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引 言                                                                                                        

    一個(gè)丸料束流通常被認(rèn)為是丸料和流體的混合體。流體一般是空氣，但是有時(shí)也會(huì)是水或其它的流體。

    丸料束流互相之間的差別主要表現(xiàn)在它們的平均噴丸強(qiáng)度上。導(dǎo)致這種差別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。上述三個(gè)參數(shù)有一個(gè)增加都會(huì)導(dǎo)致平均噴丸強(qiáng)度增加。對(duì)一個(gè)特定的丸料束流，測(cè)試所得到的噴丸強(qiáng)度是一個(gè)衡量，但實(shí)際上噴丸強(qiáng)度具有變化性，是一個(gè)變量，關(guān)于這一點(diǎn)人們所知并不多。從飽和曲線(xiàn)得到噴丸強(qiáng)度的變化性取決于以下三個(gè)因素：位置、角度和時(shí)間。PAT是由英文首字母組成的單詞，是非常有用的，需要大家記住。P表示位置（Position），A表示角度（Angle）和T表示時(shí)間（Time）。

噴丸工藝本身需要對(duì)每一束束流的噴丸強(qiáng)度進(jìn)行嚴(yán)格控制。因此，本篇文章嘗試解釋一個(gè)特定的丸料束流是怎么以及為什么變化。

丸料束流的成分

    一個(gè)丸料束流含有兩個(gè)基本組成，即快速流動(dòng)的流體和丸料。兩者的結(jié)合情況如圖1所示。

圖1 丸料束流中的流體和丸料

    圖1中顯示的丸料束流比較理想化。而真實(shí)的丸料束流的形狀取決于丸料推進(jìn)的形式，即是噴丸還是拋丸。如果采用的是拋丸設(shè)備，那么就沒(méi)有壓縮空氣的存在，空氣流的形狀主要取決于葉片的設(shè)計(jì)方式。如果采用噴丸設(shè)備，那么空氣流的形狀主要取決于噴嘴的形狀。

    一個(gè)非常重要的問(wèn)題是：“流體和丸料的運(yùn)動(dòng)速度哪個(gè)更快？”答案要根據(jù)實(shí)際情況而定，因?yàn)橥枇鲜请x開(kāi)噴嘴還是葉片所得到的答案不一樣。對(duì)于虹吸式噴丸設(shè)備和直接供料噴丸設(shè)備，當(dāng)丸料離開(kāi)噴嘴后，空氣的移動(dòng)速度要比丸料更快。對(duì)于拋丸設(shè)備，丸料的移動(dòng)速度要比空氣更快。如果噴丸設(shè)備采用文丘里噴嘴，那么空氣將達(dá)到超音速，這就意味著出口處空氣的移動(dòng)速度比丸料的速度要快得多。

噴丸強(qiáng)度隨位置的變化

    在一束丸料束流中，位置不同，噴丸強(qiáng)度也不同。造成噴丸強(qiáng)度差異的原因是在丸料束流的不同位置，丸料的速度不同。與之相關(guān)的定律稱(chēng)為束流中的丸料加速定律。該定律可以描述為：如果丸料周?chē)牧黧w速度高于丸料本身，那么丸料將被加速，反之亦然。用下述公式可以表達(dá)，其中F為流體施加在丸料上的加速力：

F=k（v_F-v_P）                                        （1）

    其中k為正常數(shù)，v_F是流體速度，v_P是丸料速度。如果v_F高于v_P，那么（v_F-v_P）為正值，則F為正值，因此作用在丸料上的力起到加速作用。但是，如果v_F低于v_P，那么（v_F-v_P）為負(fù)值，則F為負(fù)值，因此作用在丸料上的力起到減速作用。v_F-v_P的差（v_F-v_P）稱(chēng)之為“相對(duì)速度”。

    為了方便對(duì)公式（1）的理解，大家可以想象一下，如果一個(gè)人沿著一條很長(zhǎng)的平直公路以5千米/小時(shí)的速度行走，吹過(guò)其背部的風(fēng)速達(dá)到10千米/小時(shí)。那么現(xiàn)在相當(dāng)于有一個(gè)（10-5）的力試圖讓這個(gè)人加速運(yùn)動(dòng)。如果風(fēng)速減到5千米/小時(shí)，那么這個(gè)人將不會(huì)受到加速的力。如果風(fēng)速降為2千米/小時(shí)，那么（2-5）將是一個(gè)負(fù)值，將會(huì)阻礙這個(gè)人向前行進(jìn)并使其減速。

