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引 言                                                                                                                                                                                           

       噴丸的主要目的是在材料表面產(chǎn)生一層壓縮應(yīng)力的“表皮”，從而提高部件的使用性能。一個重要的結(jié)論是，材料表面的加工硬化是靠高速撞擊的丸料產(chǎn)生的。這種加工硬化通常會提高零件的服役壽命。另一方面，過度的加工硬化會降低表面材料的延展性，導(dǎo)致微裂紋的形成和服役壽命的降低。當(dāng)粒子撞擊表面時，它們產(chǎn)生的凹痕占零件表面積的比例，術(shù)語“覆蓋率”定義為沖擊彈丸粒子撞擊噴丸表面所產(chǎn)生的凹坑的比例。因此，“99%覆蓋率”等表達(dá)式表示99%的表面積至少撞擊了一次，而1%的表面積根本沒有受到任何影響。本章的核心問題包括：“覆蓋率如何發(fā)展？”如何測量和控制覆蓋率？覆蓋率如何變化？”最佳覆蓋范圍是什么？以及“覆蓋率與所需的表面殘余應(yīng)力的關(guān)系如何？”

覆蓋率的發(fā)展

       覆蓋率發(fā)展，我們通常是基于丸料產(chǎn)生的隨機(jī)壓痕作為簡單模型來解釋。該模型假設(shè)相同的彈丸粒子以恒定的速率（單位時間內(nèi)單位面積的沖擊量）撞擊表面，產(chǎn)生相同的圓形凹痕，并且凹痕是隨機(jī)分布的。圖1顯示了逐漸發(fā)展的覆蓋率示意圖。在噴丸的第一秒鐘，產(chǎn)生了8個圓形壓痕區(qū)域，16個在2秒內(nèi)，32個在4秒內(nèi)，64個在8秒內(nèi)，相當(dāng)于每秒8個壓痕的恒定速率。每個壓痕的中心都位于外側(cè)方格內(nèi)，壓痕的坐標(biāo)是用計算機(jī)生成的隨機(jī)數(shù)分配的。內(nèi)側(cè)方格給出了影響范圍的真實指示。應(yīng)當(dāng)注意的是，隨著覆蓋范圍的擴(kuò)大，多重影響的發(fā)生越來越頻繁。

                                                           8個撞擊點                                   16個撞擊點

                                                           32個撞擊點                               64個撞擊點

圖1 覆蓋率遞增模型

       可使用圖像分析來測量“受影響”的總面積，在這個特定示例中，1、2、4和8s的值分別為15.67%、34.85%、46.87%和77.10%。這些值與覆蓋曲線一起繪制在圖2中，覆蓋曲線與以相同比例受影響的無限大面積有關(guān)。覆蓋曲線基于Avrami方程：

覆蓋率= 100 [ 1-exp(-A.R.t)]                                       (1)

       其中A是每次沖擊的面積，R是產(chǎn)生凹坑的速率，t是沖擊時間

圖2 由圖1預(yù)測覆蓋率趨勢圖

       可以看出，這四個實驗點并不精確地位于覆蓋曲線上。這是因為點代表有限樣本，而曲線代表無限樣本。這種差異既微妙又重要。通過類比，考慮擲一個完全規(guī)則的六面骰子，擲六次，我們可能只得到一個“六”，也可能在六次過程中從0到6雜亂出現(xiàn)，另一方面，如果我們擲骰子的次數(shù)是無限的，那么對于一個規(guī)則的骰子，頻率的平均值將精確到骰子的每個面，即投擲次數(shù)越多，相同數(shù)字出現(xiàn)的頻率將非常接近。

       隨著覆蓋率的增長，重復(fù)影響的數(shù)量也隨之增加。如圖3所示。這些曲線也是使用“Avrami模型”推導(dǎo)出來的，在這個模型中，在無限大的區(qū)域內(nèi)隨機(jī)創(chuàng)建相同的圓形凹坑，但噴丸流量不變，在90%的覆蓋率下，“重合點”（最常見）：一個特定點受到影響的次數(shù)是2次，然后是1、3、4、5等。99%時，重合點數(shù)為4，99.9%時，重合點數(shù)為7。在99.9%的覆蓋率下，大部分區(qū)域?qū)⑹艿匠^20次的影響。該模型預(yù)測，無論進(jìn)行了多長時間的噴丸，100%的覆蓋率都不會達(dá)到，這是因為我們假設(shè)一個無限大的表面積正在被噴丸。在有限噴丸面積內(nèi)，覆蓋率可以達(dá)到100%，但時間永遠(yuǎn)無法保證。即使使用非常高的噴丸強(qiáng)度，我們也只能說對于有限區(qū)域來說整個噴丸區(qū)域有很高的可能達(dá)到100%覆蓋率。

