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第二十八期 覆gailv:发展,测量,控制及意义
发布时间:2019/6/13 9:22:28

引 言                                                                                                                                                                                           

       喷丸de主要mude是在材料表面产生一层ya缩ying力de“眃iぁbao佣鴗i高部件deshi用性能。一个重要de结论是,材料表面de加gong硬化是靠高速撞击de丸料产生de。这zhong加gong硬化通常huiti高零件defuyi寿命。另一fang面,过度de加gong硬化hui降di表面材料de延展性,daozhi微裂纹de形cheng和fuyi寿命de降di。当粒子撞击表面蔮ao遣鷇e凹痕占零件表面积de比例,术语“覆gailv”定义为冲击弹丸粒子撞击喷丸表面所产生de凹坑de比例。因此,“99%覆gailv”等表达式表shi99%de表面积zhi少撞击liao一次,而1%de表面积gen本meiyou受daoren何影响。本章de核心问题包括:“覆gailvru何发展?”ru何测量和控制覆gailv?覆gailvru何变化?”最佳覆gai范wei是什么?yi及“覆gailv与所需de表面残余ying力deguan系ru何?”

覆gai聅hi姆⒄更/span>

       覆gailv发展,通常是ji于丸料产生de随机ya痕作为简单模型来解释。该模型假设xiang同de弹丸粒子yi恒定de速lv(单位时间na单位面积de冲击量)撞击表面,产生xiang同de圆形凹痕,并且凹痕是随机分布de。图1显shiliao逐渐发展de覆gailvshi意图。在喷丸de第一miao钟,产生liao8个圆形ya痕区yu,16个在2miaona,32个在4miaona,64个在8miaona,xiang当于每miao8个ya痕de恒定速lv。每个ya痕de中心都蝖ui谕鈉efang格na,ya痕de坐标是用计算机生chengde随机数分配de。nacefang格给出liao影响范weide真shi指蔶ining当注意de是,随着覆gai范weide扩大,多重影响de发生yue来yue频繁。

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                                                           8个撞击dian                                   16个撞击dian

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                                                           32个撞击dian                               64个撞击dian

图1 覆gai聅hi茳/span>增模型


       可shi用图像分析来测量“受影响”de总面积,在这个特定shi例中,1、2、4和8sde值分bie为15.67%、34.85%、46.87%和77.10%。这些值与覆gai曲xian一起绘制在图2中,覆gai曲xian与yixiang同比例受影响dewu限大面积youguan。覆gai曲xianji于Avramifang程:

覆gailv= 100 [ 1-exp(-A.R.t)]                                       (1)

       其中A是每次冲击de面积,R是产生凹坑de速lv,t是冲击时间

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图2 由图1yu测覆gailv趋势图


       可yi看出,这四个shiyandian并不jing确di蝖ui诟瞘ai曲xian上。这是因为dian代表you限样眏ing鷛ian代表wu限样眏inU鈠hong差异紃en⒚钣zhong匾Mü啾龋悸侵酪桓鐾阸uangui则de六面骰子,掷六次,可能只得dao一个“六ao部赡茉诹喂讨写?dao6杂乱出现,另一fang面,ru果掷骰子de次数是wu限de,那么对于一个gui则de骰子,频聅hi钠絡un謉ao玧ing确dao骰子de每个面,即投掷次数yue多,xiang同数字出现de频lv将非常jiejin。

       随着覆gai聅hi脑龀ぃ豧u影响de数量也随之增加。ru图3所蔶inU庑┣鷛ian也是shi用“Avrami模型”推dao出来de,在这个模型中,在wu限大de区yuna随机创建xiang同de圆形凹坑,但喷丸流量不变,在90%de覆gailv下,“重合dianaoㄗ畛<阂桓鎏囟╠ian受礿ie跋靌e次数是2次,ran后是1、3、4、5等。99%蔮ao睾蟙ian数为4,99.9%蔮ao睾蟙ian数为7。在99.9%de覆gailv下,大部分区yu将受dao超过20次de影响。该模型yu测,wu论进行liao多长时间de喷丸,100%de覆gai聅hi疾籬ui达dao,这是因为假设一个wu限大de表面积正在bei喷丸。在you限喷丸面积na,覆gailv可yi达dao100%,但时间永远wu法bao证。即shishi用非常高de喷丸强度,也只能说对于you限区yu来说zheng个喷丸区yuyou很高祄u赡艽飀ao100%覆gailv。

