喷丸的基本原理
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喷丸是一个非常重要的金属零件的加工工艺,可以有效地提高零件的疲劳寿命。本篇文章主要以六个要素的方式来解释喷丸的内容。

介绍

喷丸是一个非常重要的金属零件的加工工艺,可以有效地提高零件的疲劳寿命。当今社会的关于喷丸的信息量非常丰富,但有时可能纷扰人们的视线,“一叶障目,不见泰山”,这句谚语的意思就是如果太注意细枝末节的话,可能就把握不住大的方向。本篇文章主要以六个要素的方式来解释图1的内容。
图1 喷丸的六大基本要素(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)
  1. 零件,比如拖车钢板弹簧,在工作时承受循环载荷的作用。
  2. 循环载荷导致了相应的循环应力。
  3. 如果应力足够大、循环周期足够多的话,循环应力可导致疲劳失效。裂纹增长时零件的应力一定是拉应力。
  4. 通过喷丸可以有效地减少疲劳失效的影响。
  5. 喷丸在零件表面引入了一层“神奇的皮肤”,具有压应力、冷作硬化的功效。该“皮肤”的厚度取决于喷丸强度。
  6. 覆盖率是喷丸在零件表面作用的一个参数。覆盖率是零件表面凹坑的面积与零件表面面积的比值。
图2 喷丸的决定要素(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)
喷丸工艺是否合适是几个要素共同决定的,可以从图2上进行概述。
一般来说,客户负责制定喷丸的要求-强度和覆盖率等,该喷丸要求是由设计和工艺专家制定的。喷丸公司的操作者负责把喷丸强度和覆盖率达到客户要求的水平。
图3 循环载荷

1 循环载荷

大多数的零件都要承受循环载荷的作用,特别是应用在汽车和航空领域的零部件。载荷有如下四个比较显著的特征:

1.频率

在压簧和板弹簧中有时有很明显的载荷,但有时其循环载荷与航空零部件(在飞行中压力和拉力载荷交替变化)相比没有那么明显。在同一时间段里,弹簧可能要承载万亿次的循环载荷,然而航空零部件(比如起落架,等等)可能只承载几千次的循环载荷。载荷的频率因此相差非常大,对设计来讲是一个需考虑的因素。有些零件的设计必须要考率到使用万亿次的循环载荷,然而其它零件的设计可能只需考虑几千次的循环载荷。

2.变化性

同一个零件所承受的载荷可以变化非常大。例如一个空载的卡车与一个满载的卡车相比其承受的循环应力更低,一个拖车在平坦的柏油路上与在坑洼的山路上相比所需牵引力更低,飞机进行紧急降落与正常降落相比起落架承受的载荷更高。零件的设计和喷丸工艺的制定均需要充分考虑载荷的变化性。

3.载荷的大小

载荷的大小决定了一个零件在失效之前可以运行多久。更大的载荷可以使零件运行的周期更小。估算循环载荷的大小是一个值得好好研究的课题。

4.载荷的类型

循环载荷的“黑或白”的极端法则就是“拉-压”以及“重复的弯曲”。所有的零件所受的各种载荷均有一定的比例。当循环载荷主要是重复的弯曲力时,喷丸的效果最好。
图4 循环应力

2 循环应力

任何零件的循环载荷均可引起相应的循环应力。应力可以如图4所示一样在拉应力和压应力之间交替变化。正是零件的拉应力的作用(图4中红色的曲线)导致零件的疲劳失效。
零件上的应力一般是“弹性应力”,因为一旦载荷移除后应力也会消失。对零件施加拉力载荷意味着零件一定会伸展。相反地,对零件施加压力载荷零件会发生压缩。零件伸展和压缩的量称为“应变”。对于零件的弹性应力,应力和应变是一个线性关系,这个线性关系是力学的基础,被称为“胡克定律”(公开发表于1660)。应力与应变的比值是弹性模量,E,同时弹性模量也是材料的一个特性指标。
零件的类型不同,其在服役过程中承受应力循环的次数差异也比较大。零件可以按照预想的应力循环次数的目标(在疲劳失效之前的循环次数)进行设计。在19世纪,在英国的设计引领了一个“维多利亚工程”的热潮。当时的设计遵循尺寸大因而应力水平低的准则,当时的有些零件在21世纪仍然还在一直工作!当今社会的运输车辆的现实情况来看,这种过度设计的方法以是不被接受的,因为超重罚金将零件的经济性降低。
循环应力的一个重要要素就是“应力的扩展”。如果零件有一个凹痕,那么其导出应力会发生扩展。应力扩展的水平取决于凹痕的尖锐程度。这就是为什么对于车轴到法兰设计成平滑的“转接”的原因。喷丸的作用就是降低凹痕的应力扩展的作用。
图5 疲劳曲线-没有喷丸

