第二十二期 水喷强化与水喷丸强化
发布时间:2017/10/25 15:25:15

引 言                                                                                                    

    水喷强化和水喷丸强化的共同特征就是均使用了水流。但是,两种工艺是有着明显差异的。水喷强化需要对零件施加一个足够高的直接压力使得零件表面产生塑性变形。而水流喷丸是使用水流中夹带的高速运动的丸料来冲击零件的表面,进而使得零件表面产生塑性变形。图1和图2说明了两种强化工艺的差异。

    水喷强化的喷嘴中镶有宝石,目的是保证足够的抗磨损性能。对于水流喷丸工艺,比较重要的是要保证水流的连贯性,而不能出现水流分叉的现象。

                             

图1.水喷强化的图解

       

图2. 水喷丸强化的图解

    对于水喷丸强化,丸料被加入到速度低许多(相较于水喷强化)的水流中。丸料被水流加速,进而冲击零件表面,然后被弹回。

    本篇文章将对上述两种工艺分别进行介绍,使用相同的分析方法包括压力、力以及功率等进行讨论。

水喷强化

    水喷强化的基本要求就是水流导入的压力要高于零件的屈服压力强度。当进入到喷嘴时,水流会被施以巨大的压力。如果水流分叉,那么其速度将会下降。水作为一种液体是不可被压缩的。这就意味着其与空气流的特征是不同的。

水流速度

    水流的速度V可以使用以下公式进行计算:

    V=44.721*P0.5                       (1)

    当水流的速度V的单位为m/s时,那么施加在喷嘴中的压力P的单位为MPa。

    例如,如果所施加的压力为500MPa,那么把其代入到公式(1)中,可以得到V=1000m/s。

    当采用英制单位时,公式(1)变成:

    V=377.56*P0.5                     (2)

    当水流的速度V的单位为ft/s时,那么施加在喷嘴中的压力P的单位为kpsi。

    公式(1)和公式(2)可以简化为经典的流体力学的公式,即:

    v=0.98(2*P/ρ)0.5

    其中ρ为水的密度,对于公式(1),ρ为1000kg/m3,P的单位为Pa。

    通过公式(1)可以根据不同的已知压力绘制成图3。因为压力涉及的范围很大,所以选择了对数坐标。水流的速度可以大致地分为低、高和超高三个等级。在水喷强化工艺中,水流的速度是超高的。

 

图3 所施加的压力对水流速度的影响

水流喷丸中的水流对零件所施加的压力

    在水喷强化中,水流在零件表面所施加的压力PW是关键的参数。如果知道水的密度和水流在打击时的速度,那么该压力可以很容易地计算出来。下述公式在水喷强化中是非常重要的:

    PWW*vW2                    (3)

    其中PW是水流以90°的角度冲击零件表面所施加的压力,单位为Pa。ρW是水的密度,单位是kg/m3。vW是水流冲击零件表面时的速度,单位为m/s。

    总之,水喷强化过程中,水流的冲击压力是水的密度与水流速度平方的乘积。

    水喷强化所依赖的是水流导入的压力要高于零件的屈服压缩强度。根据金属加工的理论,材料的屈服压缩强度是屈服拉伸强度的1.155倍。对于水喷强化,水的密度为1000 kg/m3。因此公式(3)可以简化为:

    PW=1000*vW2                    (4)

    在大气气压下,空气的密度为1.225 kg.m-3。这就意味着在同样速度下,水流所施加的压力是气流的800倍左右。理解水流施加的压力的关键就是其与水流速度的平方成正比。图4为水流施加的压力与速度之间的关系图。材料的屈服强度也在图中的纵坐标上给出了。

 

图4. 水流的速度对冲击压力以及材料屈服强度的影响

    水流的速度一定要达到相当高的水平才能产生足够大的冲击压力来超过零件的屈服强度。在图4中,金属材料被大致分为三组,分别为硬质合金、半硬钢和软金属。通常所喷的最软的金属是铝合金,此时水喷强化所需的水流最小速度为300m/s。在软金属范围的顶部对应的是半硬钢,此时水喷强化所需的水流最小速度为800m/s。对于比不锈钢更硬的金属进行水喷强化时,所需要的水流速度需要更快。

