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介紹

    噴丸是一個(gè)非常重要的金屬零件加工工藝，可以有效地提高零件的疲勞壽命。現(xiàn)在關(guān)于噴丸的信息量非常豐富，但有時(shí)可能紛擾人們的視線，“一葉障目，不見泰山”，這句諺語的意思就是如果太注意細(xì)枝末節(jié)的話，可能就把握不住大的方向。本篇文章主要以六個(gè)要素的方式來解釋圖1的內(nèi)容。

    1、零件，比如拖車鋼板彈簧，在工作時(shí)承受循環(huán)載荷的作用。

    2、循環(huán)載荷導(dǎo)致了相應(yīng)的循環(huán)應(yīng)力。

    3、如果應(yīng)力足夠大、循環(huán)周期足夠多的話，循環(huán)應(yīng)力可導(dǎo)致疲勞失效。裂紋增長時(shí)零件的應(yīng)力一定是拉應(yīng)力。

    4、通過噴丸可以有效地減少疲勞失效的影響。

    5、噴丸在零件表面引入了一層“神奇的皮膚”，具有壓應(yīng)力、冷作硬化的功效。該“皮膚”的厚度取決于噴丸強(qiáng)度。

    6、覆蓋率是噴丸在零件表面作用的一個(gè)參數(shù)。覆蓋率是零件表面凹坑的面積與零件表面面積的比值。

噴丸工藝是否合適是幾個(gè)要素共同決定的，可以從圖2上進(jìn)行概述。

    一般來說，客戶負(fù)責(zé)制定噴丸的要求-強(qiáng)度和覆蓋率等，該噴丸要求是由設(shè)計(jì)和工藝專家制定的。噴丸設(shè)備的操作者負(fù)責(zé)把噴丸強(qiáng)度和覆蓋率達(dá)到客戶要求的水平。

一、循環(huán)載荷

    大多數(shù)的零件都要承受循環(huán)載荷的作用，特別是應(yīng)用在汽車和航空領(lǐng)域的零部件。載荷有如下四個(gè)比較顯著的特征：

    1、頻率；

    2、變化性；

    3、載荷的大??；

    4、載荷的類型。

1）頻率

    在壓簧和板彈簧中有時(shí)有很明顯的載荷，但有時(shí)其循環(huán)載荷與航空零部件（在飛行中壓力和拉力載荷交替變化）相比沒有那么明顯。在同一時(shí)間段里，彈簧可能要承載萬億次的循環(huán)載荷，然而航空零部件（比如起落架，等等）可能只承載幾千次的循環(huán)載荷。載荷的頻率因此相差非常大，對設(shè)計(jì)來講是一個(gè)需考慮的因素。有些零件的設(shè)計(jì)必須要考率到使用萬億次的循環(huán)載荷，然而其它零件的設(shè)計(jì)可能只需考慮幾千次的循環(huán)載荷。

2）變化性

    同一個(gè)零件所承受的載荷可以變化非常大。例如一個(gè)空載的卡車與一個(gè)滿載的卡車相比其承受的循環(huán)應(yīng)力更低，一個(gè)拖車在平坦的柏油路上與在坑洼的山路上相比所需牽引力更低，飛機(jī)進(jìn)行緊急降落與正常降落相比起落架承受的載荷更高。零件的設(shè)計(jì)和噴丸工藝的制定均需要充分考慮載荷的變化性。

3）載荷的大小

    載荷的大小決定了一個(gè)零件在失效之前可以運(yùn)行多久。更大的載荷可以使零件運(yùn)行的周期更小。估算循環(huán)載荷的大小是一個(gè)值得好好研究的課 題。

4）載荷的類型

    循環(huán)載荷的“黑或白”的極端法則就是“拉-壓”以及“重復(fù)的彎曲”。所有的零件所受的各種載荷均有一定的比例。當(dāng)循環(huán)載荷主要是重復(fù)的彎曲力時(shí)，噴丸的效果最好。

