喷丸是⼀个⾮常重要的⾦属零件的加⼯⼯艺，可以有效地提⾼零件的疲劳寿命。当今社会的关于喷丸的信息量⾮常丰富，但有时可能纷扰⼈们的视线，“⼀叶障⽬，不见泰⼭”，这句谚语的意思就是如果太注意细枝末节的话，可能就把握不住⼤的⽅向。本篇⽂章主要以六个要素的⽅式来解释图1的内容。
1.零件，⽐如拖车钢板弹簧，在⼯作时承受循环载荷的作⽤。 2.循环载荷导致了相应的循环应⼒。
3.如果应⼒⾜够⼤、循环周期⾜够多的话，循环应⼒可导致疲劳失效。裂纹增长时零件的应⼒⼀定是拉应⼒。
4.通过喷丸可以有效地减少疲劳失效的影响。
5.喷丸在零件表⾯引⼊了⼀层“神奇的⽪肤”，具有压应⼒、冷作硬化的功效。该“⽪肤”的厚度取决于喷丸强度。
6.覆盖率是喷丸在零件表⾯作⽤的⼀个参数。覆盖率是零件表⾯凹坑的⾯积与零件表⾯⾯积的⽐值。 喷丸⼯艺是否合适是⼏个要素共同决定的，可以从图2上进⾏概述。
⼀般来说，客户负责制定喷丸的要求-强度和覆盖率等，该喷丸要求是由设计和⼯艺专家制定的。喷丸公司的操作者负责把喷丸强度和覆盖率达到客户要求的⽔平。
1 循环载荷
⼤多数的零件都要承受循环载荷的作⽤，特别是应⽤在汽车和航空领域的零部件。载荷有如下四个⽐较显著的特征：t233>牧一征
1.频率；
2.变化性；
3.载荷的⼤⼩；
4.载荷的类型
1.频率
在压簧和板弹簧中有时有很明显的载荷，但有时其循环载荷与航空零部件（在飞⾏中压⼒和拉⼒载荷交替变化）相⽐没有那么明显。在同⼀时间段⾥，弹簧可能要承载万亿次的循环载荷，然⽽航空零部
件（⽐如起落架，等等）可能只承载⼏千次的循环载荷。载荷的频率因此相差⾮常⼤，对设计来讲是⼀个需考虑的因素。有些零件的设计必须要考率到使⽤万亿次的循环载荷，然⽽其它零件的设计可能只需考虑⼏千次的循环载荷。
2.变化性
同⼀个零件所承受的载荷可以变化⾮常⼤。例如⼀个空载的卡车与⼀个满载的卡车相⽐其承受的循环应⼒更低，⼀个拖车在平坦的柏油路上与在坑洼的⼭路上相⽐所需牵引⼒更低，飞机进⾏紧急降落与正常降落相⽐起落架承受的载荷更⾼。零件的设计和喷丸⼯艺的制定均需要充分考虑载荷的变化性。
3.载荷的⼤⼩
载荷的⼤⼩决定了⼀个零件在失效之前可以运⾏多久。更⼤的载荷可以使零件运⾏的周期更⼩。估算循环载荷的⼤⼩是⼀个值得好好研究的课题。
4.载荷的类型
循环载荷的“⿊或⽩”的极端法则就是“拉-压”以及“重复的弯曲”。所有的零件所受的各种载荷均有⼀定的⽐例。当循环载荷主要是重复的弯曲⼒时，喷丸的效果最好。
图1 喷丸的六⼤基本要素
2 循环应⼒
任何零件的循环载荷均可引起相应的循环应⼒。应⼒可以如上图所⽰⼀样在拉应⼒和压应⼒之间交替变化。正是零件的拉应⼒的作⽤（上图中红⾊的曲线）导致零件的疲劳失效。
零件上的应⼒⼀般是“弹性应⼒”，因为⼀旦载荷移除后应⼒也会消失。对零件施加拉⼒载荷意味着零件⼀定会伸展。相反地，对零件施加压⼒载荷零件会发⽣压缩。零件伸展和压缩的量称为“应变”。对于零件的弹性应⼒，应⼒和应变是⼀个线性关系，这个线性关系是⼒学的基础，被称为“胡克定律”（公开发表于1660）。应⼒与应变的⽐值是弹性模