圖3 不同數(shù)量丸料對總覆蓋率的貢獻(xiàn)

       在此有個爭論點，我們的通常認(rèn)為撞擊后覆蓋率是不斷增加的（宏觀意義上），但其平均值明顯低于100%。這里存在一個最佳覆蓋值的概念，低于此值表示欠噴丸，高于此值表示過度噴丸。這個最佳值在很大程度上取決于被噴丸的材料。應(yīng)記住，噴丸的主要目的是產(chǎn)生一種壓縮性“皮膚”，以優(yōu)化材料使用性能，而不是徒勞地追求100%的覆蓋率。這種盲目追求將使得零件被過度的噴丸處理，同時有可能超過材料的延展性，并降低原先噴丸的好處。

覆蓋率的控制和測量

       控制覆蓋率的第一個問題是能夠準(zhǔn)確地測量它。圖4顯示了一個放大約10倍的輕微噴丸試樣。由于存在大量未噴丸表面，因此可以對試樣進(jìn)行合理準(zhǔn)確的測量。利用圖像分析程序可以很容易地對這些樣品進(jìn)行定量測量。然而，隨著覆蓋率接近100%，測量變得困難并最終無法進(jìn)行。同時由于原始表面未打磨也加劇了測量問題，制造商不會僅僅為了幫助測量覆蓋范圍而對其零件進(jìn)行打磨，因此，噴丸表面的不均勻性是最重要的問題，因為不均勻的表面難以對焦。重疊的凹坑邊緣模糊，微小的未噴丸區(qū)域都將影響到測量值。

圖4 使用S170彈丸對鋁樣品進(jìn)行噴丸處理，覆蓋率為34.8%，放大10倍，并使用具有毫米刻度的公制尺進(jìn)行觀察。

       顯然無限小的未噴丸區(qū)域不可能測量。對于非常小的未噴丸區(qū)域，當(dāng)前的技術(shù)也無法進(jìn)行測量。例如，考慮一個10mm*10mm區(qū)域，該區(qū)域?qū)⒃?0倍放大倍率下拍照進(jìn)行檢查。圖像在10倍放大率下的“屏幕上”尺寸將為100mm*100mm。假設(shè)相機(jī)具有錄制1兆像素圖像的能力。相當(dāng)于1000×1000像素的正方形圖像。因此，樣本表面的每平方毫米對應(yīng)于100×100像素。如果我們現(xiàn)在考慮由S110或S170彈丸形成的壓痕，壓痕直徑將在0.1mm區(qū)域。那么，這就相當(dāng)于一個直徑為0.1mm的圓，它被刻在一個正方形上，這個正方形的圖像只有10像素*10像素。圖5顯示了這種情況的一種表示。

圖5 0.1mm直徑的噴丸區(qū)域像素化圖片，其中包括重疊噴丸區(qū)和未噴丸區(qū)域

       如果（這是一個非常大的“如果”）相機(jī)能夠完美地區(qū)分被噴丸和未噴丸的區(qū)域，那么噴丸區(qū)將顯示為較暗的像素（單色），從而形成“鋸齒狀的圓”。如圖5所示，三個重疊撞擊之間形成的“未噴丸區(qū)域”在任何方向上都小于一個像素，因此無法檢測到。圖中所示的單個“未噴丸區(qū)域”的面積約為0.1*0.1mm總面積的0.1%。因此，我們無法確定覆蓋率是否高于99.9%。事實上，在整個區(qū)域上有10個這樣小的未噴丸的區(qū)域，我們甚至無法確定是否達(dá)到了99%的覆蓋率。

       定量圖像分析覆蓋率測量方法的精度取決于原始圖像的質(zhì)量。為了說明可能出現(xiàn)的問題，特意使用了低質(zhì)量圖像，如圖6（a）所示。如圖6（b）所示，對應(yīng)的二值圖像無法區(qū)分未噴丸區(qū)域的反射率和壓痕底部。因此，“黑點”出現(xiàn)在大多數(shù)凹坑區(qū)域的中心。對圖像的精確分析只能基于測量每個已識別噴丸的封閉區(qū)域（忽略凹坑之間的斑點）。因此，擁有一個高質(zhì)量的圖像才能更好、更容易的進(jìn)行測量工作！

                                                                     （a）                                （b）

圖6 采用S170丸料、10倍放大率對鋁件進(jìn)行噴丸的光學(xué)圖像（a）和二值圖像（b）

       可靠的測量需要建立在含有大量未噴丸區(qū)域的表面的基礎(chǔ)上。因此，考慮覆蓋率控制時，也應(yīng)該基于對覆蓋率遠(yuǎn)低于99%的表面進(jìn)行的測量。下面的案例研究旨在說明如何實施這種控制。

