小孔内壁喷丸强化处理的工艺特性
1 前言喷丸处理作为一种提高金属零件的疲劳强度、改善工件表面机械性能的加工工艺，已经有几十年的历史了。上，像美、日等一些发达国家使用喷丸加工设备比较早而普遍，其喷丸强化技术和设备也发展得比较成熟。然而，与常规喷丸加工技术相比，小孔喷丸强化技术的发展相对缓慢得多。由于小孔喷丸加工的工艺复杂，所要求的自动化程度高，其加工设备是一个集信息技术、电子技术、自动化技术、制造技术于一体的高技术系统，加上少数国家对该项技术实行高度保密，因而一直未能得到推广应用，美、日等少数国家也仅仅应用于航空、舰船和枪炮等军工领域，对我国来说还是空白。随着航空、航天、汽车和军工等制造业对其关键零部件机械性能的要求不断提高，喷丸强化技术正在从简单型体零件的应用向复杂型面及型腔零件的应用，从简单控制向高性能数控方面发展，这对小孔喷丸加工及其设备的研究提出了更加迫切的要求。2 小孔喷丸加工的工艺特性小孔喷丸强化处理的机械特性与普通工件外表面或大口径型腔内表面喷丸强化处理的机械特性并无本质的差异，但实现其强化所要求的机械特性的工艺方式和工艺过程，即工艺特性却有很大的不同，主要表现在以下几个方面: 选择微小量级的丸粒 由于小孔要求细小密实的弹丸流束，要求喷头采用小直径喷嘴，加之传统喷射机件通常要伸入孔内工作，要求能通畅地喷射弹丸，因此小孔喷丸加工必须选用微小量级尺寸的丸粒。对于孔径小于10mm的工件，其丸粒直径通常不大于0.5mm。 采用中等硬度的铸钢丸粒 由于喷射强度和喷射区域的不均衡，在工艺上往往要求往复多次喷击，逐步达到强化饱和状态，因而要求丸粒硬度适中。如果硬度过大，会使局部区域通过几次少量的喷击就达到饱和状态，造成喷射不均而影响加工的工艺性。所以，对于小孔喷丸加工，一般选用中等硬度的铸钢磨粒。
（a）联体式喷头
（b）分离式喷头
图1 小孔喷丸喷流反射机构
采用间接喷射的工艺方式 由于小孔内壁喷丸加工的孔径较小（小于10mm），无论喷头是伸入孔内还是在孔外，弹丸喷射流都无法直接喷击其内表面，一般要通过间接方式改变喷流方向（图1）。被改向的弹丸流会形成散射状，不同的喷射机构散射的形状也不同，该特性增加了小孔喷丸强化工艺控制的难度。 要求较高的混丸比 与弹丸流束直接喷击相比较，由于弹丸流改向所形成的散射，在同等喷速下单位受喷区域接受喷击丸粒的数量相对较少，这在工艺上就要求在喷射液流或喷射气流中增加混丸比例。但混丸的比例又不能过高，否则通过反射头改向的丸粒会因密度增大互相撞击而降低效率。3 小孔喷丸加工的喷射方式小孔喷丸加工的工艺控制与弹丸的喷射方式密切相关，不同的喷射方式决定不同的工艺控制方案，也决定喷射系统的结构和控制模式。因此，小孔喷丸加工的工艺特性决定了弹丸流的喷射方式要求采用间接喷射方式，它是由喷流反射机构来实现的，见图1。反射机构的关键部件是反射头，通常有两种结构:一种是喷头与反射头联为一体的结构（图1a）：另一种是喷头与反射头相分离的结构（图1b）。由于联体式喷头的结构较大，适用于对孔径较大的内壁进行喷丸加工的场合：而对孔径小于10mm 的微小孔内壁进行喷丸加工，宜采用喷头与反射头分离的结构模式。本文主要针对微小孔内壁的喷丸强化加工，研究分离式喷头的结构模式、喷射方式及其喷射工艺的控制模式。 对于分离式结构，由于反射头的型面不同，会使弹丸流形成不同的散射状，其工艺效果也不一样，可见对反射头的设计研究是实施喷丸强化处理工艺的前提和基础。为此，提出以下几种反射头的型面设计。
图2 圆锥型反射头
锥型反射头 锥型反射头见图2，通常其圆锥面与底圆的夹角应呈现45°角。弹丸流打在锥形反射头后向四周散射撞击孔内壁，理论上形成一个圆盘。当被加工件的孔径较小时，它排泄丸粒比较困难，尤其是反射头对着弹丸流逆向运动时容易卡丸。所以当被加工件的孔径较小时，可适当增大圆锥面与底圆的夹角。为了便于弹丸的排泄，反射头外壁与孔内壁的间隙（?x/2）与弹丸直径r的关系为 ?x=（3～6）r 圆弧型反射头 圆弧型反射头的反射面呈内凹圆弧形，见图3。当弹丸流打在内凹圆弧形的反射面后向四周散射撞击孔内壁，理论上也形成一个圆盘。但实验表明，由于内凹圆弧面的聚集作用，撞击孔壁的弹丸相对集中，使弹丸喷击的效率大大提高。根据光的聚焦原理，反射头置于工件孔心时，其内凹圆弧的圆心选择在孔内壁上，见图3。根据平面几何原理，内凹圆弧的半径为 r=[（1+?x/2）2+（?x/2）2]?=（12+?x+?x2/2）?
