而减速。这种加速和减速的共同作用会使丸料在某一距离M上产生一个最大的速度(对于一般的喷丸设备而言,这个距离M通常为200~300mm)。对于抛丸设备而言,丸料一旦从叶片上离开就会马上减速。

    如果我们把在M点的喷丸和在更远处的X点的喷丸进行对比,我们会发现有两个特点有明显的不同。第一个是这两个位置的喷丸强度有着明显的不同。第二个是在M点附近的喷丸强度没有很大地差异,然而在X点附件的喷丸强度则明显不同,会有一个范围。

 

图2。 喷丸强度随喷丸距离的变化关系


    在一个喷丸束流的横切面上各个点的喷丸强度差异很小。非常幸运地是,这种差异是不重要的,这是因为喷丸束流会沿着目标零件表面的切向方向移动,可以在零件的表面形成均匀的喷丸效果。

    子弹或者喷丸束流的冲击效果也取决于目标物体的一些特性,比如厚度、硬度以及与束流之间的角度,等等。我们可以把对机械抢的分析扩展一些内容,比如对其打击效果进行评价。如果把防弹衣置于“一束子弹”中,那么防弹衣被打击后的凌乱的效果取决于子弹流的表面破坏的潜能。为了定量地表征这种潜能,我们需要采用一组标准的试片(材料、硬度和厚度均相同)进行一个测试,该测试需要试片与子弹流成90°并且与枪的喷嘴的距离已知。

喷丸强度的测试

    目前并没有一个实用的办法可以直接测试一个喷丸束流的潜在喷丸强度。我们目前必须依靠通过测试喷丸束流在阿尔门试片上以90°的冲击效果来进行表征。喷嘴与试片的距离必须和喷嘴与零件表面的距离一致。因为如图2所示的喷丸强度会随距离发生变化,因此这种一致性是非常重要的。

    喷丸强度的测试的方法在标准J443中有详细描述,需要测试一组阿尔门试片在不同的喷丸时间后的弧高值,以时间(或与时间相关的参数)为横坐标、以弧高值为纵坐标进行绘图。如果我们使用了无数个阿尔门试片进行不同时间的喷丸,我们将得到一个连续 的“饱和曲线”。当然这是不切实际的,在实际的试验中数据是有限的,通常使用4个至8个阿尔门试片。图3显示了连续的曲线和六个数据点之间的差异。有一点铭记在心是非常重要的,即:

每个单独的数据点必然是具有变化性的。

    数据点的变化性可以通过误差带进行表示,如图3所示。每个误差带表示了“期望值”的上限和下限。如果公差带的范围在两侧的平均值上符合标准偏差,那么平均下来三分之二的数值将位于误差带之间。另一方面,如果这些数据同时满足两个标准差,那么平均下来二十分之十九的数值将位于误差带之间。如图3所示,公差带的范围同时满足两个标准差。所有六个数值均位于公差带范围以内。机警的读者可能会察觉到如果极限缩小一半(满足一个标准差),那么六分之二(三分之一)的数据点将会落在公差带范围之外。

 

图3 . 基于六个数据点的连续曲线


    获取一组数据以后,那么接下来的问题是如何得到喷丸强度。在标准J443中有两个不同的方法。我们可以(Ⅰ)用一个计算机程序来分析数据或者(Ⅱ)人工选择满足规范要求的的最小数值点。这两种方法均受到在一个给定的数据集中数据量的影响。如果在一个平滑的曲线中的数据的变化量比较小,那么这些数据可以被认为是“好的”,然而如果变化量较大,那么这些数据被认为是“坏的”。一个重要的一点:

    在一个平滑曲线中数据变化性是测试生产控制有效性的一种方法。

(1)计算机分析

    采用计算机分析的方法计算喷丸强度有很多优势,包括:客观性强、强度值唯一以及每个数据点均可用。

    计算机分析是基于(a)采用已知的公式对数据进行拟合;(b)根据相关的准则在曲线上得出一个唯一的点,这个准则是:

