第十九期 喷抛丸过程中的磨损以及对策
发布时间:2017/7/25 13:39:55

引 言                                                                                                        

    喷丸工程师一般都会面对磨损的问题。每一粒丸料和所有的喷丸设备都会或多或少地受到磨损。一个普遍的例子就是丸料在击打零件后受到了磨损。另一个例子就是Jack Plaster说过的“抛丸设备可能是所有现代化设备中最具有自我破坏特征的设备”。大量的坚硬丸料喷打在没有任何润滑的零件表面上,因此产生了极其严重的磨损问题。在一定程度上,丸料就像花椒,而抛丸设备就像一个巨大的胡椒磨,把丸料磨成了胡椒粉。

    在本文中,我们使用抛丸设备和击打的丸料来解释喷丸工程师们经常遇到的磨损机理。这些机理称为“粘着磨损”和“磨料磨损”。这两种磨损机理都会遇到“两物体”和“三物体”的情况,如图1所示。

 

图1 两物体和三物体的磨损情况

    本篇文章同时也说明了应该如何选择合适的材料和进行合理的零部件设计来减少磨损率。同时,本文也对如何来优化抛丸设备的设计进行了一些说明。

    对于每一个喷丸设备中的零件,有这么一个谚语都会适合,就是“一招鲜,吃遍天”。

    磨损仅会发生在两个物体接触并产生相互运动的情况。磨损率是受到接触压力和相互运动速度的影响。

    可以用一个简单的例子来说明压力和速度对磨损的影响。如果用砂纸对一个旧的以及生锈的阿尔门试片进行摩擦,我们都知道使用的力气越大,摩擦的速度越快,抛光的效果越好。如果想把两个铁棒在摩擦的过程中差生火花,就需要摩擦的速度非常快。古老的钻木取火的技术,就是使用尖锐的木棒在木块上采用弓弦进行快速的旋转来产生高压力和高速度进而产生高热量,最终生成了火。

粘着磨损

    就如其名字的意义一样,粘着磨损发生在两个物体表面互相接触时。这种磨损也经常被叫做“擦伤”两物体粘着后会在两个表面上发生微焊接的作用。刚接触时两个金属表面互相施压,在接触点上形成了微焊接。“刚接触”意味着表面已经完全没有了氧化保护。两个表面的相对运动会把粘着部位的微小接触点去除,从而造成了磨损。图2说明了微焊接以及后续的材料去除过程。本段采用了 材料接触时的状态来说明了粘着磨损的初始发生过程。

 

图2 微焊接的形成以及后续的材料去除过程

凹坑的形成

    所有的非贵金属在暴露在空气中时都会在表面形成氧化保护层。如果该保护层受到破坏,那么大气中的氧气将会快速的进行修复。需要指出的是,氧化层一般是非常脆的。当一个丸粒击打零件时,丸粒将会发生弹性变形。该弹性变形足以打碎丸粒表面的氧化层。当零件表面产生一个凹坑时,凹坑的表面会发生弹性和塑性伸展。这种伸展同样会打碎零件的氧化层。举一个典型例子,一个凹坑的直径是其深度的十倍,那么其伸展率为3%。这就极大地超过了氧化层本身的延展性。图3说明了上面例子中的伸展过程。ABC弧线的长度与原始的AC直线相比伸长了3%。

 

图3 典型的凹坑的尺寸

    氧是无法达到丸粒和零件的接触表面的。因此一共有两个接触表面互相施压以及互相运动。在喷丸的过程中,大量的微焊接就因此形成了并导致材料的去除。结果,粘合磨损就一定会出现。从微观上来看,粘合过程提升了凹坑的抛光外观效果。

粘合磨损的敏感性

    粘合磨损敏感性可以采用金属表面氧化层的厚度来表征。贵金属例如金有着最薄的氧化层(单层),但是几乎都不进行喷丸。一些金属例如铝和铬也有着非常薄的氧化层,薄到半透明的状态。铝合金和不锈钢同样也有非常薄的氧化层。已经得到证实的是,铝合金、不锈钢和金都非常容易发生粘合磨损。金箔以在被捶打过程中发生的“冷焊”现象而被持续使用了几千年。