覆蓋率控制案例研究

       一個零件要用四個相同的壓痕進(jìn)行噴丸，目的是精確地達(dá)到99.9%的覆蓋率。唯一可用于控制的變量為丸料的流量。準(zhǔn)備拋光的材料片，其材料性能尺寸都應(yīng)相同才可使用。

第一步可以是將拋光的材料片安裝到噴丸設(shè)備中，方法與固定Almen試片的方法類似。噴丸時，材料片進(jìn)行一次性噴丸，給定一個丸料流量。噴丸后，對材料片的幾個區(qū)域進(jìn)行拍照和圖像分析，以便進(jìn)行覆蓋率測試。平均覆蓋率為74.6%。我們可以將該值代入Avrami覆蓋方程（1），得出：

74.6 = 100(1-exp(-A.R.1)]                                   (2)

       其中，第二個“1”表示測試中四個壓痕中的第一個；A：每個壓痕的面積假定為常量，R與丸料流量成正比。

       我們可以很容易地解出方程（2），其中A.R的值為1.3548。然后，可以將該值與2、3和4一起填入到方程（2）中，以表示隨后的過程。這樣我們就得到了2次、3次、4次通過的總覆蓋率為93.344%、98.283%和99.55%，即2次、3次和4次通過（以1.3548的A.R率）。因此，四次通過后的覆蓋率低于所需的99.9%。然后，我們將所需的99.9%代入方程中，找到A.R的值，所需的A.R值為1.7269。將該值與1.3548進(jìn)行比較表明，我們需要將丸料流量增加約27.5%，以便通過四個壓痕精確地實現(xiàn)99.9%的覆蓋率。實際計算如圖7所示，其中“x”用于初始的A.R組合，而“y”用于調(diào)整后的A.R比率。

       如果所需的覆蓋率是99.99%，而不是99.9%，那么彈丸流量比率必須增長70.0%（采用與之前相同的程序得出）。對于99.999%的覆蓋率，程序預(yù)測所需的彈丸流量比率增加112.4%。應(yīng)該注意的是，如此高的覆蓋率值很可能會超過材料優(yōu)化所需的值。注意，在每次傳遞過程中，”A” 都被假定為常量。可以使用比（1）更復(fù)雜的方程，該方程將可能減小凹坑A的尺寸。

圖7 “Mathcad”工作表用于預(yù)測所需彈丸流量的變化量

覆蓋率與表面殘余應(yīng)力

       零件的噴丸會在整個表面形成一個二維的、非常有益的、壓縮應(yīng)力的表面層。噴丸如此持續(xù)有效的一個主要原因是它是一個“漸變”的過程。這就是說，如果在任何臨界應(yīng)力區(qū)域的覆蓋范圍不降到非常低的時候，那么壓縮殘余應(yīng)力的保護(hù)表皮是完整。因此，我們是可以通過對零件進(jìn)行噴丸來提高材料性能，未受影響的小區(qū)域并不意味著表面存在“弱點”，這是因為不是凹坑產(chǎn)生了壓縮應(yīng)力區(qū)，而是凹坑下方和周圍的變形區(qū)產(chǎn)生了壓縮應(yīng)力區(qū)。圖8顯示了一個單一的沖擊區(qū)域、其相鄰的變形區(qū)域以及壓縮應(yīng)力材料同心“包絡(luò)”的表示。壓縮應(yīng)力水平從撞擊區(qū)中心越遠(yuǎn)下降。

圖8沖擊區(qū)、變形區(qū)及周圍壓應(yīng)力包絡(luò)線示意圖

       圖8的目的只是為了說明沖擊區(qū)和變形區(qū)的尺寸都是有限的，而包絡(luò)影響區(qū)是無限的（沒有特定的邊界）。沖擊區(qū)的有限尺寸由彈丸尺寸、噴丸能量、材料強(qiáng)度等決定。周圍變形區(qū)的有限尺寸由沖擊中心的距離決定，超過屈服強(qiáng)度-因此塑性變形有一個尖銳的“截止線”。另一方面，壓縮殘余應(yīng)力值隨著距離沖擊區(qū)域中心的距離逐漸下降，即最大壓縮應(yīng)力值將位于沖擊區(qū)域下方。為了說明重疊的應(yīng)力輪廓，圖9用同心等應(yīng)力圓表示了遠(yuǎn)離沖擊區(qū)域的應(yīng)力大小下降，包括幾個沖擊區(qū)域。由于“應(yīng)力疊加原理”，重疊的應(yīng)力輪廓將合并，形成表面殘余壓應(yīng)力的連續(xù)性。如果噴丸前表面含有拉伸殘余應(yīng)力，噴丸后則由噴丸產(chǎn)生的壓縮殘余應(yīng)力代替。