    在流体力学中比较有趣的一个结论就是,一个连续的水流的冲击压力大约是施加于喷嘴的压力的两倍。

    如前文所述,水流在离开喷嘴后既不会分叉,也不会收敛。与空气不同,水具有“表面张力”。表面张力可以使水(无论是水滴的形式还是水流的形式)努力保持以及最小化其表面积。因此,一束水流总是试图保持其形状。喷嘴的设计以及材料在保证水流不分叉方面起着非常重要的作用。试想一下,如果水流在打击零件表面时的直径变大成从喷嘴刚喷出时的两倍,其打击力会减少为不变大的状态的四分之一(直径变大两倍,那么横截面积会变大四倍)。

水流的功率

    一束高速运动的水流具有非常大的功率。可以使用以下的公式进行表示:

    JP=1/2ρ*v2*A                   (5)

    其中JP是水流的功率,ρ是水的密度,v是水流的速度,A是水流离开喷嘴后的横截面积。

    例如,一束水流的运动速度为1000m/s,其横截面积为10mm2,那么代入上述公式可得其功率为5000千瓦。

水流的能量

    水流具有动能,表达式为1/2mv2,其中,m表示质量,v表示速度。在水流撞击固体目标物之前,其能量可以容易地被估算。

    例子:假设存在如图5所示的情形。一个长度为10厘米的水流,其横截面为0.1cm2,那么其体积可以精确地计算出为1立方厘米。水的密度为1g/cm3,所以该长度水流的质量为1g。如果该段水流的速度为1000m/s,那么其动能为1/2*1*1000000g.m2/s2或者500kg.m2/s2。已知1 kg.m2/s2=1J(焦耳),1卡路里=4.186J。那么500 kg.m2/s2=500J=120卡路里。

 

图5. 假想的一束特定水流的尺寸


水流能量的转化

    当一束水流冲击零件表面后,其能量的分布方式一定会出现变化。如图1所示,当一束水流冲击一个平板时,其向前的动能会完全地消失,水流的运动方向也会转变90°。有一些能量会存在于横向(平行于零件表面的方向)流动的水流中。如果假设水流的大部分动能转化为热能,那么与零件接触的水流部分将会变得非常地热,甚至于出现沸腾的状态。文献中已经有一些报告指出,水流强化可以产生蒸汽云。

    例子:假设在上述的示例中,冲击前水流的温度为10℃,总能量120卡路里中的10卡路里存在于横向流动的水流中。如果把水从10℃加热到沸点100℃,需要90卡路里。剩余的20卡路里将会消耗在产生蒸汽的过程中。

    我们有理论依据认为水流的动能转变成热能是不一致的。最高的动量变化率将出现在水流的轴向方向。因此,可以认为在轴向方向,更多的动能会转变成热能。图6为该能量转化机理的示意图。

    水流中少量的能量将会消耗在喷走材料表面破碎的氧化物的过程中。

 

图6. 在水喷强化过程中,能量转化机理的示意图

水喷丸强化

    水喷丸强化的基本特征如图2所示。从本质上讲,高速运动的水流被用来把丸料加速到一个相当高的速度,进而使零件表面产生塑性变形。水的密度要比空气大的多,因此可以很容易地对丸料产生加速的作用。

水流的速度

    在第十期的文章中已经介绍了计算计算丸流速度的相关理论和等式。水喷丸强化与空气喷丸强化的唯一显著不同点就是所使用的加速流体的密度不同。水的密度为1000kgs/m3,比空气的密度要高得多。在10个大气压下,空气的密度也才为12kgs/m3。

    水喷丸强化中丸料的速度VS取决于以下几个因素:

    (1)水流的速度,VJ

    (2)阻力系数CD是一个无量纲量,对于球形的物体其值为0.5;

    (3)丸料的横截面积,A;

    (4)水的密度,ρW

    (5)丸料的密度,ρS

    (6)丸料被加速的距离,s;

    (7)水流和丸流的相对速度(VJ- VS)。

    如前所述,计算丸料速度的公式在前期文章中已经进行了相关介绍,本期不再赘述。表1为采用Excel表格进行的相关计算结果。这该示例中,假设水流的压力为12MPa,用来对钢丸进行加速,加速距离为100mm。水流的速度可以使用本片文章的等式(1)进行估算。“促进效率”是丸料速度与水流速度的比值,单位为百分比。在本例中,丸料的速度为水流速度的90%。

表1.采用Excel表格估算由液体作为载体的丸料速度

 

    在表1中使用到了术语“X因子”。该因子的表达式为:

    X=(1.5*B2*B3*B4*B7/(B5+B6))^0.5            (6)

    X因子的重要性在于可以在丸料速度和水流速度中的比值VS/ VJ中体现出来:

    VS/ VJ=X/(1+X)                                (7)

    在上述例子中,X为10.7,那么VS/ VJ=10.7/11.7=0.915。采用百分数来表达就是91.5%,等于“促进效率”。需要指出的是,“X因子”越大,促进效率越高。促进效率与“X因子”之间的关系如图7所示。


 

图7的形状特征为有理函数。

    同样喷丸强度曲线也具有相同的特征。该图也说明了水喷丸强化和空气喷丸强化的最主要的不同。在空气喷丸中,X因子非常的。?虼似浯俳??室卜浅P。喷嘴中的最大空气速度也受到了声速(大约340m/s)的限制。而水流的速度可以达到声速的4.3倍或更高(大约1500m/s)。

水喷丸强化中丸料速度的变化性

    在水喷丸强化中,促进效率几乎是恒定的,高于90%。相反地,对于空气喷丸的X因子是处在陡斜率中。因此可以得出一个结论,就是空气喷丸中的丸料速度的变化性相比于水流喷丸要更大。如果水流喷丸的横截面能够保持不变的话,那么上述结论会更加明显。

例如,如果水流的横截面由于分散的问题增加了一倍,那么水流的速度将会减半,相应地,水流中所包含的丸料速度也会迅速减小。水流的速度减。?敲雌浼铀偻枇系哪芰σ不岜淙。而空气加速丸料的效率与水流相比会更低,因此一旦丸料离开喷嘴之后,其受到空气变化的影响会较小。


讨论

    本篇文章是对前期关于喷丸和抛丸的丸料加速机理的补充。通过Excel表格的帮助,我们可以定量地分析相关的因素比如压力、功率要求、速率促进效率和丸料特征。例如,可以很容易地显示出在空气喷丸中,大直径的丸料不易获得高速度。相反,对于大直径的丸料,采用水喷丸强化就可以很容易地获得很高的速度。功率和能量的要求是我们比较关心的,特别是对于水喷强化而言。

    不含丸料的水喷强化需要超高的水流速度使得零件表面发生塑性变形,进而产生残余压应力。由于水喷强化不包含丸料,因此强化后零件表面不会出现凹坑。零件材料的屈服强度越高,其表面越难发生塑性变形。

    水喷丸强化的优点在丸料可以获得非常高的运动速度,于哪怕是尺寸非常大的丸料。这在喷丸成形工艺中的优势非常明显。对于纯水喷强化,水的循环是一个比较大的问题。

    本篇文章中的公式都是基于流体力学的,同时也采用一些简单的假设,因此通过本篇文章的公式计算得出的结果不会是百分百准确的。但是,我们相信其准确性也是相当强的,足够我们对不同的变量和不同的工艺进行定量分析。对于几种不同的喷丸强化工艺,相应的Excel表格(不包含宏命令)可以登陆[email protected]网站进行下载。