量，E，同时弹性模量也是材料的⼀个特性指标。
零件的类型不同，其在服役过程中承受应⼒循环的次数差异也⽐较⼤。零件可以按照预想的应⼒循环次数的⽬标（在疲劳失效之前的循环次数）进⾏设计。在19世纪，在英国的设计引领了⼀个“维多利亚⼯程”的热潮。当时的设计遵循尺⼨⼤因⽽应⼒⽔平低的准则，当时的有些零件在21世纪仍然还在⼀直⼯作！当今社会的运输车辆的现实情况来看，这种过度设计的⽅法以是不被接受的，因为超重罚⾦将零件的经济性降低。
循环应⼒的⼀个重要要素就是“应⼒的扩展”。如果零件有⼀个凹痕，那么其导出应⼒会发⽣扩展。应
⼒扩展的⽔平取决于凹痕的尖锐程度。这就是为什么对于车轴到法兰设计成平滑的“转接”的原因。喷丸的作⽤就是降低凹痕的应⼒扩展的作⽤。
3 疲劳曲线-没有喷丸
⾦属材料本⾝就具有抵抗循环应⼒的能⼒。通常采⽤疲劳曲线来进⾏表⽰。对于铁素体材料其疲劳曲线的⼀般形状如上图所⽰。⾸先可以注意的是，该曲线⾮常的简单，仅仅由两个直线来区分疲劳失效和没有疲劳失效。这是因为采⽤
了“对数坐标”的⽅法来显⽰应⼒循环的次数。之所以采⽤对数坐标，是因为应⼒循环的次数分布范围⾮常的⼴，由零件应⽤的需要，可以分为数⼗次到数以亿次不等。pamam
对于铁素体材料，随着应⼒⽔平的提⾼，其失效前的循环次数降低。如果应⼒⽔平⾜够低，那么疲劳失效永远也不会发⽣，该应⼒就为零件的“疲劳极限”。在上图中疲劳极限出现在500次应⼒循环处，但是该数据会随着零件的材料和测试条件的不同⽽发⽣变化。想象⼀下，如果该铁素体零件⼀致在其疲劳极限下进⾏应⼒循环，那么当循环到⼀定次数后疲劳失效就会发⽣。如果循环应⼒⽔平永远不超出疲劳极限，那么疲劳失效永远不会发⽣。
4 疲劳曲线-已经喷丸
在特定的循环次数，喷丸后的零件的循环应⼒⽔平得到了提⾼。与没有喷丸的疲劳曲线相⽐，喷丸后的应⼒⽔平有了明显的提⾼。
5 喷丸强度
“喷丸强度”是与喷丸后零件的残余压应⼒层深直接相关的量。喷丸强度越⾼，残余压应⼒的层深以及硬化层的厚度越⼤。喷丸强度是采⽤⼀组标准的钢材料试⽚（阿尔门试⽚），分别喷丸不同时间进⽽绘制出饱和曲线来计算的。喷丸强度是指当时间增加⼀倍时，弧⾼值的增加刚好为10%的那⼀个点，也叫做饱和点。
丸料在零件表⾯上击打出的凹坑受到冲击⾓度的影响。想象⼀下⼀个机械对这⼀个垂直放置的钢板进⾏开⽕。如果我
丸料在零件表⾯上击打出的凹坑受到冲击⾓度的影响。想象⼀下⼀个机械对这⼀个垂直放置的钢板进⾏开⽕。如果我们把钢板以⼀定的⾓度倾斜放置，那么⼦弹击打的效果将会减⼩。这种现象在战⽃坦克的设计中也会⽤到。如果阿尔门试⽚与丸料束流的⾓度不垂直，那么与垂直相⽐其喷丸击打效果也会同样减⼩，进⽽喷丸强度也会减⼩。
丸料的击打会造成零件表⾯的塑性变形，在零件表⾯产⽣压应⼒硬化层，可以提⾼零件的疲劳抵抗能冰晶画设备
