介紹                                                                                                                          

    凹坑尺寸非常重要！會直接影響噴丸強(qiáng)度和覆蓋率。噴丸強(qiáng)度和凹坑的尺寸是直接成比例的。覆蓋率隨凹坑尺寸增大（其他條件相同時(shí)）。因此，凹坑的尺寸是非常重要的。凹坑尺寸的控制取決于已知的（a）尺寸，（b）尺寸的影響因素，（c）影響凹坑尺寸的噴丸方法。

圖1低覆蓋率下凹坑的形狀

    典型的凹坑如圖1所示。形狀為近似圓形。如圖中A處標(biāo)注的一個凹坑，將其“等價(jià)為圓形”，如圖中B處直徑為d的圓形。當(dāng)覆蓋率和凹坑深度模型化時(shí)可假定為等價(jià)圓形。

    本文是對集中影響凹坑尺寸的因素進(jìn)行定量分析。希望不喜愛數(shù)學(xué)的讀者不會因?yàn)橐脒@些必要的方程式而離開。常見的計(jì)算程序，如Excel，允許在這些方程式中插入已知的值。例如，在Excel中計(jì)算凹坑直徑時(shí)，A1中插入已知的丸料直徑，A2中已知的凹坑直徑，以及A3中等式：=（A2-(A1^2-A2^2)^0.5）/2。此等式與后續(xù)文中的等式（1）相同。

    丸料尺寸與凹坑直徑

    丸料尺寸與噴丸引起的凹坑的尺寸存在線性關(guān)系——其他條件相同。實(shí)際觀察與理論分析都能得出這個確定的結(jié)論。標(biāo)準(zhǔn)噴丸會引起凹坑，其直徑大約為丸料的30~50%。因此，我們可以推測出凹坑的尺寸范圍——因?yàn)槲覀円呀?jīng)知道使用的丸料的直徑。

    圖2所示為，當(dāng)使用直徑為D的鑄鋼丸時(shí)，推測的凹坑直徑d的范圍。SAE名義丸料尺寸說明這是最常見的尺寸參數(shù)?？梢钥闯隹赡軙龅桨伎又睆接芯薮蟮姆秶＜僭O(shè)d是D的40%，則：凹坑直徑在微米級別大致與使用丸料的SAE數(shù)值相同。

    例如，S110丸料產(chǎn)生凹坑直徑大概為110微米，而S460丸料通常產(chǎn)生凹坑直徑大約為460微米——1微米等于1um。

圖2 使用鑄鋼丸產(chǎn)生凹坑直徑的常用范圍

凹坑深度，h

    凹坑深度h，取決于丸料直徑D和凹坑直徑d。如果假設(shè)凹坑是圓形且丸料是球形，則h，d和D之間的關(guān)系為：

    h=[D-(D2-d2)0.5]/2，d<="" span="" style="box-sizing: border-box;">

    舉例：如果D=110um，d=44um，h=4.6um，h是d的11%。圖3所示為凹坑深度與凹坑直徑的關(guān)系。D為100，則h是D的百分?jǐn)?shù)。如果凹坑直徑是D的20%，則深度僅為D的1%。即使凹坑直徑是D得60%，凹坑深度也僅為D的10%。d/D的比值百分?jǐn)?shù)如圖中標(biāo)示為30,40和60%。

圖3 凹坑深度與凹坑直徑的一般比例關(guān)系

凹坑直徑和深度的預(yù)測

    我們可以預(yù)測由噴丸引起的凹坑直徑和深度——假如已知幾個控制因素?？刂埔蛩貫椋和枇现睆剑俣?，密度，以及恢復(fù)系數(shù)。除恢復(fù)系數(shù)所有因素都是熟悉的。

    可以證明恢復(fù)系數(shù)是噴丸參數(shù)中最重要的。它可以說明當(dāng)丸料撞擊工件時(shí)有多少能量保留在工件中。假設(shè)丸料從一個固定高度h1掉落在平直的工 件上。它會彈起到一個高度h2，那么恢復(fù)系數(shù)e為：

    e=√（h2/h1）     （2）

    如果h2是h1的一半 ，那么丸料就損失了一半的能量。e的值就為0.71。如果h2等于h1（e=1） ，那么丸料在沖擊過程中就沒有損失能量，也不會產(chǎn)生凹坑。

