di二十二期 水喷强化与水喷丸强化
发布时间:2017/10/25 15:25:15

引 言                                                                                                    

    水喷强化he水喷丸强化的共同te征就是均使用了水liu。但是,liang种工yi是有zhou明显差异的。水喷强化需yao对ling件施jia一个足够高的直接压力使得ling件表面chan生塑性bian形。而水liu喷丸是使用水liu中夹带的高速运dong的丸料来冲击ling件的表面,进而使得ling件表面chan生塑性bian形。tu1hetu2说明了liang种强化工yi的差异。

    水喷强化的喷嘴中镶有宝shi,mu的是保证足够祄u鼓ニ鹦阅堋6杂谒甽iu喷丸工yi,比絰ian貀ao的是yao保证水liu的连贯性,而不能出xian水liu分叉的xianxiang。

                             

tu1.水喷强化的tu解

       

tu2. 水喷丸强化的tu解

    对于水喷丸强化,丸料被jia入到速度低许多(xiang较于水喷强化)的水liu中。丸料被水liujia速,进而冲击ling件表面,然后被danhui。

    本篇文zhang将对上shuliang种工yi分别进行jie绍,使用xiang同的分析方法包括压力、力以及gong率等进行蘻hi邸Ⅻ/span>

水喷强化

    水喷强化的ji本yao求就是水liudao入的压力yao高于ling件的qu服压力强度。当进入到喷嘴时,水liu会被施以juda的压力。如guo水liu分叉,那么qi速度将会下降。水作为一种液体是不ke被压缩的。这就意味zhouqi与空qiliu的te征是不同的。

水liu速度

    水liu的速度Vke以使用以下公式进行ji算:

    V=44.721*P0.5                       (1)

    当水liu的速度V的单wei为m/s时,那么施jiazai喷嘴中的压力P的单wei为MPa。

    li如,如guo所施jia的压力为500MPa,那么把qi代入礿iao剑?)中,ke以得到V=1000m/s。

    当采用英制单wei时,公式(1)bian成:

    V=377.56*P0.5                     (2)

    当水liu的速度V的单wei为ft/s时,那么施jiazai喷嘴中的压力P的单wei为kpsi。

    公式(1)he公式(2)ke以简化为经dian的liu体力xue的公式,即:

    v=0.98(2*P/ρ)0.5

    qi中ρ为水的密度,对于公式(1),ρ为1000kg/m3,P的单wei为Pa。

    通过公式(1)ke襶uan莶煌囊褄hi压力绘制成tu3。因为压力涉及的穌uanШ躣a,所以xuan择了对数坐标。水liu的速度ke以dazhidi分为低、高he超高三个等级。zai水喷强化工yi中,水liu的速度是超高的。

 

tu3 所施jia的压力对水liu速度的影响

水liu喷丸中的水liu对ling件所施jia的压力

    zai水喷强化中,水liuzailing件表面所施jia的压力PW是关键的瞱enH鏶uozhi道水的密度he水liuzai打击时的速度,那么gai压力ke以很rongyidiji算出来。下shu公式zai水喷强化中是非chang重yao的:

    PWW*vW2                    (3)

    qi中PW是水liu以90°的角度冲击ling件表面所施jia的压力,单wei为Pa。ρW是水的密度,单wei是kg/m3。vW是水liu冲击ling件表面时的速度,单wei为m/s。

    总之,水喷强化过程中,水liu的冲击压力是水的密度与水liu速度平方的乘ji。

    水喷强化所依赖的是水liudao入的压力yao高于ling件的qu服压缩强度。根据jin属jia工的理论,材料的qu服压缩强度是qu服拉伸强度的1.155倍。对于水喷强化,水的密度为1000 kg/m3。因ci公式(3)ke以简化为:

    PW=1000*vW2                    (4)

    zaidaqiqi压下,空qi的密度为1.225 kg.m-3。这就意味zhouzai同样速度下,水liu所施jia的压力是qiliu的800倍左右。理解水liu施jia的压力的关键就是qi与水liu速度的平方成zheng比。tu4为水liu施jia的压力与速度之间的关系tu。材料的qu服强度yezaitu中的zong坐标上gei出了。