    關(guān)于丸料在噴丸過(guò)程中加速和減速的情況也可以采用以上的方法分析，如圖2所示?？諝馑俣群屯枇纤俣纫韵蛄勘硎?，所以每個(gè)箭頭的長(zhǎng)度代表了速度的大小。請(qǐng)記住空氣速度在離開(kāi)噴嘴之后會(huì)下降的很快。

圖2 空氣和丸料速度隨位置發(fā)生變化的矢量圖

    如圖2所示，在位置1處空氣速度大于丸料速度，那么將會(huì)存在一個(gè)凈加速作用使丸料的速度增加。在位置2處空氣和丸料的速度相同，那么對(duì)丸料來(lái)說(shuō)既無(wú)加速作用也無(wú)減速作用。在位置3處空氣速度已經(jīng)減小，丸料速度比空氣速度更快，那么會(huì)存在一個(gè)凈減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、尺寸和形狀不同，每個(gè)丸粒的相對(duì)速度也不同。同時(shí)，需要我們記住的是，由于受到外部靜止氣流的作用，在丸料束流邊緣處的氣流速度會(huì)顯著下降。如果要對(duì)丸料束流中的每一個(gè)丸粒進(jìn)行分析將是非常困難的一件事情。大家可以聯(lián)想一下，數(shù)千只塑料鴨子扔入流速很快的溪流中的場(chǎng)景。在溪流的中間位置，水流的速度是最快，而在岸邊的位置，水流的速度卻非常的慢。隨著溪流變寬，水流的速度會(huì)降低。以上的場(chǎng)景大家還是比較容易想象，而虹吸式噴丸設(shè)備中的丸流狀態(tài)與上述場(chǎng)景是非常相似的，如圖3所示。

圖3 虹吸式噴丸設(shè)備中丸流的噴丸強(qiáng)度分布

    在虹吸式噴丸設(shè)備中，噴丸強(qiáng)度的最大值出現(xiàn)在距離噴嘴D處的丸流中間位置。

    測(cè)試一個(gè)噴丸束流的不同距離D的噴丸強(qiáng)度是非常容易的。在噴嘴或葉片頂端的不同距離處放置阿爾門(mén)試片固定器進(jìn)行噴丸強(qiáng)度測(cè)試。需要注意的是，要保證丸流的中軸線(xiàn)要沿著阿爾門(mén)試片的中軸線(xiàn)移動(dòng)。在不同的距離處進(jìn)行飽和強(qiáng)度試驗(yàn)進(jìn)而繪制飽和曲線(xiàn)。圖4中給出了S170鑄鋼丸，5mm直徑噴嘴，2千克/分鐘丸流量，虹吸式噴丸設(shè)備等條件下的噴丸強(qiáng)度變化隨距離的變化情況，噴丸強(qiáng)度的變化范圍為10-12A。該曲線(xiàn)的最重要的特征為最大噴強(qiáng)度hmax出現(xiàn)在245mm的距離處。

圖4 噴丸強(qiáng)度隨距離的變化曲線(xiàn)圖

    需要補(bǔ)充的是，哪怕是處在同一個(gè)距離，丸料束流橫截面上的不同位置的噴丸強(qiáng)度也不相同，如圖5所示。

圖5 丸料束流橫截面上噴丸強(qiáng)度的變化情況

（噴丸強(qiáng)度最大值出現(xiàn)在丸流的中心位置）

    測(cè)試所得的噴丸強(qiáng)度也會(huì)隨著阿爾門(mén)試片的擺放位置的變化而變化。如果阿爾門(mén)試片的中軸線(xiàn)和丸流束流的中心線(xiàn)重合地較好，那么就能夠得到相對(duì)較高的噴丸強(qiáng)度，而如果重合的情況不好，那么得到的噴丸強(qiáng)度相對(duì)較低。

