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钢丸在抛丸器内运动过程的理论分析与抛丸强化机理

文章出处:未知 编辑:抛丸机发表时间:2018-3-6 9:46:46 浏览人数:1043,1,0
钢丸在抛丸器内运动过程理论分析: 影响抛丸过程和强化的因素很多,总结起来主要有两个方面,一是被处理工件材料的表面性能,二是抛丸工艺参数[37]。从被抛丸工件材料的表面性能来讲,最重要的是其表面硬度;从抛丸工艺参数方面来讲,钢丸的硬度、直径、材料以及抛丸处理时钢丸的速度、射程、抛丸角度、抛丸时间是重要的因素,众多因素影响抛丸过程和抛丸强化的好坏,它是一个多因素多元函数的变量,其一般表达式为: 
  F=f[M(p),M(s),R(s),V,Q,H,T,λ]                       (2.1) 式中:M(p)―被抛丸工件材料的表面性能 M(s)―选用钢丸的材料性能 R(s)―选用钢丸的直径 V―钢丸的最终抛射速度 Q―抛丸量 H―射程 T―抛丸时间 λ―抛丸角度 
  当被抛丸工件材料的表面性能M(p)不变时,被选用钢丸的材料M(s)、直径R(s)、最终抛射速度 V 是影响抛丸过程和强化的主要因素,由于M(s) 、R(s)、V 是主要因素,而钢丸最终抛射速度的动力是来源于抛丸器在高速旋转下产生的离心力,所以对钢丸在抛丸器内的运动过程进行理论分析,找出影响钢丸最终抛射速度的因素,并联合钢丸直径等其他工艺参数进行优化控制,可以达到提升抛丸强化工艺水平的目的。 
钢丸在抛丸器内运动过程分析:
  从钢丸进入分丸轮内到被叶轮叶片抛出的整个过程中,在抛丸器内的运动过程可以分为三个阶段:在分丸轮叶片外沿逐渐积聚成堆、“自由飞行”阶段、沿叶轮叶片运动阶段。如图 2.1 所示,钢丸开始在图中a0b0a1b1区域即分丸轮叶片外沿聚集成堆,当a0b0a1b1区域的钢丸跟着分丸轮一起旋转并运动到定向套窗口处时,钢丸失去定向套内壁的约束作用,并在离心力的作用下飞出定向套窗口进入“自由飞行”阶段,a1点处的钢丸率先飞出,b1点处的钢丸随后飞出。当抛丸器再转过一定角度时(叶轮叶片从 M-M 到达 M1-M1处时),a1、b1点处的钢丸分别与叶轮叶片相遇到达a2、b2点,此后,钢丸在抛丸器旋转时产生的离心力的作用下被叶轮叶片加速并最终在a3、b3点被抛出,形成a0a1a2a3a4与b0b1b2b3b4的钢丸运动轨迹,后续钢丸将以同样的运动轨迹被抛出,由于 a 点与 b 点的钢丸离开分丸轮的时间存在先后,所以最终被抛出时钢丸流会形成一个扇形区域。 
图 2.1 钢丸在抛丸器内的运动轨迹
图 2.1 钢丸在抛丸器内的运动轨迹 
  钢丸沿分丸轮叶片上的运动过程与沿叶轮叶片上的运动过程相同[38],只是初始条件(初始位置和初始速度)不同,且钢丸在抛丸器内的运动规律符合牛顿第二定律,其分析过程如下: 
图 2.2 钢丸在叶片上的受力分析

图 2.2 钢丸在叶片上的受力分析 
  对钢丸在分丸轮叶片上的受力情况进行分析时,将钢丸看成质点,设抛丸器的旋转中心 O 为原点,并以地面、分丸轮叶片分别为绝对坐标系和参考坐标系,钢丸受离心力 Fc、哥式惯性力 Fk、叶片给钢丸的反作用力 N、钢丸与叶片之间的摩擦力 Ff的作用。此外,钢丸还受到自身重力的作用,但根据萨威林的研究指出[20],钢丸自身重力对钢丸运动速度的影响仅为 0.25%,因此忽略钢丸重力的影响,钢丸的受力分析如图 2.2 所示。通过牛顿运动学第二定律得出钢丸沿分丸轮叶片运动的方程式如下: 
抛丸方程式
对式(2.7)求导,得到此时钢丸在叶片上的径向速度vr

  设钢丸在开始进入分丸轮叶片上的时刻 t=0,由于钢丸开始是沿着分丸轮内壁做旋转运动,则此时钢丸的径向速度可以忽略不计,vr0ρ近似为 0,而此时钢丸所在的初始位置 ρ等于分丸轮内径r0,所以 t=0 时的初始条件为: {vrρ=vr0ρρ=r0     
将式(2.9)代入式(2.7)、(2.8)联合求解得:

钢丸在分丸轮叶片上的位置和径向速度随运动时间的表达式
式中:ω—叶轮旋转角速度 f—钢丸与叶片间的摩擦系数 ρ—钢丸在分丸轮叶片上的位置半径 r0—钢丸初始位置半径(即分丸轮内径) vrρ—钢丸在分丸轮叶片上的径向速度 vr0ρ—钢丸在分丸轮叶片上的初始径向速度 t—钢丸在分丸轮叶片上的运动时间 
  式(2.10)是前苏联学者 Н.阿克谢诺夫[20]提出的抛丸器运动学参数计算方法,但由于式(2.10)是运动时间 t 的隐函数,求解困难,因此在实际计算的过程中忽略了摩擦力的影响,导致计算出的径向速度存在 20%左右的误差。国内外学者对此做了各种近似的求解方法,其中冯学渊构造辅助函数和运用简单计算机程序的方法[30]求解过程简便而且精确度很高,因此得到了广泛的应用。 
  其原理在于构造两个与ρ(t)结构相同的表达式,并引入待定参数 h,求出运动时间 t 关于 ρ 的精确表达式,解出的表达式如下:
表达式
  在代入具体数值进行计算时,其中的ρ为分丸轮的外径,设分丸轮外径为r1,其中的ρ'是为选取 h(h 值开始一般取为 0.5)而做的验证计算,计算出ρ'后与已知的ρ(r1)比较,根据二者之间的差值再调整 h 值,如果二者相差太大则再进行计算,如此反复,直至验算的ρ'值与已知的ρ(r1)值相差不大(一般精确到小数点后四到五位)时,此时的时间 t 就是钢丸在分丸轮叶片上运动总时间的精确结果,同时可根据时间 t 计算出钢丸的径向速度vrρ。
  钢丸离开分丸轮叶片后直至到达叶轮叶上的运动阶段属于“自由飞行”阶段,在“自由飞行”阶段中,钢丸速度大小和方向不会改变,分析过程如下: 
图 2.3 钢丸“自由飞行”阶段的速度分析
图 2.3 钢丸“自由飞行”阶段的速度分析 
  图 2.3 为自由飞行阶段钢丸的运动速度图,钢丸从分丸轮叶片飞出后经过一段时间后与叶轮叶片相遇,其分析过程如下: 
计算公式

  式中:r1—分丸轮外径 θ—钢丸到达叶轮叶片上时叶轮转过的角度 vρ—钢丸飞出分丸轮叶片时的绝对速度 veρ—钢丸飞出分丸轮叶片时的圆周速度 α—钢丸飞出分丸轮叶片时绝对速度vρ与圆周速度veρ之间的夹角 β—钢丸到达叶轮叶片上时绝对速度与叶轮叶片径向方向的夹角 R0—钢丸到达叶轮叶片上的位置到抛丸器旋转中心的距离 t'—钢丸“自由飞行”阶段的运动时间 
  式(2.12)中只有时间t'和相遇点半径R0为未知数,方程求解简便,在此过程中钢丸速度大小和方向未发生变化。钢丸开始到达叶轮叶片上时将以一定的入射角度撞击到叶轮叶片上,最终钢丸以投影于叶轮叶片径向方向的速度为初始速度沿叶轮叶片运动直至被抛出。 
  钢丸在叶轮叶片上的运动过程与钢丸在分丸轮叶片上的运动过程以及受力情况完全相似,只是初始速度和和初始位置不同,所以钢丸在叶轮叶片上的位置以及径向速度随运动时间的表达式为: 
初始速度计算公式
式中:vR0ρ—钢丸在叶轮叶片上运动时的初始速度
vRρ—钢丸在叶轮叶片上的径向速度。 

叶轮转速对钢丸抛射速度影响的研究:
  取钢丸在分丸轮叶片上的速度方程,进行抛丸速度影响因素的分析,其径向速度和圆周速度为:
计算公式

简化式(2.14)得出钢丸的绝度速度表达式为: 
令ρ=r1,简化式(2.15),得到钢丸绝对速度最终简化表达式为:

式中:r1为分丸轮外径。 vρ即为钢丸在分丸轮叶片上的最终抛射速度,从式(2.16)中可以看出分丸轮内径和外径、叶轮转速是影响钢丸最终抛射速度的主要因素,但是在同一个抛丸器中结构尺寸参数 是 固 定 不 变 的 , 因 此 可 变 因 素 就 只 有 叶 轮 转 速 了 , 所 以 式 ( 2.16 ) 中r11+f√{2(1+f)+f2}2(r1r0)2-1是个常数,可以看出钢丸的抛射速度与叶轮转速成线性正比的关系。同理,钢丸在叶轮叶片上运动时也可以得出相同的结论,叶轮内径、外径尺寸参数不变时,叶轮转速对钢丸抛射速度影响最大。 钢丸无论是在分丸轮叶片上运动还是在叶轮叶片上运动时,在抛丸器结构尺寸参数不变的情况下,叶轮转速对钢丸的抛射速度影响最大, 一般叶轮的可调转速在2000rpm~3000rpm 之间,根据工程实际经验选取 2050rpm、2250rpm、2450rpm、2650rpm、2850rpm、2950rpm 和 3000rpm 的叶轮转速进行后续理论与仿真的计算分析。理论分析中,在研究叶轮转速对钢丸抛射速度的影响时,根据式(2.11)中的计算公式计算了不同叶轮转速下钢丸的理论抛射速度,如表 2.1 所示。 
表 2.1 不同叶轮转速下钢丸抛射速度理论值
表 2.1 不同叶轮转速下钢丸抛射速度理论值 
  根据表 2.1 中的数据作出叶轮转速-钢丸理论抛射速度曲线,如图 2.4 所示。 
图 2.4 叶轮转速与钢丸抛射速度的关系
图 2.4 叶轮转速与钢丸抛射速度的关系 
  从图 2.4 中可以看出,钢丸的抛射速度随着叶轮转速的不断增大呈线性增长的趋势,且增幅很大,说明叶轮转速对钢丸最终抛射速度有很大的影响。 
钢丸的性质和直径对钢丸抛射速度影响的研究:
  在对钢丸在抛丸器内的运动过程进行理论分析时,将钢丸看成质点,所以钢丸最终抛射速度公式中未出现钢丸的性质和直径对钢丸抛射速度的影响。但是研究和生产实践表明,在抛丸工艺中,钢丸的性质(密度、硬度、形状、材料性能)和直径分布直接影响到被抛丸工件的表面质量[39]。在整个抛丸过程中,各个钢丸相互之间、钢丸与抛丸设备之间、钢丸与被抛丸工件之间的碰撞和摩擦时时刻刻存在,且目前国内采用的钢丸其组成粗大、材质脆,在抛丸过程中很容易破碎或者磨损,由此造成的损耗很大。据不完全统计,仅在铸件的清理强化中,钢丸的消耗就达到了被抛丸件重量的 3%~7%图 2.2 钢丸在叶片上的受力分析 。所以,抛丸工艺中,钢丸的选择至关重要,它既影响抛丸强化效果也影响生产成本。 
  徐金鸿[40]在研究如何确定钢丸抛射速度与直径时,得到了钢丸直径及速度与靶材压痕深度、钢丸材料系数之间的关系。钢丸的直径与钢丸的抛射速度密切相关,同时钢丸直径越大,在相同的钢丸速度下,被抛丸的工件表面产生的压痕也就越深,从而工件表面粗糙度也越大[41]。直径大的钢丸用于工件的表面清理时,能使工件表面的锈蚀层松动,因此直径大的钢丸能保证表面粗糙度,适用于一些结构比较简单且尺寸大的工件。而钢丸直径小,在抛丸工件时不仅能使抛丸的覆盖率得到提高,而且对于粗糙度要求比较高的零部件具有很好的抛丸表面质量,因此小直径的钢丸适用于形状结构复杂的中小型工件的表面清理和强化,一般钢丸直径的选择范围在 Φ0.4mm~Φ2.0mm 之间。
  钢丸作为抛丸工艺中的磨料介质,避免不了发生碰撞和磨损,因此在选择钢丸时钢丸的硬度也作为一个重要的参考指标。一般在选择钢丸时,其硬度应该大于被抛丸工件的硬度,但是硬度过高,在多次的循环运动过程中容易破碎同时也对抛丸设备造成很大的磨损,从而使得能耗过大,增加了生产成本。而硬度过低,不能起到抛丸清理或者强化的作用,虽然钢丸使用寿命变长,但是对于抛丸后未达到表面质量要求的工件需要进行二次抛丸处理,同样增加生产成本。对于钢丸的材料选择,使用不同的钢丸材料处理的抛丸表面质量亦不同。
  工程实际中使用比较多的钢丸是白口铸铁钢丸、铸钢钢丸、钢丝切丸。在这三种常见的钢丸中又以铸钢钢丸使用最广泛,由于它的材料特征使得其在热处理工艺后能获得不同硬度和韧性的钢丸,因此可以根据被抛丸材料的表面要求选取不同硬度或者韧性的铸钢钢丸,因而有效地降低了铸钢钢丸的破损率和损耗。白口铸铁钢丸硬度高、脆性大,使用率不高,而钢丝切丸硬度和韧性等方面都较好,但其价格昂贵,所以使用成本比较高。 综合以上,本文在进行抛丸模拟中,选择直径在 Φ0.4mm~Φ2.0mm 之间的铸钢钢丸作为抛丸中的介质。 