圖1 噴丸的六大基本要素

二、循環(huán)應(yīng)力

    任何零件的循環(huán)載荷均可引起相應(yīng)的循環(huán)應(yīng)力。應(yīng)力可以如上圖所示一樣在拉應(yīng)力和壓應(yīng)力之間交替變化。正是零件的拉應(yīng)力的作用（上圖中紅色的曲線）導(dǎo)致零件的疲勞失效。

    零件上的應(yīng)力一般是“彈性應(yīng)力”，因?yàn)橐坏┹d荷移除后應(yīng)力也會(huì)消失。對零件施加拉力載荷意味著零件一定會(huì)伸展。相反地，對零件施加壓力載荷零件會(huì)發(fā)生壓縮。零件伸展和壓縮的量稱為“應(yīng)變”。對于零件的彈性應(yīng)力，應(yīng)力和應(yīng)變是一個(gè)線性關(guān)系，這個(gè)線性關(guān)系是力學(xué)的基礎(chǔ)，被稱為“胡克定律”（公開發(fā)表于1660年）。應(yīng)力與應(yīng)變的比值是彈性模量，E，同時(shí)彈性模量也是材料的一個(gè)特性指標(biāo)。

    零件的類型不同，其在服役過程中承受應(yīng)力循環(huán)的次數(shù)差異也比較大。零件可以按照預(yù)想的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)的目標(biāo)（在疲勞失效之前的循環(huán)次數(shù)）進(jìn)行設(shè)計(jì)。在19世紀(jì)，在英國的設(shè)計(jì)引領(lǐng)了一個(gè)“維多利亞工程”的熱潮。當(dāng)時(shí)的設(shè)計(jì)遵循尺寸大因而應(yīng)力水平低的準(zhǔn)則，當(dāng)時(shí)的有些零件在21世紀(jì)仍然還在一直工作！當(dāng)今社會(huì)的運(yùn)輸車輛的現(xiàn)實(shí)情況來看，這種過度設(shè)計(jì)的方法以是不被接受的，因?yàn)槌亓P金將零件的經(jīng)濟(jì)性降低。

    循環(huán)應(yīng)力的一個(gè)重要要素就是“應(yīng)力的擴(kuò)展”。如果零件有一個(gè)凹痕，那么其導(dǎo)出應(yīng)力會(huì)發(fā)生擴(kuò)展。應(yīng)力擴(kuò)展的水平取決于凹痕的尖銳程度。這就是為什么對于車軸到法蘭設(shè)計(jì)成平滑的“轉(zhuǎn)接”的原因。噴丸的作用就是降低凹痕的應(yīng)力擴(kuò)展的作用。

三、疲勞曲線-沒有噴丸

    金屬材料本身就具有抵抗循環(huán)應(yīng)力的能力。通常采用疲勞曲線來進(jìn)行表示。對于鐵素體材料其疲勞曲線的一般形狀如上圖所示。首先可以注意的是，該曲線非常的簡單，僅僅由兩個(gè)直線來區(qū)分疲勞失效和沒有疲勞失效。這是因?yàn)椴捎昧恕皩?shù)坐標(biāo)”的方法來顯示應(yīng)力循環(huán)的次數(shù)。之所以采用對數(shù)坐標(biāo)，是因?yàn)閼?yīng)力循環(huán)的次數(shù)分布范圍非常的廣，由零件應(yīng)用的需要，可以分為數(shù)十次到數(shù)以億次不等。

    對于鐵素體材料，隨著應(yīng)力水平的提高，其失效前的循環(huán)次數(shù)降低。如果應(yīng)力水平足夠低，那么疲勞失效永遠(yuǎn)也不會(huì)發(fā)生，該應(yīng)力就為零件的“疲勞極限”。在上圖中疲勞極限出現(xiàn)在500次應(yīng)力循環(huán)處，但是該數(shù)據(jù)會(huì)隨著零件的材料和測試條件的不同而發(fā)生變化。想象一下，如果該鐵素體零件一致在其疲勞極限下進(jìn)行應(yīng)力循環(huán)，那么當(dāng)循環(huán)到一定次數(shù)后疲勞失效就會(huì)發(fā)生。如果循環(huán)應(yīng)力水平永遠(yuǎn)不超出疲勞極限，那么疲勞失效永遠(yuǎn)不會(huì)發(fā)生。

