第二十期 丸料束流的喷丸强度变化性
      发布时间:2017/8/25 13:55:56

      引 言                                                                                                        

          一个丸料束流通常被认为是丸料和流体的混合体。流体一般是空气,但是有时也会是水或其它的流体。

          丸料束流互相之间的差别主要表现在它们的平均喷丸强度上。导致这种差别的主要原因就是大家所熟知:丸料尺寸、丸料速度和丸料密度。上述三个参数有一个增加都会导致平均喷丸强度增加。对一个特定的丸料束流,测试所得到的喷丸强度是一个衡量,但实际上喷丸强度具有变化性,是一个变量,关于这一点人们所知并不多。从饱和曲线得到喷丸强度的变化性取决于以下三个因素:位置、角度和时间。PAT是由英文首字母组成的单词,是非常有用的,需要大家记住。P表示位置(Position),A表示角度(Angle)和T表示时间(Time)。

      喷丸工艺本身需要对每一束束流的喷丸强度进行严格控制。因此,本篇文章尝试解释一个特定的丸料束流是怎么以及为什么变化。

      丸料束流的成分

          一个丸料束流含有两个基本组成,即快速流动的流体和丸料。两者的结合情况如图1所示。

       

      图1 丸料束流中的流体和丸料

          图1中显示的丸料束流比较理想化。而真实的丸料束流的形状取决于丸料推进的形式,即是喷丸还是抛丸。如果采用的是抛丸设备,那么就没有压缩空气的存在,空气流的形状主要取决于叶片的设计方式。如果采用喷丸设备,那么空气流的形状主要取决于喷嘴的形状。

          一个非常重要的问题是:“流体和丸料的运动速度哪个更快?”答案要根据实际情况而定,因为丸料是离开喷嘴还是叶片所得到的答案不一样。对于虹吸式喷丸设备和直接供料喷丸设备,当丸料离开喷嘴后,空气的移动速度要比丸料更快。对于抛丸设备,丸料的移动速度要比空气更快。如果喷丸设备采用文丘里喷嘴,那么空气将达到超音速,这就意味着出口处空气的移动速度比丸料的速度要快得多。

      喷丸强度随位置的变化

          在一束丸料束流中,位置不同,喷丸强度也不同。造成喷丸强度差异的原因是在丸料束流的不同位置,丸料的速度不同。与之相关的定律称为束流中的丸料加速定律。该定律可以描述为:如果丸料周围的流体速度高于丸料本身,那么丸料将被加速,反之亦然。用下述公式可以表达,其中F为流体施加在丸料上的加速力:

      F=k(vF-vP)                                        (1)

          其中k为正常数,vF是流体速度,vP是丸料速度。如果vF高于vP,那么(vF-vP)为正值,则F为正值,因此作用在丸料上的力起到加速作用。但是,如果vF低于vP,那么(vF-vP)为负值,则F为负值,因此作用在丸料上的力起到减速作用。vF-vP的差(vF-vP)称之为“相对速度”。

          为了方便对公式(1)的理解,大家可以想象一下,如果一个人沿着一条很长的平直公路以5千米/小时的速度行走,吹过其背部的风速达到10千米/小时。那么现在相当于有一个(10-5)的力试图让这个人加速运动。如果风速减到5千米/小时,那么这个人将不会受到加速的力。如果风速降为2千米/小时,那么(2-5)将是一个负值,将会阻碍这个人向前行进并使其减速。

          关于丸料在喷丸过程中加速和减速的情况也可以采用以上的方法分析,如图2所示。空气速度和丸料速度以向量表示,所以每个箭头的长度代表了速度的大小。请记住空气速度在离开喷嘴之后会下降的很快。

       aa.jpg

      图2 空气和丸料速度随位置发生变化的矢量图


          如图2所示,在位置1处空气速度大于丸料速度,那么将会存在一个净加速作用使丸料的速度增加。在位置2处空气和丸料的速度相同,那么对丸料来说既无加速作用也无减速作用。在位置3处空气速度已经减小,丸料速度比空气速度更快,那么会存在一个净减速作用使丸料的速度降低。