    喷丸强度是喷丸时间增加一倍时,增加量刚好为10%的弧高值。

    对于一个给定的拟合后的曲线,仅有一个点满足上面的准则。

    共有四个因素可以影响计算机方法计算喷丸强度的准确性。(Ⅰ)与唯一一个喷丸强度点相关的取值范围;(Ⅱ)数据的质量;(Ⅲ)拟合公式的选择;(Ⅳ)数据点的数量。

(Ⅰ)取值范围

    选取数据范围的一个重要原则就是:“数据中至少有一个点所对应的时间必须比喷丸强度对应的时间更短”。这个原则的重要性可以用下面这个真实的例子来证明。选择SAE表面强化委员会给出的八个例子中的No。1的数据,如果把第一组数据去掉,增加一个在时间为16时弧高值为7。1的数据,这两组数据如表1所示。

表1

SAE规范中的No.1数据以及修饰后的数据

 

    采用计算机分析的方法,使用French-specified拟合方程对数据进行拟合,所得到的曲线如图4所示。对于SAE给定的例子中,使用第1至第4的数据得出的喷丸强度为6。4(在4。75的时间)。使用第2至第5的数据得出的喷丸强度为5。9(在1。08的时间)。

 

图4。 原始数据的选择对计算喷丸强度的影响


    采用修饰之后的数据画出的曲线前段部分几乎为一条曲线,这不可能找出真正的喷丸强度。

    选取数据范围的第二个重要原则就是“数据中至少有一个点所对应的时间必须和喷丸强度对应的时间的2倍相同或更长”。具备了这个原则意味着可以用实际的数据确认“喷丸强度是喷丸时间增加一倍时,增加量刚好为10%的弧高值”是否满足要求。

(Ⅱ)数据的质量

    每一组数据都与理想状态的平滑的饱和曲线产生一定程度的偏差。这就是变动幅度,可以用来定义一组数据的质量。测试出的弧高值发生随机的或系统性的偏差是在所难免的。在一组数据中数据越多,则越能减少这种偏差。但是,如果总偏差过于严重,那么不管采用何种形式的分析都会比较困难。这种情况用“朽木不可雕也”这个名句是比较合适的。一组数据的质量是否合格直接影响着是否可以计算出准确的喷丸强度。一个主观的方法是做一个“常识性”的判断,这是基于对绘制出的数据以及相应的最佳拟合曲线进行目视检查的结果。客观的方法是基于数据拟合结果的准确性,比如离差平方和的大小是否合适。

(Ⅲ)拟合公式的选择

    拟合曲线的选择(如果选择是有效的)应该基于一组数据的数量、范围和质量并且是否使用了复合夹具。对于“求解程序”选择指南如下:(a)对于单个夹具中每组数据有四到五个中等到优等质量的数据点使用EXP2P或2PF程序,如果数据的范围更大,则推荐使用2PF程序;(b)对于复合夹具中每组数据有四到五个中等到优等质量的数据点使用2PF程序;(c)在一组数据有六个或更多的数据点时使用EXP3P程序。

(Ⅳ)数据点的数量。

    人们普遍没有意识到:

    喷丸强度的精度取决于一组数据中数据点的数量。

    作为一个近似值,计算机得到的喷丸强度的公差带等于单个数据值除以一组数据中的数据点的个数。例如,对于一组五个数据点,如果单个数据点的公差带的宽度的平局值为1。0,那么喷丸强度的公差带的宽度为0。2(1。0/5)。这就决定了在一组数据中的数据点越多,那么得到的喷丸强度将会更准确。

    (2)最小数据点的选择

   在有些情况下没有办法得到一个完整的饱和曲线,这种情况出现在当单独的一遍(一次或一次转台旋转)喷丸后的弧高值与多遍(多次或多次转台旋转)喷丸后弧高值很接近的时候。弧高值与遍数的关系图如图5所示。此时喷丸强度H就定义为”当喷丸时间增加一倍时,弧高值的增加量不超过10%的最小数据点”。