分丸轮与叶轮安装角度对钢丸抛射速度影响的研究:
  为了避免钢丸从定向套窗口飞出后直接撞击到叶轮叶片根部,而不能全部落到叶轮叶片上引起的叶片加速磨损及钢丸乱打现象的发生,分丸轮与叶轮安装时是存在一定角度的,如图 2.5 所示。 图中 δ 即为分丸轮与叶轮之间的安装角,以图中竖直中心线为分界点,顺时针为正,逆时针为负。从图中可以看出当抛丸器顺时针旋转时,若安装角度大于或者等于 0,则从定向套飞出的钢丸很可能直接撞击到叶轮叶片的根部,而不能顺利进入叶轮叶片上,造成钢丸流的运动规律被打乱。同时,安装角度不同,钢丸落在叶轮叶片上的位置也不同,从而钢丸在叶轮叶片上能加速的时间和距离也不同,最终钢丸的抛射速度也不同。
图 2.5  分丸轮与叶轮安装角度
δ 的大小可以根据理论计算而得到[38],在实际生产中,可以根据抛丸工件的表面质量要求不同进行调整,一般分丸轮与叶轮之间的安装角度选在 9°~20°之间。 

抛丸强化机理:
  抛丸后材料的强化机理可以分为两种:组织结构强化和残余压应力强化[18,19]。 从组织结构强化来看,即由于材料表层受到钢丸高速撞击后产生弹塑性形变层,这种形变层的厚度一般在 0.12~0.80mm 之间。弹塑性变形时会产生钢丸压痕,压痕结构分三层:表面脆性变形区、中间基体塑性变形区、深层弹性变形区,且钢丸压痕内三个变形区是同时发生和存在的[40],如图 2.6 所示。 
图 2.6 钢丸压痕结构
  三个变形区内包括高密度的位错、晶粒细化、亚晶和位错包等组织结构变化,高密度的位错和细小的亚晶粒使得材料的屈服强度得到提高,从而材料表层抗疲劳强度得到提高。
  三个变形区同时发生的过程中,深层的弹塑性变形区从下、左、右、前、后五个方向对中间层的基体塑性变形区产生瞬间的压缩应力,使得中间层在这五个方向上几乎同时产生压缩变形。当深层的弹性变形区在使中间层产生压缩变形的同时又向表层脆性变形区推动,并使已经有破裂线的脆性层迅速脱落,几乎同时又使钢丸获得反弹力而产生回弹速度被回弹出去。 
  从应力状态上看,由于金属表层变形的不均匀性,表层金属向四周塑变延伸时,受到内层金属的阻碍,使强化层内形成了较高的残余压应力,而残余压应力的存在在一定程度上能消除一部分引起零件疲劳破坏的循环拉应力,或者是使零件表面处于压应力的状态,因此由疲劳破坏而产生的裂纹得到抑制或者延缓,从而显著地提高了零件的抗疲劳性能[42]。抛丸强化后材料表层的残余应力场的分布规律如图 2.7 所示,抛丸后,材料表面出现一定大小的残余压应力,残余压应力随着应力层深度的增加逐渐增大,当应力层达到一定的深度后,残余压应力达到最大值,随着应力层深度的继续增加残余压应力逐渐减小,并在压应力层以下形成较小的拉应力。其中,表面残余应力σsrs、最大残余应力σmrs、最大残余应力层Zm、总体残余应力层Z0是抛丸残余应力场最主要的四个特征参数。 
σsrs―表面残余应力 σmrs―最大残余应力 Zm―最大残余应力层 Z0―总体残余应力层 图 2.7 抛丸后工件表面残余应力场分布图
σsrs―表面残余应力 σmrs―最大残余应力 Zm―最大残余应力层 Z0―总体残余应力层 图 2.7 抛丸后工件表面残余应力场分布图 
  同时,相关研究[43,44]指出材料强度以及抛丸强度对抛丸残余应力场的分布有很大的影响,而抛丸强度又与钢丸的材料、直径、抛射速度相关。抛丸强度一定时,材料的强度越高,残余应力层深越小;材料的强度一定时,随着抛丸强度的增大,残余压应力层深越大,表面残余应力和最大残余应力也相应提高。 综上所述,抛丸强化与工件的材料性能、钢丸材料、钢丸直径、钢丸的抛射速度密切相关,由此可见当钢丸材料与被抛丸工件的材料选定时,钢丸的抛射速度和直径则是影响抛丸强化的主要因素。 
本文来源青岛华盛泰抛丸机:/jishu/1043.html
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