          一束丸料束流中存在大量的丸粒。在丸料束流中,由于丸粒的位置、尺寸和形状不同,每个丸粒的相对速度也不同。同时,需要我们记住的是,由于受到外部静止气流的作用,在丸料束流边缘处的气流速度会显著下降。如果要对丸料束流中的每一个丸粒进行分析将是非常困难的一件事情。大家可以联想一下,数千只塑料鸭子扔入流速很快的溪流中的场景。在溪流的中间位置,水流的速度是最快,而在岸边的位置,水流的速度却非常的慢。随着溪流变宽,水流的速度会降低。以上的场景大家还是比较容易想象,而虹吸式喷丸设备中的丸流状态与上述场景是非常相似的,如图3所示。

       

      图3 虹吸式喷丸设备中丸流的喷丸强度分布


          在虹吸式喷丸设备中,喷丸强度的最大值出现在距离喷嘴D处的丸流中间位置。

          测试一个喷丸束流的不同距离D的喷丸强度是非常容易的。在喷嘴或叶片顶端的不同距离处放置阿尔门试片固定器进行喷丸强度测试。需要注意的是,要保证丸流的中轴线要沿着阿尔门试片的中轴线移动。在不同的距离处进行饱和强度试验进而绘制饱和曲线。图4中给出了S170铸钢丸,5mm直径喷嘴,2千克/分钟丸流量,虹吸式喷丸设备等条件下的喷丸强度变化随距离的变化情况,喷丸强度的变化范围为10-12A。该曲线的最重要的特征为最大喷强度hmax出现在245mm的距离处。

       

      图4 喷丸强度随距离的变化曲线图


          需要补充的是,哪怕是处在同一个距离,丸料束流横截面上的不同位置的喷丸强度也不相同,如图5所示。

       

      图5 丸料束流横截面上喷丸强度的变化情况

      (喷丸强度最大值出现在丸流的中心位置)

          测试所得的喷丸强度也会随着阿尔门试片的摆放位置的变化而变化。如果阿尔门试片的中轴线和丸流束流的中心线重合地较好,那么就能够得到相对较高的喷丸强度,而如果重合的情况不好,那么得到的喷丸强度相对较低。

          丸料束流中的喷丸强度差异程度和喷丸设备类型也有关。直接供料设备的喷丸强度差异性要比虹吸式喷丸设备小很多。而抛丸设备的情况是不一样的,由于丸料受到离心力和叶片推力的双重作用,丸料在离开叶片顶端时的速度要大于空气的速度,这就意味着丸料一旦离开叶片就开始减速了。

          从试验的角度来讲,测试丸料束流横截面的喷丸强度差异比较困难一些。由于弹坑的直径是和喷丸强度直接相关,因此可以采用间接的方法,即测试喷丸后留下来的弹坑直径的变化来推测喷丸强度的变化。通过在静止的阿尔门试片和固定的喷丸喷嘴之间放一个“滑动模块”进行测试。最终的结果表明,边缘部位的凹坑直径(象征喷丸强度)比中间位置要降低了约30%,这也反映出在丸流横截面上喷丸强度的变化情况。

      喷丸强度随角度的变化

          如果丸粒不是以垂直的角度冲击零件,那么丸粒冲击零件后在零件表面上留下来的凹坑要更浅一些,这也意味着塑性变形的程度要更小,因而喷丸强度也更小。图6显示了喷丸强度与冲击角度之间的关系。

       

      图6 冲击角度与喷丸强度的关系

      (本试验采用N型试片,S110铸钢丸)


      喷丸强度随时间的变化

          一个丸料束流的所测喷丸强度取决于以下三个与时间相关的因素,每个因素都具有长期、短期和即刻效应,它们为:

          1. 丸料特征;

          2. 速度控制;

          3. 强度测试方法。

      1. 丸料特征

          丸料的特征有平均尺寸、思忖分布和形状,这些特征都会随着时间发生变化。图7是造成丸料特征随时间发生变化的几个因素的图示。这些因素对喷丸强度造成长期的(缓慢的)、短期的(快速的)和即刻的变化。

       