四、疲勞曲線-已經(jīng)噴丸

    在特定的循環(huán)次數(shù)，噴丸后的零件的循環(huán)應(yīng)力水平得到了提高。與沒有噴丸的疲勞曲線相比，噴丸后的應(yīng)力水平有了明顯的提高。

五、噴丸強(qiáng)度

    “噴丸強(qiáng)度”是與噴丸后零件的殘余壓應(yīng)力層深直接相關(guān)的量。噴丸強(qiáng)度越高，殘余壓應(yīng)力的層深以及硬化層的厚度越大。噴丸強(qiáng)度是采用一組標(biāo)準(zhǔn)的鋼材料試片（阿爾門試片），分別噴丸不同時(shí)間進(jìn)而繪制出飽和曲線來計(jì)算的。噴丸強(qiáng)度是指當(dāng)時(shí)間增加一倍時(shí)，弧高值的增加剛好為10%的那一個(gè)點(diǎn)，也叫做飽和點(diǎn)。

    丸料在零件表面上擊打出的凹坑受到?jīng)_擊角度的影響。想象一下一個(gè)機(jī)械槍對這一個(gè)垂直放置的鋼板進(jìn)行開火。如果我們把鋼板以一定的角度傾斜放置，那么子彈擊打的效果將會(huì)減小。這種現(xiàn)象在戰(zhàn)斗坦克的設(shè)計(jì)中也會(huì)用到。如果阿爾門試片與丸料束流的角度不垂直，那么與垂直相比其噴丸擊打效果也會(huì)同樣減小，進(jìn)而噴丸強(qiáng)度也會(huì)減小。

    丸料的擊打會(huì)造成零件表面的塑性變形，在零件表面產(chǎn)生壓應(yīng)力硬化層，可以提高零件的疲勞抵抗能力。零件的疲勞裂紋只能在拉應(yīng)力的環(huán)境中進(jìn)行循環(huán)時(shí)才能生成和長大。一般外加應(yīng)力在零件的表面上是最大的，尤其是處于彎曲應(yīng)力的狀態(tài)時(shí)。零件表面的殘余壓應(yīng)力可以減少施加在零件上的拉應(yīng)力。

    殘余壓應(yīng)力之所以在零件表層發(fā)揮有效作用的原因并不都是顯而易見的。作為類比分析，考慮拿一個(gè)橡膠套套在一個(gè)軸上面，例如套在一個(gè)板球板或曲棍球的柄部，那么這個(gè)橡膠套是處于拉應(yīng)力的狀態(tài)。試想如果在這個(gè)橡膠套的表面劃一個(gè)口子，那么由于拉應(yīng)力的作用這個(gè)口子會(huì)發(fā)生擴(kuò)展。但是如果這個(gè)橡膠套是在壓應(yīng)力的狀態(tài)，那么由于壓應(yīng)力的作用，這個(gè)口子會(huì)發(fā)生閉合。

    噴丸強(qiáng)度可以直接控制殘余壓應(yīng)力硬化層的厚度。

六、噴丸覆蓋率

    “噴丸覆蓋率”的定義是噴丸后零件表面凹坑的面積與零件的總表面積的比值。如果噴丸的量增加，那么覆蓋率也會(huì)相應(yīng)的增加。噴丸的量比較少，那么覆蓋率較低，噴丸的量比較多，那么覆蓋率會(huì)很高，如上圖所示。