    丸料束流中的噴丸強(qiáng)度差異程度和噴丸設(shè)備類(lèi)型也有關(guān)。直接供料設(shè)備的噴丸強(qiáng)度差異性要比虹吸式噴丸設(shè)備小很多。而拋丸設(shè)備的情況是不一樣的，由于丸料受到離心力和葉片推力的雙重作用，丸料在離開(kāi)葉片頂端時(shí)的速度要大于空氣的速度，這就意味著丸料一旦離開(kāi)葉片就開(kāi)始減速了。

    從試驗(yàn)的角度來(lái)講，測(cè)試丸料束流橫截面的噴丸強(qiáng)度差異比較困難一些。由于彈坑的直徑是和噴丸強(qiáng)度直接相關(guān)，因此可以采用間接的方法，即測(cè)試噴丸后留下來(lái)的彈坑直徑的變化來(lái)推測(cè)噴丸強(qiáng)度的變化。通過(guò)在靜止的阿爾門(mén)試片和固定的噴丸噴嘴之間放一個(gè)“滑動(dòng)模塊”進(jìn)行測(cè)試。最終的結(jié)果表明，邊緣部位的凹坑直徑（象征噴丸強(qiáng)度）比中間位置要降低了約30%，這也反映出在丸流橫截面上噴丸強(qiáng)度的變化情況。

噴丸強(qiáng)度隨角度的變化

    如果丸粒不是以垂直的角度沖擊零件，那么丸粒沖擊零件后在零件表面上留下來(lái)的凹坑要更淺一些，這也意味著塑性變形的程度要更小，因而噴丸強(qiáng)度也更小。圖6顯示了噴丸強(qiáng)度與沖擊角度之間的關(guān)系。

圖6 沖擊角度與噴丸強(qiáng)度的關(guān)系

（本試驗(yàn)采用N型試片，S110鑄鋼丸）

噴丸強(qiáng)度隨時(shí)間的變化

    一個(gè)丸料束流的所測(cè)噴丸強(qiáng)度取決于以下三個(gè)與時(shí)間相關(guān)的因素，每個(gè)因素都具有長(zhǎng)期、短期和即刻效應(yīng)，它們?yōu)椋?/span>

    1. 丸料特征；

    2. 速度控制；

    3. 強(qiáng)度測(cè)試方法。

1. 丸料特征

    丸料的特征有平均尺寸、思忖分布和形狀，這些特征都會(huì)隨著時(shí)間發(fā)生變化。圖7是造成丸料特征隨時(shí)間發(fā)生變化的幾個(gè)因素的圖示。這些因素對(duì)噴丸強(qiáng)度造成長(zhǎng)期的（緩慢的）、短期的（快速的）和即刻的變化。

圖7 影響丸料束流特征的時(shí)間相關(guān)因素

    對(duì)噴丸強(qiáng)度變化造成長(zhǎng)期影響的一個(gè)例子就是丸料的磨損。丸粒的逐漸磨損是人們最容易理解的。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期使用后，丸料最終將不滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)中尺寸的要求。圖8就是S110丸料的長(zhǎng)期磨損影響噴丸強(qiáng)度的一個(gè)例子，假設(shè)其它的參數(shù)保證不變。假設(shè)新的S110丸料可以達(dá)到的噴丸強(qiáng)度11A，那么長(zhǎng)期使用之后丸料尺寸會(huì)減小，變成了S70丸料，如果其它的噴丸參數(shù)不發(fā)生變化，噴丸強(qiáng)度將降為7A（英制單位）。但是在實(shí)際的噴丸中，考慮到丸料的減小，噴丸參數(shù)是會(huì)作出相應(yīng)調(diào)整的。

圖8 丸料的長(zhǎng)期磨損與噴丸強(qiáng)度之間的關(guān)系

    對(duì)于鋼切丸來(lái)說(shuō)，長(zhǎng)期使用中形狀的變化對(duì)噴丸強(qiáng)度的影響是特別顯著的。在使用過(guò)程中，鋼切丸會(huì)逐漸變得更接近球形。這種形狀的變化在未鈍化鋼切丸最為顯著，在球形鈍化鋼切丸中最不顯著。從理論上來(lái)講，隨著鋼切丸的形狀發(fā)生變化，噴丸強(qiáng)度將會(huì)發(fā)生輕微的下降。