      图7 影响丸料束流特征的时间相关因素


          对喷丸强度变化造成长期影响的一个例子就是丸料的磨损。丸粒的逐渐磨损是人们最容易理解的。经过长期使用后,丸料最终将不满足标准中尺寸的要求。图8就是S110丸料的长期磨损影响喷丸强度的一个例子,假设其它的参数保证不变。假设新的S110丸料可以达到的喷丸强度11A,那么长期使用之后丸料尺寸会减小,变成了S70丸料,如果其它的喷丸参数不发生变化,喷丸强度将降为7A(英制单位)。但是在实际的喷丸中,考虑到丸料的减小,喷丸参数是会作出相应调整的。

       

      图8 丸料的长期磨损与喷丸强度之间的关系


          对于钢切丸来说,长期使用中形状的变化对喷丸强度的影响是特别显著的。在使用过程中,钢切丸会逐渐变得更接近球形。这种形状的变化在未钝化钢切丸最为显著,在球形钝化钢切丸中最不显著。从理论上来讲,随着钢切丸的形状发生变化,喷丸强度将会发生轻微的下降。

          图9显示了丸料尺寸的长期变化是如何影响饱和曲线的。在实际的工厂喷丸强度测试中经常遇到的例子,如果料斗的底部积累了细的丸料,那么首先喷射出细的丸料,待细的丸料喷完,喷射出是粗的丸料,那么得到的饱和曲线将会是0ABC,这将导致实际的喷丸强度会降低。如果首先喷射出是粗的丸料,待粗的丸料喷完,喷射出是细的丸料,那么得到的饱和曲线将会是0DBE,得到的将会是不同的喷丸强度。

          对设备中的丸料进行补充后将会导致喷丸强度立刻升高,也就是从图9中的“比平均尺寸细”的曲线转变为“比平均尺寸粗”的曲线。


       

      图9 丸料特征的变化对喷丸强度的影响


      2. 速度控制

          一个丸料束流的喷丸强度直接和平均丸料速度、质量和直径相关。公式(2)和(3)为喷丸强度与丸料速度之间的经验公式,其中V为丸料速度,I为喷丸强度,S为铸钢丸的平均尺寸。

      I=S*0.0036659(1-exp(-0.010482*v))                             (2)

          其中I的单位为mm,v的单位为ms-1

      I=S*0.00014432(1-exp(-0.0031949*v))                           (3)

          其中I的单位为英寸,v的单位为英尺每秒。

          举一个例子,如果S170丸料(S=170)的速度为300英尺每秒(V=300),代入公式(3)中,得到的喷丸强度为0.015英寸。图如果速度降为270英尺每秒,那么得到的喷丸强度为0.014英寸,下降了10%。图10显示了由公式(2)得到的对于不同钢丸喷丸强度与丸料速度的关系。

      但是,丸料速度很少是直接控制的,通常采用空气压力和叶轮速度对其进行间接地控制,并假定丸流量是稳定的。但是不幸的是,以上三个因素(空气压力、叶轮速度和丸流量)在短期、中期和长期或多或少地都会进行波动。压力罐压力变化、电压波动、叶片磨损、软管磨损、喷嘴磨损以及丸流量控制波动等因素都会造成丸料速度发生变化。

                

      图10 喷丸强度与丸料速度之间的关系


      3. 喷丸强度测试方法

          喷丸强度的测试方法也会对喷丸强度的测试结果造成影响。长期的因素包括弧高度测试仪的支撑球和顶杆的磨损。短期的因素包括每个试片的差异以及测试阿尔门试片时的摆放方式。但是通过对弧高度测试仪的定期校准可以有效地减少喷丸强度测试方法对喷丸强度结果的影响。


      结论

          本篇文章并不具备综合性和权威性。本篇文章的目的是强调现实中有大量的因素会造成丸料束流的喷丸强度发生变化。

          我们一直关注的主题是如果每个喷丸强度的测试和设备参数的设置能够以某种形式保存成数据库,那么对于喷丸强度的控制将会更加有效。如果设备的喷丸强度发生了变化,那么可以参考本篇文章的相关影响因素进行分析。


      
      

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