磨料磨损

    磨料磨损主要发生在当一个较硬的材料摩擦一个较软的材料时。金刚砂纸所含的颗粒比金属要硬,因此它可以用来去除金属上的锈,这种磨损是两物体磨损。冶金家采用金刚石抛光轮来产生超光滑的表面,这种磨损为三物体磨损。两物体和三物体磨损均发生在喷丸过程中。

磨料磨损主要发生在当一个坚硬物体的粗糙表面击打一个较软物体的粗糙度表面时,如图4所示。当一个坚硬物体的粗糙表面击打一个较软物体的粗糙度表面时,一定会有材料被去除掉。在这个例子中,较软物体表面的粗糙面会被工作硬化直到被打碎。

 

图4 两物体的磨料磨损

减少磨损的方法

    材料选择和零件设计是减少磨损的两个主要因素。

材料选择

    在材料的选择方面受益于耐磨材料的巨大发展。目前可选择的材料非常多,因此选择的过程就简化多了。一般情况下,人们会把硬度作为抗磨损的评价指标,这是因为硬度越高,抗磨损能力越强。这种假设只是在具有相似微观结构的材料上才能成立。

    图5采用图示的方法说明了了两种抗磨损合金具有相同的硬度,但是其微观结果却不相同的现象。单相材料的每个晶粒的硬度都相似。而双相材料是非常硬的颗粒嵌入到较软基体上,一个微观压痕只能测试其平均的硬度。因此,单相和双相这两种材料可能具有相同的硬度测试结果。一种常见的两相抗磨损的材料就是在钴基材料中嵌入碳化钨颗粒。这种材料与具有同样微观硬度的钢铁相比,其抗磨损能力更强。需要说明的是,微观硬度压头是可以区分两相材料中不同颗粒的硬度的。

    仅通过微观硬度值来选择抗磨损材料是不推荐的。一定也要考虑到材料的微观结构。但是,如果两种材料具有相似的微观结构,那么很有可能较硬的材料的抗磨损能力更强。

 

图5 单相结构和双相结构

零件设计

    在磨损环境中的所有零件的设计必须要满足一定的抗磨损能力。对于供应商和使用方而言,商业上的考虑是最为重要的,一定要找到成本和使用寿命的一个平衡点。例如,如果设计出一个具有无限寿命的零件,那么供应商将很快就没有任何备件生意了。从另一方面讲,如果一个零件需要频繁的更换,那么使用方的成本就会增加。这方面的一个典型例子就是电灯泡。抛丸设备设计的一个典型问题就是如何减少抛头中的叶轮受到大量磨损的不利影响。

    关于如何减少丸料和叶轮的磨损将在本文中下两个章节中进行讨论。

丸料磨损

    丸料是喷丸过程的核心要素。所有类型的丸料在使用过程都会发生磨损。但磨损率又各不相同。因此丸料可以定义为必要消耗品。丸料在磨损过程受到的最明显的影响就是其直径会逐渐变小。这个过程如图6所示。

    如果没有任何的修正措施(定期的补充丸料),那么磨损会最终造成丸料的平均直径低于规范的要求。如果采取了修正措施(包括配备振动筛网和定期补充丸料),那么丸料的直径可以一直保持稳定或者周期性的稳定。采取修正措施后的丸料尺寸波动如图6所示。

 

图6 磨损对未修正丸料(不补充丸料)以及修正后的丸料(定期补充丸料)的尺寸影响


    丸料磨损的机理是基于氧化层的粉碎以及和零件产生了黏附作用。氧化层的粉碎产生粉尘,而这种粉尘是一定要清除掉的。黏附作用主要取决于丸料和零件的相对化学成分。如果丸料的磨损率越高,那么采取相应的修正措施的频率越高。因此,具有低磨损率的丸料具有很大的优势。