    等式（3）說明幾個因素對凹坑直徑的影響。

    d=0.02284*D*(1-e2)0.25*p0.25*v0.5/B0.25      （3）

  p為丸料密度，v為噴丸速度，B為工件布氏硬度。

當(dāng)使用公制單位時(shí)——v的單位為ms-1，p單位為kgm-3，適當(dāng)?shù)南禂?shù)是0.02284。

圖4 凹坑直徑和深度預(yù)測表

    等式（3）很復(fù)雜，很難去定量體現(xiàn)。較簡單的方法是將等式體現(xiàn)在Excel表格中。只要簡單的按一個按鈕就能看見各因素值的改變對結(jié)果的定量影響。如圖4所示的表格就包含了基于等式（1）的凹坑深度的計(jì)算。將已知的值輸入黃色空格中，結(jié)果就會在綠色空格中出現(xiàn)。K值和e值是確定的（除非有不同的、已測定的值）。當(dāng)鋼丸沖擊到鋼工件時(shí)，e的值為0.71?？梢愿鶕?jù)需要復(fù)制使用此表格。

    使用表格計(jì)算方法的好處是，可以簡單定量分析各因素值的改變對結(jié)果的影響。通過在同樣的表格中復(fù)制圖4會使分析更容易。例如，如圖1所示凹坑的直徑變化大約為1/2。對于給定的樣品，工件硬度、恢復(fù)系數(shù)和丸料密度都是常量。這樣就僅有丸料直徑和噴丸速度可能會引起凹坑直徑的改變。使用圖4中給出得初始值，為了將預(yù)測的凹坑直徑減半，速度從85m/s下降到21m/s。丸料直徑也只能減半（為了將預(yù)測的凹坑直徑減半）。鑄鋼丸規(guī)格可以允許直徑變化大于1/2。因此，可以合理的提出圖1中凹坑直徑的變化很大部分是因丸料直徑變化引起的。

噴丸角度對凹坑形狀的影響

    丸料很少會垂直的撞擊在工件上。通常會以一個角度θ撞擊到表面，如圖5所示。丸流的分散，工件表面的彎曲以及丸流撞擊表面的角度，都會使得θ減小并小于90°。噴丸角度對于噴丸強(qiáng)度和凹坑尺寸都有較大的影響。當(dāng)θ等于90°時(shí)，球形丸料會產(chǎn)生一個圓形的凹坑。如果θ小于90°，則凹坑是橢圓的。

    圖6所示為，一個丸料以45°（從右到左）撞擊在純鋼工件表面產(chǎn)生的橢圓形凹坑。純鋼是非常有用的研究型材料，因?yàn)槠渫怀龅乃苄宰冃涡阅堋鐖D6中左側(cè)的凹痕所示。

圖5丸料以角度θ撞擊在工件表面的A處

圖6丸料以45°撞擊在平直純鋼表面產(chǎn)生的橢圓凹坑

    由長軸和短軸之比來定義橢圓度，a/b。較早之前就已描述過初期的橢圓形凹坑。

噴丸角度對噴丸強(qiáng)度的影響

    研究經(jīng)驗(yàn)表明，噴丸角度一同樣的方式影響噴丸強(qiáng)度和凹坑深度，如圖7所示。他們都與sinθ1.5成反比。

圖7隨著噴丸角度的改變，噴丸強(qiáng)度和凹坑深度的變化

    例如，當(dāng)θ=60°，噴丸強(qiáng)度值是θ為90°時(shí)的80%。而到20°時(shí)，僅為20%。這說明，噴丸時(shí)應(yīng)盡量使噴丸角度接近90°。

噴丸角度對凹坑尺寸和覆蓋率的影響

    凹坑尺寸可以由其邊緣圈定的平面面積定義。對于一個圓形的凹坑，尺寸即為圓形的面積πd2/4。對于橢圓形凹坑，尺寸即為橢圓面積πab/4。早期研究經(jīng)驗(yàn)表明，噴丸角度和凹坑面積之間存在一定關(guān)系。這種關(guān)系就是，凹坑面積與sinθ成反比，如圖8所示。相關(guān)的覆蓋率與sin2θ成反比，因?yàn)榻o定的丸流隨著θ的減小，會產(chǎn)生更大的撞擊面積。

圖8噴丸角度對凹坑尺寸和覆蓋率的影響

    隨著噴丸角度的減小，覆蓋率的下降甚至快于噴丸強(qiáng)度。我們再一次有了實(shí)用意義——獲得給定的覆蓋率的時(shí)間較大程度的取決于噴丸角度。

凹坑體積

    不論是通過預(yù)測或?qū)崪y凹坑的直徑和深度，我們都可以預(yù)測其體積。圓形凹坑體積v為：

    V=(π/6)(3d2/4+h2)h      （4）

    凹坑體積是很重要的，因?yàn)樗碚髁送枇献矒粼诠ぜ系淖龉Χ嗌?。丸料撞擊在工件表面時(shí)具有動能1/2mv2。這說明丸料具有越大的動能，其產(chǎn)生的凹坑體積越大。

凹坑直徑測量

    噴丸凹坑是非常小的，10~1000微米，因此在精確測量時(shí)放大鏡是必需的。放大鏡可以是單一的光學(xué)放大鏡或是光學(xué)數(shù)字復(fù)合式的。