    图5中的数据点与图4中修饰后的数据点比较相似。在这种情况下就不适用采用曲线拟合的方法。采用“最小数据点选择”的方法得出的喷丸强度比使用计算机程序拟合饱和曲线的方法要更大一些,两者的差异大概在10%左右。另外一个重要的特征就是喷丸强度是一个单一的值。

 

图5. 当喷丸时间增加一倍时,弧高值的增加量不超过10%的最小数据点

确认

    通常情况下使用一定的遍数/次数/转台旋转数对试片进行喷丸进而才能绘制出饱和曲线。饱和曲线主要用于确认所需的喷丸强度是否达到了要求。确认喷丸强度时用到了饱和时间T。

   我们会花费比较多的时间和精力用来调整设备的参数,目的是要找到符合规定要求的喷丸强度,喷丸强度所对应的时间为T,如图6所示。当相关的参数确定以后,需要定期的进行检查以确定这些参数得到的喷丸强度是否持续的满足要求。但是,检查的结果和喷丸强度是不相同的。对于单个阿尔门试片固定器的强度确认与多个阿尔门试片固定器相比要简单的多。

单个阿尔门试片固定器的强度确认

    在标准SAE J443中描述了喷丸强度的确认方法。当仅有一个固定器时,可以使用单个阿尔门试片进行确认。在理想状态下,这个试片应该用时间T(喷丸强度对应的时间)进行喷丸。需要指出的是,当时间的单位为遍数或者旋转次数时,这种采用时间T验证的方法就不可行了。喷丸时间T很少为整数,如图6所示。J443中解释到“验证得到的弧高值与饱和曲线计算得到喷丸强度的差异应在±0.038mm以内……”。喷丸强度可以从饱和曲线上使用简单的追加曲线求解程序获得。这种追加的程序会代替把已选择的整数“时间”数值带入到拟合的等式中进而求得相应的弧高值。该弧高值可以称为“目标确认的弧高值”,不是真正的喷丸强度值。通过饱和曲线得出的强度值的精度比单个数据点的精度更加的精确。一个目标确认的弧高值如图6所示。J443规定验证得到的弧高值与喷丸强度相差的范围应在±0.0015英寸(±0.038mm)以内。作为另外一个验证方法,有一个简单的方法可以调整规范的极限值(上限和下限),目的是弥补时间T和选择的目标确认的“时间”。这种方法使用了目标确认的弧高值和喷丸强度对应的弧高值的比值。通过简单地把上限和下限与计算出的比例进行相乘。下面的例子对这种调整如何在现实中进行使用进行了说明。

 

图6. 从具有整数“时间”单位的饱和曲线上得到的喷丸强度和目标确认的弧高值

    对于单个固定器的强度确认以及范围调整的例子。

    图7中的例子是基于使用2PF程序以及SAE的No.4的一组数据。在拟合公式h=a*t/(b+t)可以得出以下数值:a=6.22,b=0.58,得出的喷丸强度为5.09,喷丸强度对应的时间为2.62。把3(t值)代入到2PF公式中可以得到h=6.22*3/(3+0.58),从而可以得到“目标确认的强度”h=5.21。把规定的强度范围(4和6)乘以5.21/5.09后得到4.1和6.1作为修正后的极限。那么采用“时间”为3遍进行喷丸强度确认时,所得的弧高值需落在4.1至6.1的范围以内(图7中的绿色棒)。在这个特殊的例子中,对于误差带的调整很小,不影响最终确认的结果。对于喷丸强度点和极限范围很接近的例子,可能会在这种调整中受益。

 

图7。 从具有整数“时间”单位的饱和曲线上得到的喷丸强度和目标确认的弧高值


多个固定器的强度确认

     当使用多个阿尔门固定器进行饱和曲线绘制时,将会产生多个“饱和时间”T。在这种情况下,J443推荐使用一个确认的时间进行强度确认。所选择的时间不应比最短的饱和时间更短,同时也不能比最长的饱和时间更长。最终得到的弧高值与原始饱和曲线得到的喷丸强度相差的范围应在±0.0015英寸(±0.038mm)以内。