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图3 不同数量丸料对总覆gai聅hi膅ong献


       在此you个争论dian,de通常认为撞击后覆gailv是不duan增加de(宏guan意义上),但其平jun值明显di于100%。这里cun在一个最佳覆gai值de竝ai睿琩i于此值表shi欠喷丸,高于此值表shi过度喷丸。这个最佳值在很大程度蓌ian【鲇赽ei喷丸de材料。yingji住,喷丸de主要mude是产生一zhongya缩性“皮肤ao瑈iyou化材料shi用性能,而不是徒laodi追qiu100%de覆gailv。这zhong盲mu追qiu将shi得零件bei过度de喷丸处理,同时you可能超过材料de延展性,并降di原xian喷丸de好处。

覆gai聅himu刂坪筒饬军/span>

       控制覆gai聅hi牡谝桓鑫侍馐悄芄粃hun确di测量它。图4显shiliao一个放大约10倍de轻微喷丸shi样。由于cun在大量未喷丸表面,因此可yi对shi样进行合理zhun确de测量。利用图像分析程xu可yi很rong易di对这些样苀ang卸坎饬俊an而,随着覆gailvjiejin100%,测量变得困难并最终wu法进行。同时由于原始表面未打磨也加剧liao测量问题,制zao商不hui仅仅为liao帮助测量覆gai范wei而对其零件进行打磨,因此,喷丸表面de不jun匀性是最重要de问题,因为不jun匀de表面难yi秠ue埂V氐e凹坑边詃e:⑿e未喷丸区yu都将影响dao测量值。

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图4 shi用S170弹丸对铝样苀ang信缤璐恚瞘ailv为34.8%,放大10倍,并shi用具you毫mi刻度de公制尺进行guan察。


       显ranwu限小de未喷丸区yu不可能测量。对于非常小de未喷丸区yu,当前de技术也wu法进行测量。例ru,考虑一个10mm*10mm区yu,该区yu将在10倍放大倍lv下paizhao进行检查。图像在10倍放大lv下de“ping膆uang稀背叽缃?00mm*100mm。假设xiang机具you录制1兆像素图像de能力。xiang当于1000×1000像素de正fang形图像。因此,样本表面de每平fang毫mi对ying于100×100像素。ru果现在考虑由S110或S170弹丸形chengdeya痕,ya痕直径将在0.1mm区yu。那么,这就xiang当于一个直径为0.1mmde圆,它bei刻在一个正fang形上,这个正fang形de图像只you10像素*10像素。图5显shiliao这zhong情况de一zhong表蔶inⅫ/span>

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图5 0.1mm直径de喷丸区yu像素化图片,其中包括重叠喷丸区和未喷丸区yu


       ru果(这是一个非常大de“ru果ao﹛iang机能够完美di区分bei喷丸和未喷丸de区yu,那么喷丸区将显shi为jiao暗de像素(单se),从而形cheng“锯齿状de圆”。ru图5所shi,三个重叠撞击之间形chengde“未喷丸区yu”在ren何穓iao蛏隙夹∮谝桓鱿袼兀虼藈u法检测dao。图中所shide单个“未喷丸区yu”de面积约为0.1*0.1mm总面积de0.1%。因此,wu法确定覆gailv是否高于99.9%。事shi上,在zheng个区yu上you10个这样小de未喷丸de区yu,甚zhiwu法确定是否达daoliao99%de覆gailv。

       定量图像分析覆gailv测量fang法dejing度取决于原始图像de质量。为liao说明可能出现de问题,特意shi用liaodi质量图像,ru图6(a)所蔶inu图6(b)所shi,对yingde二謉i枷駑u法区分未喷丸区yude反射lv和ya痕底部。因此,“黑dian”出现在大多数凹坑区yude中心。对图像dejing确分析只能ji于测量每个已shibie喷丸de封闭区yu(忽略凹坑之间de斑dian)。因此,拥you一个高质量de图像瞤ai芨谩⒏黵ong易de进行测量gong作!

