引 言                                                                                                        

    一個(gè)丸料束流通常被認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在它們的平均噴丸強度上。導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)參數有一個(gè)增加都會(huì )導致平均噴丸強度增加。對一個(gè)特定的丸料束流，測試所得到的噴丸強度是一個(gè)衡量，但實(shí)際上噴丸強度具有變化性，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每一束束流的噴丸強度進(jìn)行嚴格控制。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計方式。如果采用噴丸設備，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：“流體和丸料的運動(dòng)速度哪個(gè)更快？”答案要根據實(shí)際情況而定，因為丸料是離開(kāi)噴嘴還是葉片所得到的答案不一樣。對于虹吸式噴丸設備和直接供料噴丸設備，當丸料離開(kāi)噴嘴后，空氣的移動(dòng)速度要比丸料更快。對于拋丸設備，丸料的移動(dòng)速度要比空氣更快。如果噴丸設備采用文丘里噴嘴，那么空氣將達到超音速，這就意味著(zhù)出口處空氣的移動(dòng)速度比丸料的速度要快得多。

噴丸強度隨位置的變化

    在一束丸料束流中，位置不同，噴丸強度也不同。造成噴丸強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，其中F為流體施加在丸料上的加速力：

F=k（vF-vP）                                        （1）

    其中k為正常數，vF是流體速度，vP是丸料速度。如果vF高于vP，那么（vF-vP）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vF低于vP，那么（vF-vP）為負值，則F為負值，因此作用在丸料上的力起到減速作用。vF-vP的差（vF-vP）稱(chēng)之為“相對速度”。

    為了方便對公式（1）的理解，大家可以想象一下，如果一個(gè)人沿著(zhù)一條很長(cháng)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)速達到10千米/小時(shí)。那么現在相當于有一個(gè)（10-5）的力試圖讓這個(gè)人加速運動(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(cháng)度代表了速度的大小。請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(zhù)下降。如果要對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(zhù)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 虹吸式噴丸設備中丸流的噴丸強度分布

    在虹吸式噴丸設備中，噴丸強度的最大值出現在距離噴嘴D處的丸流中間位置。

    測試一個(gè)噴丸束流的不同距離D的噴丸強度是非常容易的。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)行噴丸強度測試。需要注意的是，要保證丸流的中軸線(xiàn)要沿著(zhù)阿爾門(mén)試片的中軸線(xiàn)移動(dòng)。在不同的距離處進(jìn)行飽和強度試驗進(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，虹吸式噴丸設備等條件下的噴丸強度變化隨距離的變化情況，噴丸強度的變化范圍為10-12A。該曲線(xiàn)的最重要的特征為最大噴強度hmax出現在245mm的距離處。

圖4 噴丸強度隨距離的變化曲線(xiàn)圖

    需要補充的是，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度也不相同，如圖5所示。

圖5 丸料束流橫截面上噴丸強度的變化情況

（噴丸強度最大值出現在丸流的中心位置）

    測試所得的噴丸強度也會(huì )隨著(zhù)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較高的噴丸強度，而如果重合的情況不好，那么得到的噴丸強度相對較低。

    丸料束流中的噴丸強度差異程度和噴丸設備類(lèi)型也有關(guān)。直接供料設備的噴丸強度差異性要比虹吸式噴丸設備小很多。而拋丸設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(zhù)丸料一旦離開(kāi)葉片就開(kāi)始減速了。

    從試驗的角度來(lái)講，測試丸料束流橫截面的噴丸強度差異比較困難一些。由于彈坑的直徑是和噴丸強度直接相關(guān)，因此可以采用間接的方法，即測試噴丸后留下來(lái)的彈坑直徑的變化來(lái)推測噴丸強度的變化。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)行測試。最終的結果表明，邊緣部位的凹坑直徑（象征噴丸強度）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度的變化情況。

噴丸強度隨角度的變化

    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(zhù)塑性變形的程度要更小，因而噴丸強度也更小。圖6顯示了噴丸強度與沖擊角度之間的關(guān)系。

圖6 沖擊角度與噴丸強度的關(guān)系

（本試驗采用N型試片，S110鑄鋼丸）

噴丸強度隨時(shí)間的變化

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

    1. 丸料特征；

    2. 速度控制；

    3. 強度測試方法。

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(zhù)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。這些因素對噴丸強度造成長(cháng)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

    對噴丸強度變化造成長(cháng)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(cháng)期使用后，丸料最終將不滿(mǎn)足標準中尺寸的要求。圖8就是S110丸料的長(cháng)期磨損影響噴丸強度的一個(gè)例子，假設其它的參數保證不變。假設新的S110丸料可以達到的噴丸強度11A，那么長(cháng)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不發(fā)生變化，噴丸強度將降為7A（英制單位）。但是在實(shí)際的噴丸中，考慮到丸料的減小，噴丸參數是會(huì )作出相應調整的。

圖8 丸料的長(cháng)期磨損與噴丸強度之間的關(guān)系

    對于鋼切丸來(lái)說(shuō)，長(cháng)期使用中形狀的變化對噴丸強度的影響是特別顯著(zhù)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(zhù)，在球形鈍化鋼切丸中最不顯著(zhù)。從理論上來(lái)講，隨著(zhù)鋼切丸的形狀發(fā)生變化，噴丸強度將會(huì )發(fā)生輕微的下降。

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

    對設備中的丸料進(jìn)行補充后將會(huì )導致噴丸強度立刻升高，也就是從圖9中的“比平均尺寸細”的曲線(xiàn)轉變?yōu)椤氨绕骄叽绱帧钡那€(xiàn)。

圖9 丸料特征的變化對噴丸強度的影響

2. 速度控制

    一個(gè)丸料束流的噴丸強度直接和平均丸料速度、質(zhì)量和直徑相關(guān)。公式（2）和（3）為噴丸強度與丸料速度之間的經(jīng)驗公式，其中V為丸料速度，I為噴丸強度，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，那么得到的噴丸強度為0.014英寸，下降了10%。圖10顯示了由公式（2）得到的對于不同鋼丸噴丸強度與丸料速度的關(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其進(jìn)行間接地控制，并假定丸流量是穩定的。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(cháng)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 噴丸強度與丸料速度之間的關(guān)系

3. 噴丸強度測試方法

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

結論

    本篇文章并不具備綜合性和權威性。本篇文章的目的是強調現實(shí)中有大量的因素會(huì )造成丸料束流的噴丸強度發(fā)生變化。

    我們一直關(guān)注的主題是如果每個(gè)噴丸強度的測試和設備參數的設置能夠以某種形式保存成數據庫，那么對于噴丸強度的控制將會(huì )更加有效。如果設備的噴丸強度發(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。