    我們可以通過直接的方法-使用光學(xué)影像，或是間接的方法-使用數(shù)字影像來測量凹坑直徑。在直接測量時(shí)使用顯微鏡會使結(jié)果更準(zhǔn)確。人類的每只眼睛有1億2千5百萬的視桿細(xì)胞來探測白色和黑色，有7百萬視錐細(xì)胞來探測彩色。使用兩只眼睛我們就有立體感的優(yōu)勢。而典型的數(shù)字相機(jī)僅有1千萬的像素。

    測量技術(shù)有著較大的使用空間，每種都有優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。然而，每種技術(shù)依靠的都是刻度板?？潭劝迨且环N小型的標(biāo)尺，是在金屬或玻璃板上采用精確的技術(shù)畫有一定距離的線。典型的刻度板如圖9所示，1毫米的距離被等分為100段。

圖9公制刻度板——1毫米等分為100份

    為讀者所喜歡的兩種技術(shù)是基于使用測量顯微鏡或USB顯微鏡。圖10所示為兩種方法的差異。

圖10 直接或間接測量凹坑尺寸

測量顯微鏡

    使用帶有測量目鏡的顯微鏡設(shè)備是比較容易確認(rèn)尺寸的大小并比較容易存檔。測量顯微鏡上的刻度是需要校驗(yàn)的?？潭扔糜跍y量凹坑，在放大鏡下校驗(yàn)后，可以直接用于凹坑尺寸的檢測。在目前的幾種方法中，這種方法是最為精確且可靠的。它的主要缺點(diǎn)是不可攜帶性，因此在用于大工件上檢測某一點(diǎn)的凹坑尺寸時(shí)具有局限性。

USB顯微鏡

    USB顯微鏡已經(jīng)達(dá)到可以充分精確測量凹坑尺寸的階段。當(dāng)添加夾具時(shí)，可以較容易在實(shí)際工件噴丸面上聚焦，然而，一個重要的問題是必要的校準(zhǔn)程序。作者提出了一個解決辦法，如圖11所示。

圖11 Fig.11 Decal black dot on self-adhesive yellow labelstuck to peened component

    可粘貼黑點(diǎn)采用高精度工藝進(jìn)行制作，其直徑可以采用顯微鏡計(jì)數(shù)線或者測量顯微鏡進(jìn)行測試。可以使用一個或多個黑點(diǎn)粘貼到自粘性膠帶上，然后放入噴丸區(qū)域進(jìn)行拍照。選取一個合適的放大鏡對黑點(diǎn)和噴丸表面進(jìn)行同時(shí)或者連續(xù)拍照。圖11中的黑點(diǎn)直徑為0.450mm（采用測量顯微鏡方法測出的結(jié)果），可以作為在電腦屏幕上評估凹坑尺寸的參考?；蛘卟捎?~100的顯微鏡計(jì)數(shù)線對黑點(diǎn)進(jìn)行比對，一直找到和黑點(diǎn)直徑相同的尺寸為止。然后采用該計(jì)數(shù)線和零件的凹坑尺寸進(jìn)行對比。

總結(jié)                                                                                                         

    丸粒沖擊后的凹坑的直徑和面積可以由公式（3）進(jìn)行預(yù)測。凹坑深度可以由公式（1）進(jìn)行預(yù)測。這些預(yù)測需要知道一些噴丸的參數(shù)。噴丸或拋丸時(shí)丸料的飛行速度一般很難直徑測試但是可以用公式（3）進(jìn)行預(yù)測。凹坑尺寸的變化可能是由操作條件或者零件性能發(fā)生變化而引起的。

    對于特定尺寸的丸料而言，凹坑深度是與噴丸強(qiáng)度直接相關(guān)的。有一點(diǎn)是達(dá)成共識的，即噴丸強(qiáng)度是與阿爾門試片表面上的凹坑尺寸的大小相關(guān)，而非丸料尺寸的大小相關(guān)。對于任意已知直徑的丸料，在其它條件不變的情況下，隨著丸料直徑的增加，凹坑深度也隨之增減。這就引起了關(guān)于塑性變形的相關(guān)基礎(chǔ)問題，目前需要相關(guān)試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

    凹坑的平均面積A是影響覆蓋率C的三個因素之一。其它的因素是凹坑增長速率（單位時(shí)間單位面積凹坑的數(shù)量），還有噴丸時(shí)間t。公式（5）給出了這三個參數(shù)之間的一個關(guān)系式。

   其中，凹坑直徑是影響覆蓋率的首要因素。相關(guān)的計(jì)算機(jī)程序可以給出覆蓋率和凹坑直徑之間的相關(guān)預(yù)測。然而，所有的這些程序（包括本文中的等式）都是基于噴丸工藝?yán)硐肽Ｐ偷幕A(chǔ)上的，這也就意味著雖然這些公式和程序很有用，但是卻不能保證精確性。