    另外一个方法就是把所有的喷丸强度对应的时间进行平均并进行四舍五入,然后在每个固定器上用这个四舍五入后的整数时间对试片进行喷丸,从而进行目标强度确认。那么在每个固定器上进行目标强度的确认的方法可参照之前的单个固定器的方法。第二个问题就是要能够把其包括的大量的数据可视化。一个简单的基于Excel的计算机程序可以自动执行相关的计算。这个程序也会产生调整后的上限和下限,同时也要使用±0。0015英寸的方法。下面的例子对这种程序如何在现实中进行使用进行了说明。

在使用多个固定器的情况下的强度确认程序

    针对这个例子,假设夹具中包含了七个阿尔门试片固定器。在每个固定器上生产饱和曲线并使用2PF求解程序。得到的相关的喷丸强度和时间如图8所示,同时使用基于Excel的“强度确认程序”。七个喷丸强度对应的饱和时间T的平均值为5.71,四舍五入后得6。假定喷丸强度的上限和下限分别为8和10。在每个固定器上,使用T=6时对这些极限进行一些调整(与之前的单个固定器的方法相同)。目标确认弧高值(把T=6代入到每个饱和曲线的公式中)在黄色的一栏数据中。

    在7个固定器位置中使用T=6的时间进行喷丸,测量后得到的“确认弧高值”输入到蓝色的一栏数据中。每个数据均要求位于调整后的上限和下限之间。

 

图8. 在有7个阿尔门固定器的夹具上使用2PF求解程序


    喷丸强度确认值和目标值之间的差异计算出来后显示在“差值”的一栏中。为了模拟出“问题状态”下的情景,确认弧高值的数值被故意的放大了,这与把之前的饱和曲线弧高值测量的时间设为T=6有关。故意的放大后的值在差值一栏中大多显示了“正值”。这种大多数的情况并不是随机发生的而是与一个或多个控制参数的变化有关(比如压缩空气或叶轮转速)。最终的一栏清晰地显示所有七个试片确认的结果均满足公差带要求的范围。

两个试片喷丸强度的确认

    采用一个试片进行喷丸强度确认的方法并不能保证该喷丸束流的强度达到了要求。这仅仅能够确认在该处的弧高值是连续的。图9中的情况包含了图7的饱和曲线同时还有另外两条曲线,在1,2和3处有着喷丸强度,这三条曲线均通过了相同的目标确认弧高值5.21。如果采用两个试片进行喷丸强度确认,那么会明显地把三条曲线进行区分开,关键是在第二个试片用2TINT的时间,即两倍的TINT。采用两个试片的方法在一定程度上能够更准确的确认喷丸强度。

    值得注意的是,如果丸流量或者丸料速度发生很大地变化后,那么喷丸强度也会发生很大地变化,如图9中所示。像这样大的变化在一般情况下是很难遇到的,但是如果在控制体系发生了某些明显的变化后可能会发生这样的问题。

 

图9. 通过目标确认弧高值的几条曲线


总结

    喷丸强度是一个喷丸束流在零件表面上引入一定残余压应力层深和塑性变形的潜在能力。这种潜在的能力仅在零件喷丸的时候才能被认识到。非常重要的是,我们要认识到喷丸强度随距离的变化而发生变化。

    喷丸强度的量化是通过对一组阿尔门试片的弧高值进行测量和分析而得到的,每个试片都要喷不同的时间。把不同的弧高值连在一起就能近似地得到一个连续的曲线。每组数据都能够使用计算机程序客观地计算出来。弧高值的范围(喷丸时间的选取)、数据点的质量、数据点的数量和拟合曲线的选取对于取得准确的喷丸强度会产生重要的影响。

    规范中规定的要求的喷丸强度的确认方法是使用非整数的饱和时间T得到的弧高值是否在要求的范围以内。

    采用一个整数的数字,遍数,进行强度确认时,目标确认的弧高值要进行调整。一个客观的基于Excel的“确认程序”可以使得所有的计算自动进行,尤其使用多个阿尔门固定器时是非常使用的。两个试片确认强度的方法在一定程度上可以保证喷丸强度确认的结果的可靠性。






















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