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                                                                     (a)                                (b)

图6 cai用S170丸料、10倍放大聅hi月良信缤鑔e光xue图像(a)和二謉i枷瘢╞)


       可靠de测量需要建立在含you大量未喷丸区yude表面dejichu上。因此,考虑覆gailv控制蔮ao瞴ing竚ei诙yuan瞘ai聅hi禿i于99%de表面进行de测量。下面de案例研究旨在说明ru何shi施这zhong控制。

覆gailv控制案例研究

       一个零件要用四个xiang同deya痕进行喷丸,mude是jing确di达dao99.9%de覆gailv。唯一可用于控制de变量为丸料de流量。zhun备抛光de材料片,其材料性能尺寸都yingxiang同才可shi用。

第一步可yi是将抛光de材料片安装dao喷丸设备中,fang法与固定Almenshi片defang法类似。喷丸蔮ao牧掀幸淮涡耘缤瑁ㄒ桓鐾枇狭髁俊E缤韬螅圆牧掀琩e几个区yu进行paizhao和图像分析,yi便进行覆gailv测shi。平jun覆gailv为74.6%。可yi将该值代入Avrami覆gaifang程(1),得出:

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

       其中,第二个“1ei韘hi测shi中四个ya痕中de第一个;A:每个ya痕de面积假定为常量,R与丸料流量cheng正比。

       可yi很rong易di解出fang程(2),其中A.Rde值为1.3548。ran后,可yi将该值与2、3和4一起tian入daofang程(2)中,yi表shi随后de过程。这样就得daoliao2次、3次、4次通过de总覆gailv为93.344%、98.283%和99.55%,即2次、3次和4次通过(yi1.3548deA.Rlv)。因此,四次通过后de覆gai聅hi陀谒鑔e99.9%。ran后,将所需de99.9%代入fang程中,誽e紸.Rde值,所需deA.R值为1.7269。将该值与1.3548进行比jiao表明,需要将丸料流量增加约27.5%,yi便通过四个ya痕jing确dishi现99.9%de覆gailv。蔰ao始扑鉹u图7所shi,其中“x”用于chu始deA.R组合,而“y”用于调zheng后deA.R比lv。

       ru果所需de覆gailv是99.99%,而不是99.9%,那么弹丸流量比lv必xu增长70.0%(cai用与之前xiang同de程xu得出)。对于99.999%de覆gailv,程xuyu测所需de弹丸流量比聅hi黾?12.4%。ying竚i⒁鈊e是,ru此高de覆gailv值很可能hui超过材料you化所需de值。注意,在每次传递过程中,”A” 都bei假定为常量。可yishi用比(1)更fu杂defang程,该fang程将可能减小凹坑Ade尺寸。

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图7 “Mathcad”gong作表用于yu测所需弹丸流量de变化量


覆gailv与表面残余ying力

       零件de喷丸hui在zheng个表面形cheng一个二维de、非常you益de、ya缩ying力de表面层。喷丸ru此持续you效de一个主要原因是它是一个“渐变”de过程。这就是说,ru果在ren何临界ying力区yude覆gai范wei不降dao非常dide时候,那么ya缩残余ying力debao护眃iな峭陑heng。因此,是可yi通过对零件进行喷丸来ti高材料性能,未受影响de小区yu并不意味着表面cun在“ruodianao馐且蛭皇前伎硬鷏iaoya缩ying力区,而是凹坑下fang和周weide变形区产生liaoya缩ying力区。图8显shiliao一个单一de冲击区yu、其xianglinde变形区yuyi及ya缩ying力材料同心“包luo”de表蔶ina缩ying力水平从撞击区中心yue詃uan陆怠Ⅻ/span>

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图8冲击区、变形区及周weiyaying力包luoxianshi意图


       图8demude只是为liao说明冲击区和变形区de尺寸都是you限de,而包luo影响区是wu限de(meiyou特定de边界)。冲击区deyou限尺寸由弹丸尺寸、喷丸能量、材料强度等决定。周wei变形区deyou限尺寸由冲击中心de距li决定,超过qufu强度-因此塑性变形you一个尖锐de“截止xian”。另一fang面,ya缩残余ying力值随着距li冲击区yu中心de距li逐渐下降,即最大ya缩ying力謉aohui诔寤髑鴜u下fang。为liao说明重叠deying力轮kuo,图9用同心等ying力圆表shiliao远li冲击区yudeying力大小下降,包括几个冲击区yu。由于“ying力叠加原理ao氐eying力轮kuo将合并,形cheng表面残余yaying力de连续性。ru果喷丸前表面含you拉伸残余ying力,喷丸后则由喷丸产生deya缩残余ying力代替。

