介紹

噴丸是一個(gè)非常重要的金屬零件的加工工藝，可以有效地提高零件的疲勞壽命。當今社會(huì )的關(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(xiàn)，“一葉障目，不見(jiàn)泰山”，這句諺語(yǔ)的意思就是如果太注意細枝末節的話(huà)，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(lái)解釋圖1的內容。

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

2.循環(huán)載荷導致了相應的循環(huán)應力。

3.如果應力足夠大、循環(huán)周期足夠多的話(huà)，循環(huán)應力可導致疲勞失效。裂紋增長(cháng)時(shí)零件的應力一定是拉應力。

4.通過(guò)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”，具有壓應力、冷作硬化的功效。該“皮膚”的厚度取決于噴丸強度。

6.覆蓋率是噴丸在零件表面作用的一個(gè)參數。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(lái)說(shuō)，客戶(hù)負責制定噴丸的要求-強度和覆蓋率等，該噴丸要求是由設計和工藝專(zhuān)家制定的。噴丸公司的操作者負責把噴丸強度和覆蓋率達到客戶(hù)要求的水平。

1 循環(huán)載荷

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

1.頻率；

2.變化性；

3.載荷的大??；

4.載荷的類(lèi)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(méi)有那么明顯。在同一時(shí)間段里，彈簧可能要承載萬(wàn)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，對設計來(lái)講是一個(gè)需考慮的因素。有些零件的設計必須要考率到使用萬(wàn)億次的循環(huán)載荷，然而其它零件的設計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(chē)與一個(gè)滿(mǎn)載的卡車(chē)相比其承受的循環(huán)應力更低，一個(gè)拖車(chē)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。零件的設計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行多久。更大的載荷可以使零件運行的周期更小。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(lèi)型

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

2 循環(huán)應力

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

零件上的應力一般是“彈性應力”，因為一旦載荷移除后應力也會(huì )消失。對零件施加拉力載荷意味著(zhù)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(chēng)為“應變”。對于零件的彈性應力，應力和應變是一個(gè)線(xiàn)性關(guān)系，這個(gè)線(xiàn)性關(guān)系是力學(xué)的基礎，被稱(chēng)為“胡克定律”（公開(kāi)發(fā)表于1660）。應力與應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。

零件的類(lèi)型不同，其在服役過(guò)程中承受應力循環(huán)的次數差異也比較大。零件可以按照預想的應力循環(huán)次數的目標（在疲勞失效之前的循環(huán)次數）進(jìn)行設計。在19世紀，在英國的設計引領(lǐng)了一個(gè)“維多利亞工程”的熱潮。當時(shí)的設計遵循尺寸大因而應力水平低的準則，當時(shí)的有些零件在21世紀仍然還在一直工作！當今社會(huì )的運輸車(chē)輛的現實(shí)情況來(lái)看，這種過(guò)度設計的方法以是不被接受的，因為超重罰金將零件的經(jīng)濟性降低。

循環(huán)應力的一個(gè)重要要素就是“應力的擴展”。如果零件有一個(gè)凹痕，那么其導出應力會(huì )發(fā)生擴展。應力擴展的水平取決于凹痕的尖銳程度。這就是為什么對于車(chē)軸到法蘭設計成平滑的“轉接”的原因。噴丸的作用就是降低凹痕的應力擴展的作用。

3 疲勞曲線(xiàn)-沒(méi)有噴丸

金屬材料本身就具有抵抗循環(huán)應力的能力。通常采用疲勞曲線(xiàn)來(lái)進(jìn)行表示。對于鐵素體材料其疲勞曲線(xiàn)的一般形狀如上圖所示。首先可以注意的是，該曲線(xiàn)非常的簡(jiǎn)單，僅僅由兩個(gè)直線(xiàn)來(lái)區分疲勞失效和沒(méi)有疲勞失效。這是因為采用了“對數坐標”的方法來(lái)顯示應力循環(huán)的次數。之所以采用對數坐標，是因為應力循環(huán)的次數分布范圍非常的廣，由零件應用的需要，可以分為數十次到數以?xún)|次不等。

對于鐵素體材料，隨著(zhù)應力水平的提高，其失效前的循環(huán)次數降低。如果應力水平足夠低，那么疲勞失效永遠也不會(huì )發(fā)生，該應力就為零件的“疲勞極限”。在上圖中疲勞極限出現在500次應力循環(huán)處，但是該數據會(huì )隨著(zhù)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)行應力循環(huán)，那么當循環(huán)到一定次數后疲勞失效就會(huì )發(fā)生。如果循環(huán)應力水平永遠不超出疲勞極限，那么疲勞失效永遠不會(huì )發(fā)生。