⼒。零件的疲劳裂纹只能在拉应⼒的环境中进⾏循环时才能⽣成和长⼤。⼀般外加应⼒在零件的表⾯上是最⼤的，尤其是处于弯曲应⼒的状态时。零件表⾯的残余压应⼒可以减少施加在零件上的拉应⼒。
残余压应⼒之所以在零件表层发挥有效作⽤的原因并不都是显⽽易见的。作为类⽐分析，考虑拿⼀个橡胶套套在⼀个轴上⾯，例如套在⼀个板球板或曲棍球的柄部，那么这个橡胶套是处于拉应⼒的状态。试想如果在这个橡胶套的表⾯划⼀个⼝⼦，那么由于拉应⼒的作⽤这个⼝⼦会发⽣扩展。但是如果这个橡胶套是在压应⼒的状态，那么由于压应⼒的作⽤，这个⼝⼦会发⽣闭合。
UCN-11
喷丸强度可以直接控制残余压应⼒硬化层的厚度。
6 喷丸覆盖率
“喷丸覆盖率”的定义是喷丸后零件表⾯凹坑的⾯积与零件的总表⾯积的⽐值。如果喷丸的量增加，那么覆盖率也会相应的增加。喷丸的量⽐较少，那么覆盖率较低，喷丸的量⽐较多，那么覆盖率会很⾼，如上图所⽰。
为便于对喷丸覆盖率的理解，可以想象⼀下对⼀个⽬标区域进⾏连续投掷。如果⼀个投掷⼿抛出了七个，发⽣爆炸后留下了弹坑，如上图左图所⽰。但是很有可能两个所产⽣的弹坑有
重叠的区域，同样如上图左图所⽰。七个弹坑的总⾯积其实⽐⼀个弹坑的7倍要⼩。当投掷⼿再抛出七个，总的弹坑的⾯积会变⼤，但是仍然会有弹坑重叠的区域。弹坑的总⾯积达到⼀定程度后其增长的速度会越来越慢，这也是“边际效⽤递减规律”的⼀个例⼦。请注意哪怕投掷⼤量以后仍然可能存在⼀些很⼩区域没有被弹坑覆盖。
喷丸标准的制定
喷丸标准制定的合适与否取决于客户或喷丸⼯艺执⾏者对于喷丸知识的了解程度。如果喷丸⼯艺执⾏者仅为⼀个⼈，那么该执⾏者必须承担的责任是对喷丸的基本知识都要了解。如果喷丸⼯艺执⾏者是⼀个团队，包括设计⼯程师，⼯艺⼯程师，电脑专家，在喷丸车间经过培训的员⼯，等等。那么零件所包含的复杂性和价值需要合适的喷丸⼯艺进⾏⽀撑。
在本⽂中罗列出喷丸的⼏个基本要素，并结合喷丸标准制定的复杂性进⾏介绍。以下是喷丸的三⼤要素：
1. 喷丸丸料
2. 喷丸强度
3. 喷丸覆盖率
1 喷丸
丸料
⽬前应⽤最⼴的丸料是铸铁丸、铸钢丸、钢丝切割丸、玻璃丸、陶瓷丸和不锈钢丸。他们都具有以下共同的特征：近球形，⾼硬度，较好的⼀致性以及合理的成本。
丸料的选择通常根据零件的材料来进⾏选择。铁素体钢铁材料的零件通常⽤铸铁丸、铸钢丸或钝化后的钢丝切割丸来进⾏喷丸，因为以上所述的材料都是铁素体。如果对不锈钢的零件使⽤铁素体的丸料进⾏喷丸，零件将会有电化学腐蚀的危险。不同的⾦属和合⾦的电极电位不同，当两种或两种以上的⾦属⼀起接触时，那么⼀种⾦属将会是阴极，另外⼀种⾦属将会是阳极。铝合⾦⾦属零件的硬度较⼩，通常需要玻璃丸或陶瓷丸进⾏喷丸，同时也可以避免发⽣电化学腐蚀的问题。