    圖9顯示了丸料尺寸的長(zhǎng)期變化是如何影響飽和曲線(xiàn)的。在實(shí)際的工廠(chǎng)噴丸強(qiáng)度測(cè)試中經(jīng)常遇到的例子，如果料斗的底部積累了細(xì)的丸料，那么首先噴射出細(xì)的丸料，待細(xì)的丸料噴完，噴射出是粗的丸料，那么得到的飽和曲線(xiàn)將會(huì)是0ABC，這將導(dǎo)致實(shí)際的噴丸強(qiáng)度會(huì)降低。如果首先噴射出是粗的丸料，待粗的丸料噴完，噴射出是細(xì)的丸料，那么得到的飽和曲線(xiàn)將會(huì)是0DBE，得到的將會(huì)是不同的噴丸強(qiáng)度。

    對(duì)設(shè)備中的丸料進(jìn)行補(bǔ)充后將會(huì)導(dǎo)致噴丸強(qiáng)度立刻升高，也就是從圖9中的“比平均尺寸細(xì)”的曲線(xiàn)轉(zhuǎn)變?yōu)椤氨绕骄叽绱帧钡那€(xiàn)。

圖9 丸料特征的變化對(duì)噴丸強(qiáng)度的影響

2. 速度控制

    一個(gè)丸料束流的噴丸強(qiáng)度直接和平均丸料速度、質(zhì)量和直徑相關(guān)。公式（2）和（3）為噴丸強(qiáng)度與丸料速度之間的經(jīng)驗(yàn)公式，其中V為丸料速度，I為噴丸強(qiáng)度，S為鑄鋼丸的平均尺寸。

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

    其中I的單位為mm，v的單位為ms^-1。

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

    其中I的單位為英寸，v的單位為英尺每秒。

    舉一個(gè)例子，如果S170丸料（S=170）的速度為300英尺每秒（V=300），代入公式（3）中，得到的噴丸強(qiáng)度為0.015英寸。圖如果速度降為270英尺每秒，那么得到的噴丸強(qiáng)度為0.014英寸，下降了10%。圖10顯示了由公式（2）得到的對(duì)于不同鋼丸噴丸強(qiáng)度與丸料速度的關(guān)系。

但是，丸料速度很少是直接控制的，通常采用空氣壓力和葉輪速度對(duì)其進(jìn)行間接地控制，并假定丸流量是穩(wěn)定的。但是不幸的是，以上三個(gè)因素（空氣壓力、葉輪速度和丸流量）在短期、中期和長(zhǎng)期或多或少地都會(huì)進(jìn)行波動(dòng)。壓力罐壓力變化、電壓波動(dòng)、葉片磨損、軟管磨損、噴嘴磨損以及丸流量控制波動(dòng)等因素都會(huì)造成丸料速度發(fā)生變化。

圖10 噴丸強(qiáng)度與丸料速度之間的關(guān)系

3. 噴丸強(qiáng)度測(cè)試方法

    噴丸強(qiáng)度的測(cè)試方法也會(huì)對(duì)噴丸強(qiáng)度的測(cè)試結(jié)果造成影響。長(zhǎng)期的因素包括弧高度測(cè)試儀的支撐球和頂桿的磨損。短期的因素包括每個(gè)試片的差異以及測(cè)試阿爾門(mén)試片時(shí)的擺放方式。但是通過(guò)對(duì)弧高度測(cè)試儀的定期校準(zhǔn)可以有效地減少?lài)娡鑿?qiáng)度測(cè)試方法對(duì)噴丸強(qiáng)度結(jié)果的影響。

結(jié)論

    本篇文章并不具備綜合性和權(quán)威性。本篇文章的目的是強(qiáng)調(diào)現(xiàn)實(shí)中有大量的因素會(huì)造成丸料束流的噴丸強(qiáng)度發(fā)生變化。

    我們一直關(guān)注的主題是如果每個(gè)噴丸強(qiáng)度的測(cè)試和設(shè)備參數(shù)的設(shè)置能夠以某種形式保存成數(shù)據(jù)庫(kù)，那么對(duì)于噴丸強(qiáng)度的控制將會(huì)更加有效。如果設(shè)備的噴丸強(qiáng)度發(fā)生了變化，那么可以參考本篇文章的相關(guān)影響因素進(jìn)行分析。