    為便于對噴丸覆蓋率的理解，可以想象一下對一個(gè)目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行連續(xù)投擲炸彈。如果一個(gè)投擲手拋出了七個(gè)炸彈，炸彈發(fā)生爆炸后留下了彈坑，如上圖左圖所示。但是很有可能兩個(gè)炸彈所產(chǎn)生的彈坑有重疊的區(qū)域，同樣如上圖左圖所示。七個(gè)彈坑的總面積其實(shí)比一個(gè)彈坑的7倍要小。當(dāng)投擲手再拋出七個(gè)炸彈，總的彈坑的面積會(huì)變大，但是仍然會(huì)有彈坑重疊的區(qū)域。彈坑的總面積達(dá)到一定程度后其增長的速度會(huì)越來越慢，這也是“邊際效用遞減規(guī)律”的一個(gè)例子。請注意哪怕投擲大量炸彈以后仍然可能存在一些很小區(qū)域沒有被彈坑覆蓋。

噴丸標(biāo)準(zhǔn)的制定

    噴丸標(biāo)準(zhǔn)制定的合適與否取決于客戶或噴丸工藝執(zhí)行者對于噴丸知識的了解程度。如果噴丸工藝執(zhí)行者僅為一個(gè)人，那么該執(zhí)行者必須承擔(dān)的責(zé)任是對噴丸的基本知識都要了解。如果噴丸工藝執(zhí)行者是一個(gè)團(tuán)隊(duì)，包括設(shè)計(jì)工程師，工藝工程師，電腦專家，在噴丸車間經(jīng)過培訓(xùn)的員工，等等。那么零件所包含的復(fù)雜性和價(jià)值需要合適的噴丸工藝進(jìn)行支撐。

    在本文中羅列出噴丸的幾個(gè)基本要素，并結(jié)合噴丸標(biāo)準(zhǔn)制定的復(fù)雜性進(jìn)行介紹。以下是噴丸的三大要素：

    1、 噴丸丸料

    2.、噴丸強(qiáng)度

    3.、噴丸覆蓋率

一、 噴丸丸料

    目前應(yīng)用最廣的丸料是鑄鐵丸、鑄鋼丸、鋼絲切割丸、玻璃丸、陶瓷丸和不銹鋼丸。他們都具有以下共同的特征：近球形，高硬度，較好的一致性以及合理的成本。

    丸料的選擇通常根據(jù)零件的材料來進(jìn)行選擇。鐵素體鋼鐵材料的零件通常用鑄鐵丸、鑄鋼丸或鈍化后的鋼絲切割丸來進(jìn)行噴丸，因?yàn)橐陨纤龅牟牧隙际氰F素體。如果對不銹鋼的零件使用鐵素體的丸料進(jìn)行噴丸，零件將會(huì)有電化學(xué)腐蝕的危險(xiǎn)。不同的金屬和合金的電極電位不同，當(dāng)兩種或兩種以上的金屬一起接觸時(shí)，那么一種金屬將會(huì)是陰極，另外一種金屬將會(huì)是陽極。鋁合金金屬零件的硬度較小，通常需要玻璃丸或陶瓷丸進(jìn)行噴丸，同時(shí)也可以避免發(fā)生電化學(xué)腐蝕的問題。

    對于丸料的質(zhì)量和尺寸的過程控制有嚴(yán)格的規(guī)范進(jìn)行規(guī)定。使用中的丸料由于不斷地發(fā)生撞擊而導(dǎo)致磨損和形狀發(fā)生改變，丸料狀態(tài)會(huì)發(fā)生惡化的現(xiàn)象。噴丸后零件的殘余應(yīng)力與丸料的尺寸有直接的聯(lián)系，因此需要在設(shè)備上安裝振動(dòng)篩來控制丸料的尺寸。丸料直徑的尺寸范圍為0.2mm~4.0mm，大多數(shù)情況下噴丸丸料的直徑均在1.0mm以下。

