2 小孔噴丸加工的工藝特性

1. 選擇微小量級(jí)的丸粒 由于小孔要求細(xì)小密實(shí)的彈丸流束，要求噴頭采用小直徑噴嘴，加之傳統(tǒng)噴射機(jī)件通常要伸入孔內(nèi)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(jí)尺寸的丸粒。對(duì)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(qiáng)度和噴射區(qū)域的不均衡，在工藝上往往要求往復(fù)多次噴擊，逐步達(dá)到強(qiáng)化飽和狀態(tài)，因而要求丸粒硬度適中。如果硬度過(guò)大，會(huì)使局部區(qū)域通過(guò)幾次少量的噴擊就達(dá)到飽和狀態(tài)，造成噴射不均而影響加工的工藝性。所以，對(duì)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(jī)構(gòu)

   
   


3. 采用間接噴射的工藝方式 由于小孔內(nèi)壁噴丸加工的孔徑較小(小于10mm)，無(wú)論噴頭是伸入孔內(nèi)還是在孔外，彈丸噴射流都無(wú)法直接噴擊其內(nèi)表面，一般要通過(guò)間接方式改變噴流方向(圖1)。被改向的彈丸流會(huì)形成散射狀，不同的噴射機(jī)構(gòu)散射的形狀也不同，該特性增加了小孔噴丸強(qiáng)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(duì)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(guò)高，否則通過(guò)反射頭改向的丸粒會(huì)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

圖2 圓錐型反射頭



1. 錐型反射頭 錐型反射頭見(jiàn)圖2，通常其圓錐面與底圓的夾角應(yīng)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(nèi)壁，理論上形成一個(gè)圓盤(pán)。當(dāng)被加工件的孔徑較小時(shí)，它排泄丸粒比較困難，尤其是反射頭對(duì)著彈丸流逆向運(yùn)動(dòng)時(shí)容易卡丸。所以當(dāng)被加工件的孔徑較小時(shí)，可適當(dāng)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(nèi)壁的間隙(∆x/2)與彈丸直徑r的關(guān)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(nèi)凹圓弧形，見(jiàn)圖3。當(dāng)彈丸流打在內(nèi)凹圓弧形的反射面后向四周散射撞擊孔內(nèi)壁，理論上也形成一個(gè)圓盤(pán)。但實(shí)驗(yàn)表明，由于內(nèi)凹圓弧面的聚集作用，撞擊孔壁的彈丸相對(duì)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(shí)，其內(nèi)凹圓弧的圓心選擇在孔內(nèi)壁上，見(jiàn)圖3。根據(jù)平面幾何原理，內(nèi)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(wèn)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(dá)到反射型面的工藝要求，且會(huì)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(yùn)動(dòng)外，還需繞自身的軸心旋轉(zhuǎn)，即呈螺旋上下運(yùn)動(dòng)。

4 小孔噴丸加工的工藝控制模式

1. “噴頭與反射頭同步往復(fù)勻速運(yùn)動(dòng)，噴流強(qiáng)度恒定”的控制模式為了保證工件強(qiáng)化區(qū)域工藝效果的一致性，彈丸流對(duì)孔內(nèi)壁的噴擊強(qiáng)度不能變化太大，因而在設(shè)計(jì)上要求彈丸流從噴頭到孔內(nèi)壁的噴射距離不變，故采用“噴流強(qiáng)度恒定，噴頭與反射頭同步往復(fù)勻速運(yùn)動(dòng)”的工藝控制模式，見(jiàn)圖5a。這種方式的特點(diǎn)是，其它工藝參數(shù)的控制比較簡(jiǎn)單，噴丸強(qiáng)化的工藝一致性好，但噴頭與反射頭的同步機(jī)構(gòu)使噴射系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與控制都非常復(fù)雜。由于噴頭要伸入加工孔內(nèi)，這種工藝控制模式適用于對(duì)孔徑比較大的孔內(nèi)壁進(jìn)行強(qiáng)化處理。
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   

   	(a)噴頭與反射頭同步勻速運(yùn)動(dòng)	(b)噴頭固定，反射頭勻速運(yùn)動(dòng)	(c)噴頭固定，反射頭勻速運(yùn)動(dòng)，，噴流強(qiáng)度變化
   圖5 噴頭與反射頭耦合運(yùn)動(dòng)的工藝控制示意圖

   
   


2. “固定噴頭，反射頭往復(fù)勻速運(yùn)動(dòng)，噴流強(qiáng)度恒定”的控制模式為了簡(jiǎn)化機(jī)械結(jié)構(gòu)和機(jī)構(gòu)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(fù)運(yùn)動(dòng)，噴流強(qiáng)度恒定”的工藝控制模式，見(jiàn)圖5b。它的特點(diǎn)是噴射系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，容易進(jìn)行控制：缺點(diǎn)是強(qiáng)化工藝的一致性較差，即當(dāng)反射頭接近噴頭時(shí)，彈丸流噴擊孔內(nèi)壁的強(qiáng)度大，反射頭遠(yuǎn)離噴頭時(shí)，彈丸流噴擊孔內(nèi)壁的強(qiáng)度小，從而導(dǎo)致孔內(nèi)壁全程強(qiáng)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(nèi)壁的強(qiáng)化處理。


3. “固定噴頭，反射頭往復(fù)變速運(yùn)動(dòng)，噴流強(qiáng)度變化”的控制模式這種工藝控制方案(見(jiàn)圖5c)是通過(guò)不斷改變彈丸流的噴射強(qiáng)度，即控制噴流強(qiáng)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(diǎn)。其特點(diǎn)是機(jī)械結(jié)構(gòu)及其運(yùn)動(dòng)控制比較簡(jiǎn)單，但對(duì)于不同的工件材質(zhì)和不同的反射頭行程，當(dāng)反射頭接近或離開(kāi)噴頭時(shí)，其彈丸噴流強(qiáng)度的變化規(guī)律極不容易掌握，試噴的時(shí)間比較長(zhǎng)，使加工成本增加。這種模式適用于批量生產(chǎn)的場(chǎng)合。


4. “固定噴頭，反射頭往復(fù)變速運(yùn)動(dòng)，噴流強(qiáng)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(nèi)壁強(qiáng)化處理的工藝要求。它根據(jù)反射頭接近或離開(kāi)噴頭的距離變化來(lái)控制反射頭的運(yùn)動(dòng)速度隨之變化。當(dāng)反射頭靠近噴頭時(shí)，因彈丸噴流強(qiáng)度增大，要求反射頭的運(yùn)動(dòng)速度加快，使噴擊的時(shí)間較短：當(dāng)反射頭離開(kāi)噴頭時(shí)，因彈丸噴流的強(qiáng)度相對(duì)變小，則要求反射頭運(yùn)動(dòng)速度相對(duì)較慢，使彈丸噴擊的時(shí)間相對(duì)延長(zhǎng)，從而在整體上達(dá)到噴擊強(qiáng)度的平衡。這種單一的反射往復(fù)運(yùn)動(dòng)的速度控制與“反射頭運(yùn)動(dòng)速度與噴流強(qiáng)度的協(xié)調(diào)控制”相比，不僅在結(jié)構(gòu)上簡(jiǎn)單得多，而且容易掌握不同行程的控制規(guī)律。