4 疲勞曲線(xiàn)-已經(jīng)噴丸

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

5 噴丸強度

“噴丸強度”是與噴丸后零件的殘余壓應力層深直接相關(guān)的量。噴丸強度越高，殘余壓應力的層深以及硬化層的厚度越大。噴丸強度是采用一組標準的鋼材料試片（阿爾門(mén)試片），分別噴丸不同時(shí)間進(jìn)而繪制出飽和曲線(xiàn)來(lái)計算的。噴丸強度是指當時(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)機械槍對這一個(gè)垂直放置的鋼板進(jìn)行開(kāi)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。這種現象在戰斗坦克的設計中也會(huì )用到。如果阿爾門(mén)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力的環(huán)境中進(jìn)行循環(huán)時(shí)才能生成和長(cháng)大。一般外加應力在零件的表面上是最大的，尤其是處于彎曲應力的狀態(tài)時(shí)。零件表面的殘余壓應力可以減少施加在零件上的拉應力。

殘余壓應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(jiàn)的。作為類(lèi)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，那么由于拉應力的作用這個(gè)口子會(huì )發(fā)生擴展。但是如果這個(gè)橡膠套是在壓應力的狀態(tài)，那么由于壓應力的作用，這個(gè)口子會(huì )發(fā)生閉合。

噴丸強度可以直接控制殘余壓應力硬化層的厚度。

6 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)目標區域進(jìn)行連續投擲炸彈。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 )有彈坑重疊的區域。彈坑的總面積達到一定程度后其增長(cháng)的速度會(huì )越來(lái)越慢，這也是“邊際效用遞減規律”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域沒(méi)有被彈坑覆蓋。

噴丸標準的制定

噴丸標準制定的合適與否取決于客戶(hù)或噴丸工藝執行者對于噴丸知識的了解程度。如果噴丸工藝執行者僅為一個(gè)人，那么該執行者必須承擔的責任是對噴丸的基本知識都要了解。如果噴丸工藝執行者是一個(gè)團隊，包括設計工程師，工藝工程師，電腦專(zhuān)家，在噴丸車(chē)間經(jīng)過(guò)培訓的員工，等等。那么零件所包含的復雜性和價(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，并結合噴丸標準制定的復雜性進(jìn)行介紹。以下是噴丸的三大要素：

1. 噴丸丸料

2. 噴丸強度

 3. 噴丸覆蓋率

1 噴丸

丸料

目前應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零件的材料來(lái)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(lái)進(jìn)行噴丸，因為以上所述的材料都是鐵素體。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。不同的金屬和合金的電極電位不同，當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(yáng)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(wèn)題。

對于丸料的質(zhì)量和尺寸的過(guò)程控制有嚴格的規范進(jìn)行規定。使用中的丸料由于不斷地發(fā)生撞擊而導致磨損和形狀發(fā)生改變，丸料狀態(tài)會(huì )發(fā)生惡化的現象。噴丸后零件的殘余應力與丸料的尺寸有直接的聯(lián)系，因此需要在設備上安裝振動(dòng)篩來(lái)控制丸料的尺寸。丸料直徑的尺寸范圍為0.2mm~3.4mm，大多數情況下噴丸丸料的直徑均在1.0mm以下。

噴丸標準制定者需要決定丸料的尺寸和類(lèi)型。

2 噴丸強度

噴丸強度的標準制定對于零件來(lái)講是至關(guān)重要的。需要標準制定者規定噴丸強度上下限，例如0.20~0.26mmA。之所以噴丸強度是一個(gè)范圍，是因為噴丸強度很難精確控制到一個(gè)值。噴丸強度的最優(yōu)選擇需要大量的試驗，包括材料的類(lèi)型，載荷的類(lèi)型，零件的厚度等等，所以噴丸強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度大于非垂直的情況。噴丸標準制定者經(jīng)常規定其所需的噴丸強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(mén)試塊（阿爾門(mén)試片固定器）。對于這些指定位置，噴丸束流的強化效果一定要達到。

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

對于零件噴丸強度的制定以及優(yōu)化是非常復雜的，因其受到許多因素的影響。早在1958年，Fuchs建議對于一般的應用情況，噴丸強度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(shuō)明了噴丸強度的優(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)際試驗進(jìn)行驗證。

3 噴丸覆蓋率

噴丸標準制定者必須規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，沒(méi)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(guān)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）。另外一種派別認為大多數應用的最優(yōu)的覆蓋率不會(huì )超過(guò)“100%”。

目前大家公認當覆蓋率高于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(guān)點(diǎn)就是稍微小于100%的覆蓋率被認為是“完全覆蓋率”。

討論與結論