小孔噴丸加工的工藝特性及其加工控制研究

發(fā)布日期：2012-11-18    蘭生客服中心    瀏覽：2708

1 前言


噴丸處理作為一種提高金屬零件的疲勞強度、改善工件表面機械性能的加工工藝，已經有幾十年的歷史了。國際上，像美、日等一些發(fā)達國家使用噴丸加工設備比較早而普遍，其噴丸強化技術和設備也發(fā)展得比較成熟。然而，與常規(guī)噴丸加工技術相比，小孔噴丸強化技術的發(fā)展相對緩慢得多。由于小孔噴丸加工的工藝復雜，所要求的自動化程度高，其加工設備是一個集信息技術、電子技術、自動化技術、制造技術于一體的高技術系統(tǒng)，加上少數(shù)國家對該項技術實行高度保密，因而一直未能得到推廣應用，美、日等少數(shù)國家也僅僅應用于航空、艦船和槍炮等軍工領域，對我國來說還是空白。隨著航空、航天、汽車和軍工等制造業(yè)對其關鍵零部件機械性能的要求不斷提高，噴丸強化技術正在從簡單型體零件的應用向復雜型面及型腔零件的應用，從簡單控制向高性能數(shù)控方面發(fā)展，這對小孔噴丸加工及其設備的研究提出了更加迫切的要求。

2 小孔噴丸加工的工藝特性


小孔噴丸強化處理的機械特性與普通工件外表面或大口徑型腔內表面噴丸強化處理的機械特性并無本質的差異，但實現(xiàn)其強化所要求的機械特性的工藝方式和工藝過程，即工藝特性卻有很大的不同，主要表現(xiàn)在以下幾個方面:

  1. 選擇微小量級的丸粒 由于小孔要求細小密實的彈丸流束，要求噴頭采用小直徑噴嘴，加之傳統(tǒng)噴射機件通常要伸入孔內工作，要求能通暢地噴射彈丸，因此小孔噴丸加工必須選用微小量級尺寸的丸粒。對于孔徑小于10mm的工件，其丸粒直徑通常不大于0.5mm。

  2. 采用中等硬度的鑄鋼丸粒 由于噴射強度和噴射區(qū)域的不均衡，在工藝上往往要求往復多次噴擊，逐步達到強化飽和狀態(tài)，因而要求丸粒硬度適中。如果硬度過大，會使局部區(qū)域通過幾次少量的噴擊就達到飽和狀態(tài)，造成噴射不均而影響加工的工藝性。所以，對于小孔噴丸加工，一般選用中等硬度的鑄鋼磨粒。










    (a)聯(lián)體式噴頭

    (b)分離式噴頭
    圖1 小孔噴丸噴流反射機構


  3. 采用間接噴射的工藝方式 由于小孔內壁噴丸加工的孔徑較小(小于10mm)，無論噴頭是伸入孔內還是在孔外，彈丸噴射流都無法直接噴擊其內表面，一般要通過間接方式改變噴流方向(圖1)。被改向的彈丸流會形成散射狀，不同的噴射機構散射的形狀也不同，該特性增加了小孔噴丸強化工藝控制的難度。

  4. 要求較高的混丸比 與彈丸流束直接噴擊相比較，由于彈丸流改向所形成的散射，在同等噴速下單位受噴區(qū)域接受噴擊丸粒的數(shù)量相對較少，這在工藝上就要求在噴射液流或噴射氣流中增加混丸比例。但混丸的比例又不能過高，否則通過反射頭改向的丸粒會因密度增大互相撞擊而降低效率。


3 小孔噴丸加工的噴射方式


小孔噴丸加工的工藝控制與彈丸的噴射方式密切相關，不同的噴射方式決定不同的工藝控制方案，也決定噴射系統(tǒng)的結構和控制模式。因此，小孔噴丸加工的工藝特性決定了彈丸流的噴射方式要求采用間接噴射方式，它是由噴流反射機構來實現(xiàn)的，見圖1。反射機構的關鍵部件是反射頭，通常有兩種結構:一種是噴頭與反射頭聯(lián)為一體的結構(圖1a)：另一種是噴頭與反射頭相分離的結構(圖1b)。由于聯(lián)體式噴頭的結構較大，適用于對孔徑較大的內壁進行噴丸加工的場合：而對孔徑小于10mm 的微小孔內壁進行噴丸加工，宜采用噴頭與反射頭分離的結構模式。本文主要針對微小孔內壁的噴丸強化加工，研究分離式噴頭的結構模式、噴射方式及其噴射工藝的控制模式。
對于分離式結構，由于反射頭的型面不同，會使彈丸流形成不同的散射狀，其工藝效果也不一樣，可見對反射頭的設計研究是實施噴丸強化處理工藝的前提和基礎。為此，提出以下幾種反射頭的型面設計。







    圖2 圓錐型反射頭

  1. 錐型反射頭 錐型反射頭見圖2，通常其圓錐面與底圓的夾角應呈現(xiàn)45°角。彈丸流打在錐形反射頭后向四周散射撞擊孔內壁，理論上形成一個圓盤。當被加工件的孔徑較小時，它排泄丸粒比較困難，尤其是反射頭對著彈丸流逆向運動時容易卡丸。所以當被加工件的孔徑較小時，可適當增大圓錐面與底圓的夾角。為了便于彈丸的排泄，反射頭外壁與孔內壁的間隙(∆x/2)與彈丸直徑r的關系為
    ∆x=(3～6)r