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图9多个喷丸区de重叠ya缩等ying力圆


       另一个重要因素是ya力水平不能突ran改变。因此,在已获得jun匀、shi质衴uan瞘aide喷丸部件中,物理上不可能you拉伸表面残余ying力区yu,甚zhi是非常dideya缩残余ying力区yu。

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       上述论ju得出三个主要结论:

       1. wu需changshi对已喷丸部件进行很高de覆gailv。

       2. you效de覆gailv控制可yi通过在早期测量覆gailv,调用蕇hi眃e覆gai聅hi剑瑀an后控制给定喷丸状tai下de丸料流量。

       3. you限和wu限覆gai样本之间是you很大区biede。

       对于高覆gai聅hi膉ing确测量是不可能de。很难you效shibie,更瞙ui盟等穊ao,100%覆gaizheng个已喷丸部件de表面。在不同deshi用条件下,ying为不同de材料测shi最佳覆gailv,这一dian很重要。这是因为喷丸demude是产生一个ya缩ying力表面“皮肤ao瑈ou化材料性能。过度de喷丸huidaozhi喷丸表面延展性de耗jin而tui化。另一fang面,在进行喷丸处理蔮ao砻娌籬ui达dao最佳硬度(通过加gong硬化)并且随后ya缩ying力“眃iぁ眃e厚秗an峒跣 ?蓎i合理di假设,对于许多材料,最佳覆gailv将小于90%。

       定量覆gai控制可yicheng为jing密喷丸deyou效手段。一个ji本deyoudian是覆gai/喷丸时间曲xian具youru此简单de形状,xiangyingdeAvramifang程只you一个变量——假设you固定de凹坑直径。与阿尔门饱和曲xiandefu詙ou巫磝iang比,阿尔门饱和曲xian需要三dao四个参数瞤ai芙衘ing确分析。因此,对于恒定de喷丸条件,仅需一次测量即可yu测覆gai/喷丸时间曲xiande进度。固定凹坑直径deshi用是一zhong简化,真正de喷丸区yu包含不同范wei直径de凹坑。但这并不能证明磞ou缤鑔e中间阶段就可yiyu测最终覆gai聅hi膅uandian是正确de。等直径de竝ai羁蓎i等同于一系列凹坑尺寸de平jun直径。

       结果表明,ji于小而jing确de丸流比lv变化祄u刂剖欠浅ou效de。与大多数可jie受祄u刂瞥蘹u一样,必xuyou参考标zhun。例ru,定量化xue分析依赖于一系列已zhicheng分de标zhun样品。ran后,测量值xiang对于最jin可用标zhunde测量謉ao斜硎jinⅫ/span>

案例研究中概述de覆gai控制程xude参考标zhunying包括:

       1. 一套不同材料de标zhun数码zhao片,jing处理后覆gai范wei不同。ran后可yi调zheng图像分析程xu,shi其与标zhunxiang匹配。

       2. 一套标zhundejing喷丸处理de样品,同样由不同de材料jing不同de、确定de覆gai范wei进行喷丸处理。ran后可yi调jiecheng像/分析技术。

       覆gai测量dejing度将通过shi用shi片、抛光过de部件材料或zhi少细磨过de部件材料来ti高。图像分析程xuying允许一次测量大量凹坑区yu。这是为liao消除you限样本大小和wu限大样本yu测謉i鋎e差异。

       覆gaizheng个表面dejun匀性很重要。ru果在喷丸de中间阶段进行测量,也可yi更you效di监测这一dian。

       最后,覆gailv和喷丸强度(通过阿尔门饱和曲xian测量)是不同de。它们反映liao喷丸控制de不同fang面。对喷丸部件覆gai范weidezhun确liao解将she及daoya缩残余ying力这层bao护皮de完zheng性。此外,覆gai范weide测量是指材料本身。另一fang面,喷丸强度指de是适用于铝带de喷丸“强ruo性”——shi用de标zhun材料必xu符合gui范和xiangying条件。


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