    丸料的抗磨损能力仅是选择丸料的众多因素之一。碳钢丸具有铸钢丸、钢切丸和渗碳丸几种。合金钢包括不锈钢和高锰钢。高锰钢以其优异的抗磨损性能而闻名。

    丸料的磨损可以定义为使用过程中丸料质量的逐渐下降。丸料质量的逐渐下降又是和丸料体积的逐渐下降有关,因此是和丸料的直径逐渐下降有关。目前还没有任何与丸料磨损直接相关的测试标准或规范。

    在J445标准中包含了三个不同的评定丸料耐用性的方法。第一种方法就是首先称取100g的丸料样品并使用该样品进行喷丸。运行一定周期之后(比如500圈),把样品取出并在一定标准尺寸的筛网上进行筛分,然后对留在筛网上的丸料进行称重。对筛网上留存的丸料重量和运行的圈数进行绘图。当超过95%的100g原始丸料被筛分出去之后,整个循环试验结束。图7为相应试验的数据。

 

图7 改版后的J445标准的图1

    在图7中绘制的曲线下方的绿色区域是用规定的梯形方法决定的。该区域被1605圈对应的直线AB隔成两部分。图7中的矩形ABCD的面积与绿色区域的面积相同。矩形的水平边CB的长度为1605圈,J445把该累计的循环次数就被定义为评价丸料耐用性的指标,该值越大,丸料的耐用性越强。

    J445标准中的丸料耐用性测试可以修正为丸料磨损率的直接表征方式。图8为根据图7中J445标准的数据绘制的曲线。当丸料质量的损失为50%时,可以假定筛网上留存丸料的数量和原始样品相同。对于球形颗粒而言,50%的质量损失意味着平均直径仅减少了20%。假设原始样品为S660的丸料,其平均直径为0.066英寸,因此循环到1500圈时,丸料平均直径减少了0.0132英寸。把直径的减少量除以循环圈数,就可以得到一个直接的磨损率的参数。在这个例子中,磨损率就是0.0132英寸除以1500圈得到8.8×10-6英寸每圈(224×10-6mm每圈)。

 

图8 采用J445标准中图1的数据推算质量损失为50%时的循环圈数

零件设计

    本段落仅在理论层面进行分析如何改进零件设计来减少磨损。以容易磨损的抛头为例进行讨论。图9显示了传统抛头的结构组成。

 

图9 一种典型的离心抛头的结构示意图

    在抛头中会形成很高的压力以及速度。加速器和叶片通常具有相同的旋转速度。例如,如果叶片的顶端在转速60圈/秒的转速下扫过的周长为1.0m,那么丸料被甩出去的速度至少能够达到60ms-1。在同样的例子中,如果加速器扫过的周长为1/3米(直径为53mm),那么丸料进入控制舱的速度达到了20ms-1。丸料以770倍的重力加速度带入到加速器和控制舱的界面上!770倍重力加速度的来源为圆周速度的平方除以旋转直径,即[(20ms-1)2/0.053m=7540m.s-2=770g,其中g=9.8m.s-2]。

    当丸料沿着叶片进行移动时,将会发生抛头的两物体磨损,其中丸料为第一物体,叶片为第二物体。另外一个例子就是当丸料击打零件时,会在零件表面形成凹坑。发生三物体磨损的一个例子就是当丸料被卡在图9的加速器和控制舱之间时。

    随着压力和移动速度的增加,磨损率会增加。减少磨损率的一个方法就是减少加速器的直径,因此也可以减少丸料的移动速度和离心力。但是,这种方法也会带来几个问题。其中一个就是叶片的长度一定会占据整个抛头直径的一大部分。长的叶片将会使甩出去的丸流产生一个相对较大的伸展角。另外一个问题就是丸料通过控制舱的出口会更加的困难,这主要是因为把丸料推出控制舱的离心力降低了,同时也因为出口槽占据了控制舱的更多的部分。不受丸流影响的可调节的叶片最大数量随着叶片长度的增加会下降。

    但是,通过零件设计的优化也可以降低磨损率。设计优化需要在不降低加速器直径的前提下降低丸料的移动速度。在这里将提供一种改进方法,希望能够减少磨损率,增加丸流的集中度以及减少零件的数量。

可能的改进措施:

    改进措施包括:

    (a)不采用分离式的静态控制舱,取而代之的是每一个叶片对应一个出料口;

    (b)使加速器上出口的数量少于叶片的及其出口的数量;

    (c)使加速器的旋转速度高于抛头的旋转速度。该速度可以使加速器和出口槽的速率同步,所以它们在圆周上只有在一个点上才能重合。

    加速器的旋转角速度一定要比叶片的高,相应的比例为叶片的数量和加速器出口槽的比值。在图10中,总共有8个叶片,7个加速器出口槽。因此加速器的旋转速度应该为叶片的8/7倍。之所以设定这个比例,主要是要使加速器出口和叶片的入口只能在相同和固定的位置上重合,例如图10中的P点。当抛头中加速器和叶片的角速度以及出口的数量相同时,这种重合就能实现。

    以上所建议的改进措施会带来一些优势。最重要的优势就是在一定的加速器和叶片尺寸的前提下,移动零件的相对表面速度会得到很大的降低。例如,对于具有八个叶片的抛头,其相对的表面速度可以从35m.s-1降低到5m.s-1。这会使得丸料、加速器和叶片的磨损率大大降低。第二个优势就是可以使基本的零件(包括加速器、控制舱和叶片)数量减少。这就意味着相应的磨损也会减少。在磨损减少的同时,需要增加叶片和加速器的尺寸,以适应更多的叶片数,也使得丸流更加集中。

 

图10 改进后的具有八个叶片的叶轮

控制舱丸料转移的机理

    丸料在传统抛头中的转移过程分为两步:(1)丸料必须从加速器出口槽出去以及通过静态控制舱出口槽移动;(2)丸料必须通过移动的叶片进行收集。采用上述建议的系统,丸料可以直接转移到叶片上。这两种丸料的不同的运动方式如图11和12所示。丸料在出口槽的移动过程包含了“链球”和“爆管”的力学效应。当丸料的移动速度在加速器方向上达到900时,这两种效应都不会发生明显的作用。

    传统抛头中的出口槽的宽度一定得是加速器出口槽的几倍,这样丸料就更加容易地从加速器转移到控制舱中。丸料会沿着“无人区”进行移动一直到达移动的叶片表面上。之前出口槽的表面的角度非常尖锐以便于把丸料弹入到叶片表面上。丸料被叶片收集到后会在离心力的作用下沿着叶片移动一直到叶片的顶端。

    通过所建议的改进,一旦加速器出口和叶片上的出口重合时,丸料会直接转移到移动叶片的根部。需要特别指出的是,出口槽的速度要比传统的要更小。对于“8/7”改进的抛头,相应的运动速度要比传统的慢七倍。这就意味着改进后系统的出口槽不需要比加速器的出口宽得多,因为对于丸料等待从出口转移出去的时间延长了7倍。改进后的丸料转移与传统相比目的性更强,更加有序。

 

图11 传统的出口槽设计


 

图12 改进后的出口槽设计


结论

    在没有润滑的零件之间的磨损是永远不会消除的,但是可以从材料和零件设计方面把磨损降低到最大化。众多的研究表明,在一定的接触力和材料的条件下,接触速度和磨损率是成线性正比的。要改进任何的喷抛丸设备,减少磨损,需要对磨损的机理有基本的认识。

    在目前的规范和标准中还没有明确规定丸料的磨损率。在关于丸料耐用性方面的升版后的J445标准中给出了直接计算丸料磨损率的方法。为减少磨损,关于丸料的选择是比较负责的,需要考虑众多因素。丸料使用者在购买时一定要综合考虑各个因素。

    在本篇文章中的抛头的优化设计是纯粹的学术研究,有可能在实际中进行重新设计。

    对于设备制造厂家,提高设备的抗磨损性能是一个永恒不变的目标。这就需要在成本和性能之间寻找一个平衡点。例如,如果只是简单地购买最便宜的丸料,那么实际的经济效益肯定很差。而另一个极端的例子就是,如果厂家出售的丸料能够永久使用,那么这个厂家很快就没有后续的订单了。



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