    噴丸標(biāo)準(zhǔn)制定者需要決定丸料的尺寸和類型。

二、噴丸強(qiáng)度

    噴丸強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)制定對于零件來講是至關(guān)重要的。需要標(biāo)準(zhǔn)制定者規(guī)定噴丸強(qiáng)度上下限，例如0.20~0.26mmA。之所以噴丸強(qiáng)度是一個(gè)范圍，是因?yàn)閲娡鑿?qiáng)度很難精確控制到一個(gè)值。噴丸強(qiáng)度的最優(yōu)選擇需要大量的試驗(yàn)，包括材料的類型，載荷的類型，零件的厚度等等，所以噴丸強(qiáng)度的選擇需要慎重考慮。

    丸料束流垂直對零件表面的噴丸強(qiáng)度大于非垂直的情況。噴丸標(biāo)準(zhǔn)制定者經(jīng)常規(guī)定其所需的噴丸強(qiáng)度在制定位置必須進(jìn)行測試，該位置需安裝角度合適的阿爾門試塊（阿爾門試片固定器）。對于這些指定位置，噴丸束流的強(qiáng)化效果一定要達(dá)到。

    噴丸后在零件表面形成的“神奇”的殘余壓應(yīng)力硬化層最高可達(dá)1mm的厚度。有相關(guān)的圖表描述噴丸強(qiáng)度以及零件材料與殘余壓應(yīng)力硬化層的厚度的關(guān)系。這里給出一個(gè)比較粗的公式：殘余壓應(yīng)力硬化層的厚度是A型噴丸強(qiáng)度的2/3。

    對于零件噴丸強(qiáng)度的制定以及優(yōu)化是非常復(fù)雜的，因其受到許多因素的影響。早在1958年，F(xiàn)uchs建議對于一般的應(yīng)用情況，噴丸強(qiáng)度0.25~0.35mmA（0.010~0.014英寸A）是合適的。他同時(shí)指出零件厚度、零件材料、零件噴丸前的表面狀態(tài)（是否存在裂紋和凹痕）等等也是噴丸后零件的疲勞壽命的諸多因素。這說明了噴丸強(qiáng)度的優(yōu)化工作需要進(jìn)行全面的考慮，即便是考慮了許多相關(guān)的因素，也不一定就能確定該噴丸工藝是否真的就能提高零件的壽命，需要大量的實(shí)際試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

三、噴丸覆蓋率

    噴丸標(biāo)準(zhǔn)制定者必須規(guī)定零件噴丸的覆蓋率。如果要找出零件的最佳覆蓋率是多少，只能進(jìn)行大量的試驗(yàn)，沒有其它更好的方法。目前關(guān)于覆蓋率是多少比較合適分為兩個(gè)派別，一種派別的觀點(diǎn)是覆蓋率越高越好，由此而產(chǎn)生了一些比較模糊的覆蓋率的要求，比如300%的覆蓋率要求（其實(shí)就是“100%”覆蓋率噴丸時(shí)間的3倍）。另外一種派別認(rèn)為大多數(shù)應(yīng)用的最優(yōu)的覆蓋率不會(huì)超過“100%”。

    目前大家公認(rèn)當(dāng)覆蓋率高于98%以后很難再去測量覆蓋率到底是多少，因此目前一致接受的觀點(diǎn)就是稍微小于100%的覆蓋率被認(rèn)為是“完全覆蓋率”。

討論與結(jié)論

    本篇文章給出了噴丸的大致介紹，特別是對噴丸標(biāo)準(zhǔn)制定者必須制定的幾個(gè)噴丸參數(shù)做了介紹。本篇文章也做了必要地一些簡化在本篇文章不做過多的介紹，現(xiàn)在有大量的文獻(xiàn)介紹參數(shù)的變化對噴丸的影響相關(guān)的理論和實(shí)際的應(yīng)用。

    噴丸普遍應(yīng)用在大多數(shù)的金屬零件中，主要目的是解決零件的過早疲勞失效的問題。同時(shí)再強(qiáng)調(diào)一下，目前有大量的文獻(xiàn)介紹噴丸提高零件疲勞壽命相關(guān)的內(nèi)容。作為一個(gè)“附加”的表面處理工藝，與改變零件尺寸和改變零件材料相比，噴丸是一種更為經(jīng)濟(jì)可行的方法。