  2. 圓弧型反射頭 圓弧型反射頭的反射面呈內凹圓弧形，見圖3。當彈丸流打在內凹圓弧形的反射面后向四周散射撞擊孔內壁，理論上也形成一個圓盤。但實驗表明，由于內凹圓弧面的聚集作用，撞擊孔壁的彈丸相對集中，使彈丸噴擊的效率大大提高。根據(jù)光的聚焦原理，反射頭置于工件孔心時，其內凹圓弧的圓心選擇在孔內壁上，見圖3。根據(jù)平面幾何原理，內凹圓弧的半徑為
    R=[(1+∆x/2)2+(∆x/2)2]½=(12+∆x+∆x2/2)½








    圖3 圓弧型反射頭

    圖4 斜平面反射頭


  3. 斜平面反射頭 前兩種類型的反射頭均不同程度地存在彈丸的排泄問題。如果被加工孔的孔徑較小，為了能通暢地排泄彈丸，必然要限制反射頭的軸徑。如果反射頭的軸徑太小，其工作面就不能達到反射型面的工藝要求，且會影響反射軸的剛性。為此，我們提出了一種如圖4 所示的單向斜面反射頭。這種反射頭的反射面呈45° 角的斜面，彈丸流撞擊反射頭的傾斜面改向后，單向撞擊孔壁。這種類型的反射頭除了上下運動外，還需繞自身的軸心旋轉，即呈螺旋上下運動。


4 小孔噴丸加工的工藝控制模式


根據(jù)小孔噴丸加工控制的基本原理，工藝控制主要是將其主要的工藝參數(shù)(如氣壓、噴速、混丸比、噴擊時間、噴擊次數(shù)等)控制轉換為對噴射系統(tǒng)的運動控制，我們提出了采用“噴頭與反射頭耦合運動”的控制模式來實施其工藝控制的思路，即采用“噴頭+ 反射頭→耦合運動”的模式。其耦合方式有以下幾種方案。

  1. “噴頭與反射頭同步往復勻速運動，噴流強度恒定”的控制模式為了保證工件強化區(qū)域工藝效果的一致性，彈丸流對孔內壁的噴擊強度不能變化太大，因而在設計上要求彈丸流從噴頭到孔內壁的噴射距離不變，故采用“噴流強度恒定，噴頭與反射頭同步往復勻速運動”的工藝控制模式，見圖5a。這種方式的特點是，其它工藝參數(shù)的控制比較簡單，噴丸強化的工藝一致性好，但噴頭與反射頭的同步機構使噴射系統(tǒng)的結構與控制都非常復雜。由于噴頭要伸入加工孔內，這種工藝控制模式適用于對孔徑比較大的孔內壁進行強化處理。












    (a)噴頭與反射頭同步勻速運動

    (b)噴頭固定，反射頭勻速運動

    (c)噴頭固定，反射頭勻速運動，，噴流強度變化
    圖5 噴頭與反射頭耦合運動的工藝控制示意圖


  2. “固定噴頭，反射頭往復勻速運動，噴流強度恒定”的控制模式為了簡化機械結構和機構控制系統(tǒng)，大都采用固定噴射方式，即采用“固定噴頭，反射頭往復運動，噴流強度恒定”的工藝控制模式，見圖5b。它的特點是噴射系統(tǒng)的機械結構比較簡單，容易進行控制：缺點是強化工藝的一致性較差，即當反射頭接近噴頭時，彈丸流噴擊孔內壁的強度大，反射頭遠離噴頭時，彈丸流噴擊孔內壁的強度小，從而導致孔內壁全程強化的一致性較差。因此，這種工藝控制方式用于孔深較淺短的小孔內壁的強化處理。

  3. “固定噴頭，反射頭往復變速運動，噴流強度變化”的控制模式這種工藝控制方案(見圖5c)是通過不斷改變彈丸流的噴射強度，即控制噴流強度隨反射頭與噴頭之間的距離變化而變化，以克服上述第二種控制模式工藝一致性較差的缺點。其特點是機械結構及其運動控制比較簡單，但對于不同的工件材質和不同的反射頭行程，當反射頭接近或離開噴頭時，其彈丸噴流強度的變化規(guī)律極不容易掌握，試噴的時間比較長，使加工成本增加。這種模式適用于批量生產的場合。

  4. “固定噴頭，反射頭往復變速運動，噴流強度恒定”的控制模式這種模式綜合了上述第二和第三種方案，克服了上述三種方案的弊端，基本上能夠滿足微小深孔內壁強化處理的工藝要求。它根據(jù)反射頭接近或離開噴頭的距離變化來控制反射頭的運動速度隨之變化。當反射頭靠近噴頭時，因彈丸噴流強度增大，要求反射頭的運動速度加快，使噴擊的時間較短：當反射頭離開噴頭時，因彈丸噴流的強度相對變小，則要求反射頭運動速度相對較慢，使彈丸噴擊的時間相對延長，從而在整體上達到噴擊強度的平衡。這種單一的反射往復運動的速度控制與“反射頭運動速度與噴流強度的協(xié)調控制”相比，不僅在結構上簡單得多，而且容易掌握不同行程的控制規(guī)律。