圖9多個噴丸區(qū)的重疊壓縮等應(yīng)力圓

       另一個重要因素是壓力水平不能突然改變。因此，在已獲得均勻、實質(zhì)性覆蓋的噴丸部件中，物理上不可能有拉伸表面殘余應(yīng)力區(qū)域，甚至是非常低的壓縮殘余應(yīng)力區(qū)域。

討論和結(jié)論

       上述論據(jù)得出三個主要結(jié)論：

       1. 無需嘗試對已噴丸部件進(jìn)行很高的覆蓋率。

       2. 有效的覆蓋率控制可以通過在早期測量覆蓋率，調(diào)用適當(dāng)?shù)母采w率公式，然后控制給定噴丸狀態(tài)下的丸料流量。

       3. 有限和無限覆蓋樣本之間是有很大區(qū)別的。

       對于高覆蓋率的精確測量是不可能的。很難有效識別，更不用說確保，100%覆蓋整個已噴丸部件的表面。在不同的使用條件下，應(yīng)為不同的材料測試最佳覆蓋率，這一點很重要。這是因為噴丸的目的是產(chǎn)生一個壓縮應(yīng)力表面“皮膚”，優(yōu)化材料性能。過度的噴丸會導(dǎo)致噴丸表面延展性的耗盡而退化。另一方面，在進(jìn)行噴丸處理時，表面不會達(dá)到最佳硬度（通過加工硬化）并且隨后壓縮應(yīng)力“表皮”的厚度會減小?？梢院侠淼丶僭O(shè)，對于許多材料，最佳覆蓋率將小于90%。

       定量覆蓋控制可以成為精密噴丸的有效手段。一個基本的優(yōu)點是覆蓋/噴丸時間曲線具有如此簡單的形狀，相應(yīng)的Avrami方程只有一個變量——假設(shè)有固定的凹坑直徑。與阿爾門飽和曲線的復(fù)雜形狀相比，阿爾門飽和曲線需要三到四個參數(shù)才能進(jìn)行精確分析。因此，對于恒定的噴丸條件，僅需一次測量即可預(yù)測覆蓋/噴丸時間曲線的進(jìn)度。固定凹坑直徑的使用是一種簡化，真正的噴丸區(qū)域包含不同范圍直徑的凹坑。但這并不能證明從噴丸的中間階段就可以預(yù)測最終覆蓋率的觀點是正確的。等直徑的概念可以等同于一系列凹坑尺寸的平均直徑。

       結(jié)果表明，基于小而精確的丸流比率變化的控制是非常有效的。與大多數(shù)可接受的控制程序一樣，必須有參考標(biāo)準(zhǔn)。例如，定量化學(xué)分析依賴于一系列已知成分的標(biāo)準(zhǔn)樣品。然后，測量值相對于最近可用標(biāo)準(zhǔn)的測量值進(jìn)行表示。

案例研究中概述的覆蓋控制程序的參考標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)包括：

       1. 一套不同材料的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)碼照片，經(jīng)處理后覆蓋范圍不同。然后可以調(diào)整圖像分析程序，使其與標(biāo)準(zhǔn)相匹配。

       2. 一套標(biāo)準(zhǔn)的經(jīng)噴丸處理的樣品，同樣由不同的材料經(jīng)不同的、確定的覆蓋范圍進(jìn)行噴丸處理。然后可以調(diào)節(jié)成像/分析技術(shù)。

       覆蓋測量的精度將通過使用試片、拋光過的部件材料或至少細(xì)磨過的部件材料來提高。圖像分析程序應(yīng)允許一次測量大量凹坑區(qū)域。這是為了消除有限樣本大小和無限大樣本預(yù)測值之間的差異。

       覆蓋整個表面的均勻性很重要。如果在噴丸的中間階段進(jìn)行測量，也可以更有效地監(jiān)測這一點。

       最后，覆蓋率和噴丸強(qiáng)度（通過阿爾門飽和曲線測量）是不同的。它們反映了噴丸控制的不同方面。對噴丸部件覆蓋范圍的準(zhǔn)確了解將涉及到壓縮殘余應(yīng)力這層保護(hù)皮的完整性。此外，覆蓋范圍的測量是指材料本身。另一方面，噴丸強(qiáng)度指的是適用于鋁帶的噴丸“強(qiáng)弱性”——使用的標(biāo)準(zhǔn)材料必須符合規(guī)范和相應(yīng)條件。