3 疲劳曲线-没有喷丸

金属材料本身就具有抵抗循环应力的能力。通常采用疲劳曲线来进行表示。对于铁素体材料其疲劳曲线的一般形状如图5所示。首先可以注意的是,该曲线非常的简单,仅仅由两个直线来区分疲劳失效和没有疲劳失效。这是因为采用了“对数坐标”的方法来显示应力循环的次数。之所以采用对数坐标,是因为应力循环的次数分布范围非常的广,由零件应用的需要,可以分为数十次到数以亿次不等。
对于铁素体材料,随着应力水平的提高,其失效前的循环次数降低。如果应力水平足够低,那么疲劳失效永远也不会发生,该应力就为零件的“疲劳极限”。在图5中疲劳极限出现在500次应力循环处,但是该数据会随着零件的材料和测试条件的不同而发生变化。想象一下,如果该铁素体零件一致在其疲劳极限下进行应力循环,那么当循环到一定次数后疲劳失效就会发生。如果循环应力水平永远不超出疲劳极限,那么疲劳失效永远不会发生。
图6 疲劳曲线-已经喷丸

4 疲劳曲线-已经喷丸

在特定的循环次数,喷丸后的零件的循环应力水平得到了提高。与没有喷丸的疲劳曲线相比,喷丸后的应力水平有了明显的提高。
图7 喷丸强度

5 喷丸强度

“喷丸强度”是与喷丸后零件的残余压应力层深直接相关的量。喷丸强度越高,残余压应力的层深以及硬化层的厚度越大。喷丸强度是采用一组标准的钢材料试片(阿尔门试片),分别喷丸不同时间进而绘制出饱和曲线来计算的。喷丸强度是指当时间增加一倍时,弧高值的增加刚好为10%的那一个点,也叫做饱和点。
丸料在零件表面上击打出的凹坑受到冲击角度的影响。想象一下一个机械枪对这一个垂直放置的钢板进行开火。如果我们把钢板以一定的角度倾斜放置,那么子弹击打的效果将会减小。这种现象在战斗坦克的设计中也会用到。如果阿尔门试片与丸料束流的角度不垂直,那么与垂直相比其喷丸击打效果也会同样减小,进而喷丸强度也会减小。
丸料的击打会造成零件表面的塑性变形,在零件表面产生压应力硬化层,可以提高零件的疲劳抵抗能力。零件的疲劳裂纹只能在拉应力的环境中进行循环时才能生成和长大。一般外加应力在零件的表面上是最大的,尤其是处于弯曲应力的状态时。零件表面的残余压应力可以减少施加在零件上的拉应力。
残余压应力之所以在零件表层发挥有效作用的原因并不都是显而易见的。作为类比分析,考虑拿一个橡胶套套在一个轴上面,例如套在一个板球板或曲棍球的柄部,那么这个橡胶套是处于拉应力的状态。试想如果在这个橡胶套的表面划一个口子,那么由于拉应力的作用这个口子会发生扩展。但是如果这个橡胶套是在压应力的状态,那么由于压应力的作用,这个口子会发生闭合。
喷丸强度可以直接控制残余压应力硬化层的厚度。
图8 喷丸覆盖率荷

6 喷丸覆盖率

“喷丸覆盖率”的定义是喷丸后零件表面凹坑的面积与零件的总表面积的比值。如果喷丸的量增加,那么覆盖率也会相应的增加。喷丸的量比较少,那么覆盖率较低,喷丸的量比较多,那么覆盖率会很高,如图8所示。
为便于对喷丸覆盖率的理解,可以想象一下对一个目标区域进行连续投掷炸弹。如果一个投掷手抛出了七个炸弹,炸弹发生爆炸后留下了弹坑,如图8左图所示。但是很有可能两个炸弹所产生的弹坑有重叠的区域,同样如上图左图所示。七个弹坑的总面积其实比一个弹坑的7倍要小。当投掷手再抛出七个炸弹,总的弹坑的面积会变大,但是仍然会有弹坑重叠的区域。弹坑的总面积达到一定程度后其增长的速度会越来越慢,这也是“边际效用递减规律”的一个例子。请注意哪怕投掷大量炸弹以后仍然可能存在一些很小区域没有被弹坑覆盖。

喷丸标准的制定

喷丸标准制定的合适与否取决于客户或喷丸工艺执行者对于喷丸知识的了解程度。如果喷丸工艺执行者仅为一个人,那么该执行者必须承担的责任是对喷丸的基本知识都要了解。如果喷丸工艺执行者是一个团队,包括设计工程师,工艺工程师,电脑专家,在喷丸车间经过培训的员工,等等。那么零件所包含的复杂性和价值需要合适的喷丸工艺进行支撑。
在本文中罗列出喷丸的几个基本要素,并结合喷丸标准制定的复杂性进行介绍。以下是喷丸的三大要素:

1 喷丸丸料

目前应用最广的丸料是铸铁丸、铸钢丸、钢丝切割丸、玻璃丸、陶瓷丸和不锈钢丸。他们都具有以下共同的特征:近球形,高硬度,较好的一致性以及合理的成本。
丸料的选择通常根据零件的材料来进行选择。铁素体钢铁材料的零件通常用铸铁丸、铸钢丸或钝化后的钢丝切割丸来进行喷丸,因为以上所述的材料都是铁素体。如果对不锈钢的零件使用铁素体的丸料进行喷丸,零件将会有电化学腐蚀的危险。不同的金属和合金的电极电位不同,当两种或两种以上的金属一起接触时,那么一种金属将会是阴极,另外一种金属将会是阳极。铝合金金属零件的硬度较小,通常需要玻璃丸或陶瓷丸进行喷丸,同时也可以避免发生电化学腐蚀的问题。
对于丸料的质量和尺寸的过程控制有严格的规范进行规定。使用中的丸料由于不断地发生撞击而导致磨损和形状发生改变,丸料状态会发生恶化的现象。喷丸后零件的残余应力与丸料的尺寸有直接的联系,因此需要在设备上安装振动筛来控制丸料的尺寸。丸料直径的尺寸范围为0.2mm~3.4mm,大多数情况下喷丸丸料的直径均在1.0mm以下。
喷丸标准制定者需要决定丸料的尺寸和类型。

2 喷丸强度

喷丸强度的标准制定对于零件来讲是至关重要的。需要标准制定者规定喷丸强度上下限,例如0.20~0.26mmA。之所以喷丸强度是一个范围,是因为喷丸强度很难精确控制到一个值。喷丸强度的最优选择需要大量的试验,包括材料的类型,载荷的类型,零件的厚度等等,所以喷丸强度的选择需要慎重考虑。
丸料束流垂直对零件表面的喷丸强度大于非垂直的情况。喷丸标准制定者经常规定其所需的喷丸强度在制定位置必须进行测试,该位置需安装角度合适的阿尔门试块(阿尔门试片固定器)。对于这些指定位置,喷丸束流的强化效果一定要达到。
喷丸后在零件表面形成的“神奇”的残余压应力硬化层最高可达1mm的厚度。有相关的图表描述喷丸强度以及零件材料与残余压应力硬化层的厚度的关系。这里给出一个比较粗的公式:残余压应力硬化层的厚度是A型喷丸强度的2/3。
对于零件喷丸强度的制定以及优化是非常复杂的,因其受到许多因素的影响。早在1958年,Fuchs建议对于一般的应用情况,喷丸强度0.25~0.35mmA(0.010~0.014英寸A)是合适的。他同时指出零件厚度、零件材料、零件喷丸前的表面状态(是否存在裂纹和凹痕)等等也是喷丸后零件的疲劳寿命的诸多因素。这说明了喷丸强度的优化工作需要进行全面的考虑,即便是考虑了许多相关的因素,也不一定就能确定该喷丸工艺是否真的就能提高零件的寿命,需要大量的实际试验进行验证。

3 喷丸覆盖率

喷丸标准制定者必须规定零件喷丸的覆盖率。如果要找出零件的最佳覆盖率是多少,只能进行大量的试验,没有其它更好的方法。目前关于覆盖率是多少比较合适分为两个派别,一种派别的观点是覆盖率越高越好,由此而产生了一些比较模糊的覆盖率的要求,比如300%的覆盖率要求(其实就是“100%”覆盖率喷丸时间的3倍)。另外一种派别认为大多数应用的最优的覆盖率不会超过“100%”。
目前大家公认当覆盖率高于98%以后很难再去测量覆盖率到底是多少,因此目前一致接受的观点就是稍微小于100%的覆盖率被认为是“完全覆盖率”。

讨论与结论

本篇文章给出了喷丸的大致介绍,特别是对喷丸标准制定者必须制定的几个喷丸参数做了介绍。本篇文章也做了必要地一些简化在本篇文章不做过多的介绍,现在有大量的文献介绍参数的变化对喷丸的影响相关的理论和实际的应用。
喷丸普遍应用在大多数的金属零件中,主要目的是解决零件的过早疲劳失效的问题。同时再强调一下,目前有大量的文献介绍喷丸提高零件疲劳寿命相关的内容。作为一个“附加”的表面处理工艺,与改变零件尺寸和改变零件材料相比,喷丸是一种更为经济可行的方法。
本文作者:David Kirk
原载:恩太喷丸
上载于:2016-3-7 14:18:22

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