桁架结构对于丸料的质量和尺⼨的过程控制有严格的规范进⾏规定。使⽤中的丸料由于不断地发⽣撞击⽽导致磨损和形状发⽣改变，丸料状态会发⽣恶化的现象。喷丸后零件的残余应⼒与丸料的尺⼨有直接的联系，因此需要在设备上安装振动筛来控制丸料的尺⼨。丸料直径的尺⼨范围为0.2mm~3.4mm，⼤多数情况下喷丸丸料的直径均在1.0mm以下。
喷丸标准制定者需要决定丸料的尺⼨和类型。
2 喷丸强度
喷丸强度的标准制定对于零件来讲是⾄关重要的。需要标准制定者规定喷丸强度上下限，例如0.20~0.26mmA。之所以喷丸强度是⼀个范围，是因为喷丸强度很难精确控制到⼀个值。喷丸强度的最优选择需要⼤量的试验，包括材料的类型，载荷的类型，零件的厚度等等，所以喷丸强度的选择需要慎重考虑。
丸料束流垂直对零件表⾯的喷丸强度⼤于⾮垂直的情况。喷丸标准制定者经常规定其所需的喷丸强度在制定位置必须进⾏测试，该位置需安装⾓度合适的阿尔门试块（阿尔门试⽚固定器）。对于这些指定位置，喷丸束流的强化效果⼀定要达到。
喷丸后在零件表⾯形成的“神奇”的残余压应⼒硬化层最⾼可达1mm的厚度。有相关的图表描述喷丸强度以及零件材料与残余压应⼒硬化层的厚度的关系。这⾥给出⼀个⽐较粗的公式：残余压应⼒硬化层的厚度是A型喷丸强度的2/3。
对于零件喷丸强度的制定以及优化是⾮常复杂的，因其受到许多因素的影响。早在1958年，Fuchs建议对于⼀般的应⽤情况，喷丸强度0.25~0.35mmA（0.010~0.014英⼨A）是合适的。他同时指出零件厚度、零件材料、零件喷丸前的表⾯状态（是否存在裂纹和凹痕）等等也是喷丸后零件的疲劳寿命的诸多因素。这说明了喷丸强度的优化⼯作需要进⾏全⾯的考虑，即便是考虑了许多相关的因素，也不
⼀定就能确定该喷丸⼯艺是否真的就能提⾼零件的寿命，需要⼤量的实际试验进⾏验证。
3 喷丸覆盖率
喷丸标准制定者必须规定零件喷丸的覆盖率。如果要出零件的最佳覆盖率是多少，只能进⾏⼤量的试验，没有其它更好的⽅法。⽬前关于覆盖率是多少⽐较合适分为两个派别，⼀种派别的观点是覆盖率越⾼越好，由此⽽产⽣了⼀些⽐较模糊的覆盖率的要求，⽐如300%的覆盖率要求（其实就是“100%”覆盖率喷丸时间的3倍）。另外⼀种派别认为⼤多数应⽤的最优的覆盖率不会超过“100%”。
⽬前⼤家公认当覆盖率⾼于98%以后很难再去测量覆盖率到底是多少，因此⽬前⼀致接受的观点就是稍微⼩于100%的覆盖率被认为是“完全覆盖率”。
讨论与结论
本篇⽂章给出了喷丸的⼤致介绍，特别是对喷丸标准制定者必须制定的⼏个喷丸参数做了介绍。本篇⽂章也做了必要地⼀些简化在本篇⽂章不做过多的介绍，现在有⼤量的⽂献介绍参数的变化对喷丸的影响相关的理论和实际的应⽤。
喷丸普遍应⽤在⼤多数的⾦属零件中，主要⽬的是解决零件的过早疲劳失效的问题。同时再强调⼀下，⽬前有⼤量的⽂献介绍喷丸提⾼零件疲劳寿命相关的内容。作为⼀个“附加”的表⾯处理⼯艺，与
改变零件尺⼨和改变零件材料相⽐，喷丸是⼀种更为经济可⾏的⽅法。
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议