 

tu4. 水liu的速度对冲击压力以及材料qu服强度的影响

    水liu的速度一定yao达到xiang当高的水苆iang拍躢han生足够da的冲击压力来超过ling件的qu服强度。zaitu4中,jin属材料被dazhi分为三组,分别为硬zhi合jin、半硬钢he软jin属。通chang所喷的zui软的jin属是耹iang蟡in,ci时水喷强化所需的水liuzui小速度为300m/s。zai软jin属穌uanУ膁ing部对应的是半硬钢,ci时水喷强化所需的水liuzui小速度为800m/s。对于比不锈钢更硬的jin属进行水喷强化时,所需yao的水liu速度需yao更快。

    zailiu体力xue中比较有趣的一个结论就是,一个连续的水liu的冲击压力da约是施jia于喷嘴的压力的liang倍。

    如前文所shu,水liuzailikai喷嘴后既不会分叉,ye不会shou羈ingS肟誵i不同,水具有“表面张力”。表面张力ke以使水(无论是水滴的衱en交故撬甽iu的衱en剑┡Ρhi以及zui小化qi表面ji。因ci,一shu水liu总是shitu保chiqi形状。喷嘴的设ji以及材料zai保证水liu不分叉方面起zhou非chang重yao的作用。shixiang一下,如guo水liuzai打击ling件表面时的直径bianda成从喷嘴刚喷出时的liang倍,qi打击力会jianshao为不bianda的状态的四分之一(直径biandaliang倍,那么横截面ji会bianda四倍)。

水liu的gong率

    一shu高速运dong的水liu具有非changda的gong率。ke以使用以下的公式进行表示:

    JP=1/2ρ*v2*A                   (5)

    qi中JP是水liu的gong率,ρ是水的密度,v是水liu的速度,A是水liulikai喷嘴后的横截面ji。

    li如,一shu水liu的运dong速度为1000m/s,qi横截面ji为10mm2,那么代入上shu公式ke得qigong率为5000千瓦。

水liu的能量

    水liu具有dong能,表达式为1/2mv2,qi中,m表示zhi量,v表示速度。zai水liu撞击固体mu标物之前,qi能量ke以rongyidi被估算。

    li子:假设存zai如tu5所示的情形。一个长度为10厘米的水liu,qi横截面为0.1cm2,那么qi体jike以精确diji算出为1li方厘米。水的密度为1g/cm3,所襶uan贸ざren甽iu的zhi量为1g。如guogaiduan水liu的速度为1000m/s,那么qidong能为1/2*1*1000000g.m2/s2或者500kg.m2/s2。已zhi1 kg.m2/s2=1J(jiao耳),1卡路里=4.186J。那么500 kg.m2/s2=500J=120卡路里。

 

tu5. 假xiang的一shute定水liu的尺寸


水liu能量的转化

    当一shu水liu冲击ling件表面后,qi能量的分布方式一定会出xianbian化。如tu1所示,当一shu水liu冲击一个平板时,qi向前的dong能会完quandi消失,水liu的运dong方向ye会转bian90°。有一些能量会存zai于横向(平行于ling件表面的方向)liudong的水liu中。如guo假设水liu的da部分dong能转化为热能,那么与ling件接触的水liu部分将会bian得非changdi热,shen至于出xian沸teng的状态。文xian中已经有一些报告指出,水liu强化ke以chan生蒸汽云。

    li子:假设zai上shu的示li中,冲击前水liu的温度为10℃,总能量120卡路里中的10卡路里存zai于横向liudong的水liu中。如guo把水从10℃jia热到沸点100℃,需yao90卡路里。剩余的20卡路里将会消耗zaichan生蒸汽的过程中。

    有理论依据认为水liu的dong能转bian成热能是不一zhi的。zui高的dong量bian化率将出xianzai水liu的轴向方向。因ci,ke以认为zai轴向方向,更多的dong能会转bian成热能。tu6为gai能量转化ji理的示意tu。

    水liu中shao量的能量将会消耗zai喷走材料表面破碎的氧化物的过程中。

 

tu6. zai水喷强化过程中,能量转化ji理的示意tu

水喷丸强化

    水喷丸强化的ji本te征如tu2所示。从本zhi上jiang,高速运dong的水liu県ui美窗淹枇蟡ia速到一个xiang当高的速度,进而使ling件表面chan生塑性bian形。水的密度yao比空qida的多,因cike以很rongyidi对丸料chan生jia速的作用。

水liu的速度

    zaidi十期的文zhang中已经jie绍了ji算ji算丸liu速度的xiang关理论he等式。水喷丸强化与空qi喷丸强化的wei一显著不同点就是所使用的jia速liu体的密度不同。水的密度为1000kgs/m3,比空qi的密度yao高得多。zai10个daqi压下,空qi的密度ye才为12kgs/m3

    水喷丸强化中丸料的速度VS取决于以下几个因su:

    (1)水liu的速度,VJ

    (2)阻力系数CD是一个无量纲量,对于qiu形的物体qi值为0.5;

    (3)丸料的横截面ji,A;

    (4)水的密度,ρW

    (5)丸料的密度,ρS

    (6)丸料被jia速的距li,s;

    (7)水liuhe丸liu的xiang对速度(VJ- VS)。

    如前所shu,ji算丸料速度的公式zai前期文zhang中已经进行了xiang关jie绍,本期不再赘shu。表1为采用Excel表格进行的xiang关ji算结guo。这gai示li中,假设水liu的压力为12MPa,用来秠uan滞杞衘ia速,jia速距li为100mm。水liu的速度ke以使用本片文zhang的等式(1)进行估算。“促进xiao率”是丸料速度与水liu速度的比值,单wei为百分比。zai本li中,丸料的速度为水liu速度的90%。

表1.采用Excel表格估算you液体作为载体的丸料速度

 

    zai表1中使用到了术语“X因子”。gai因子的表达式为:

    X=(1.5*B2*B3*B4*B7/(B5+B6))^0.5            (6)

    X因子的重yao性zai于ke以zai丸料速度he水liu速度中的比值VS/ VJ中体xian出来:

    VS/ VJ=X/(1+X)                                (7)

    zai上shuli子中,X为10.7,那么VS/ VJ=10.7/11.7=0.915。采用百穤hi幢泶锞褪?1.5%,等于“促进xiao率”。需yao指出的是,“X因子”yueda,促进xiao率yue高。促进xiao率与“X因子”之间的关系如tu7所示。


 

tu7的形状te征为有理函数。

    同样喷丸强度曲线ye具有xiang同的te征。gaituye说明了水喷丸强化he空qi喷丸强化的zuizhuyao的不同。zai空qi喷丸中,X因子非chang的小,因ciqi促进xiao聅hi卜莄hang小。喷嘴中的zuida空qi速度ye受到了声速(da约340m/s)的限制。而水liu的速度ke以达到声速的4.3倍或更高(da约1500m/s)。

水喷丸强化中丸料速度的bian化性

    zai水喷丸强化中,促进xiao率几乎是恒定的,高于90%。xiang反di,对于空qi喷丸的X因子是处zaidou斜率中。因cike以得出一个结论,就是空qi喷丸中的丸料速度的bian化性xiang比于水liu喷丸yao更da。如guo水liu喷丸的横截面能够保chi不bian的话,那么上shu结论会更jia明显。

li如,如guo水liu的横截面you于分散的wen题增jia了一倍,那胏i甽iu的速度将会jian半,xiang应di,水liu中所包含的丸料速度ye会迅速jian小。水liu的速度jian小,那么qijia速丸料的能力ye会bian弱。而空qijia速丸料的xiao率与水liuxiang比会更低,因ci一dan丸料likai喷嘴之后,qi受到空qibian化的影响会较小。


蘻hi邳/span>

    本篇文zhang是对前期关于喷丸he抛丸的丸料jia速ji理的补充。通过Excel表格的帮助,ke以定量di分析xiang关的因su比如压力、gong聅hi蟆⑺俾蚀俳鴛iao率he丸料te征。li如,ke以很rongyidi显示出zai空qi喷丸中,da直径的丸料不yi获得高速度。xiang反,对于da直径的丸料,采用水喷丸强化就ke以很rongyidi获得很高的速度。gong率he能量的yao求是比较关心的,te别是对于水喷强化而言。

    不含丸料的水喷强化需yao超高的水liu速度使得ling件表面发生塑性bian形,进而chan生can余压应力。you于水喷强化不包含丸料,因ci强化后ling件表面不会出xian凹坑。ling件材料的qu服强度yue高,qi表面yue难发生塑性bian形。

    水喷丸强化的优点zai丸料ke以获得非chang高的运dong速度,于哪怕是尺寸非changda的丸料。这zai喷丸成形工yi中的优势非chang明显。对于chun水喷强化,水的循环是一个比较da的wen题。

    本篇文zhang中的公式都是ji于liu体力xue的,同时ye采用一些简单的假设,因ci通过本篇文zhang的公式ji算得出的结guo不会是百分百准确的。但是,xiang信qi准确性ye是xiang当强的,足够对不同的bian量he不同的工yi进行定量分析。对于几种不同的喷丸强化工yi,xiang应的Excel表格(不包含宏命令)ke以登陆shotpeener@btinternet.com网站进行下载。