图3 圆弧型反射头
图4 斜平面反射头
斜平面反射头 前两种类型的反射头均不同程度地存在弹丸的排泄问题。如果被加工孔的孔径较小，为了能通畅地排泄弹丸，必然要限制反射头的轴径。如果反射头的轴径太小，其工作面就不能达到反射型面的工艺要求，且会影响反射轴的刚性。为此，我们提出了一种如图4 所示的单向斜面反射头。这种反射头的反射面呈45° 角的斜面，弹丸流撞击反射头的倾斜面改向后，单向撞击孔壁。这种类型的反射头除了上下运动外，还需绕自身的轴心旋转，即呈螺旋上下运动。4 小孔喷丸加工的工艺控制模式根据小孔喷丸加工控制的基本原理，工艺控制主要是将其主要的工艺参数（如气压、喷速、混丸比、喷击时间、喷击次数等）控制转换为对喷射系统的运动控制，我们提出了采用“喷头与反射头耦合运动”的控制模式来实施其工艺控制的思路，即采用“喷头+ 反射头→耦合运动”的模式。其耦合方式有以下几种方案。 “喷头与反射头同步往复匀速运动，喷流强度恒定”的控制模式为了保证工件强化区域工艺效果的一致性，弹丸流对孔内壁的喷击强度不能变化太大，因而在设计上要求弹丸流从喷头到孔内壁的喷射距离不变，故采用“喷流强度恒定，喷头与反射头同步往复匀速运动”的工艺控制模式，见图。这种方式的特点是，其它工艺参数的控制比较简单，喷丸强化的工艺一致性好，但喷头与反射头的同步机构使喷射系统的结构与控制都非常复杂。由于喷头要伸入加工孔内，这种工艺控制模式适用于对孔径比较大的孔内壁进行强化处理。
（a）喷头与反射头同步匀速运动
（b）喷头固定，反射头匀速运动
（c）喷头固定，反射头匀速运动，，喷流强度变化
图5 喷头与反射头耦合运动的工艺控制示意图
“固定喷头，反射头往复匀速运动，喷流强度恒定”的控制模式为了简化机械结构和机构控制系统，大都采用固定喷射方式，即采用“固定喷头，反射头往复运动，喷流强度恒定”的工艺控制模式，见图5b。它的特点是喷射系统的机械结构比较简单，容易进行控制：缺点是强化工艺的一致性较差，即当反射头接近喷头时，弹丸流喷击孔内壁的强度大，反射头远离喷头时，弹丸流喷击孔内壁的强度小，从而导致孔内壁全程强化的一致性较差。因此，这种工艺控制方式用于孔深较浅短的小孔内壁的强化处理。 “固定喷头，反射头往复变速运动，喷流强度变化”的控制模式这种工艺控制方案（见图5c）是通过不断改变弹丸流的喷射强度，即控制喷流强度随反射头与喷头之间的距离变化而变化，以克服上述第二种控制模式工艺一致性较差的缺点。其特点是机械结构及其运动控制比较简单，但对于不同的工件材质和不同的反射头行程，当反射头接近或离开喷头时，其弹丸喷流强度的变化规律极不容易掌握，试喷的时间比较长，使加工成本增加。这种模式适用于批量生产的场合。 “固定喷头，反射头往复变速运动，喷流强度恒定”的控制模式这种模式综合了上述第二和第三种方案，克服了上述三种方案的弊端，基本上能够满足微小深孔内壁强化处理的工艺要求。它根据反射头接近或离开喷头的距离变化来控制反射头的运动速度随之变化。当反射头靠近喷头时，因弹丸喷流强度增大，要求反射头的运动速度加快，使喷击的时间较短：当反射头离开喷头时，因弹丸喷流的强度相对变小，则要求反射头运动速度相对较慢，使弹丸喷击的时间相对延长，从而在整体上达到喷击强度的平衡。这种单一的反射往复运动的速度控制与“反射头运动速度与喷流强度的协调控制”相比，不仅在结构上简单得多，而且容易掌握不同行程的控制规律。
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采用间接喷射的工艺方式 由于小孔内壁喷丸加工的孔径较小（小于10mm），无论喷头是伸入孔内还是在孔外，弹丸喷射流都无法直接喷击其内表面，一般要通过间接方式改变喷流方向（图1）。被改向的弹丸流会形成散射状，不同的喷射机构散射的形状也不同，该特性增加了小孔喷丸强化工艺控制的难度。 要求较高的混丸比 与弹丸流束直接喷击相比较，由于弹丸流改向所形成的散射，在同等喷速下单位受喷区域接受喷击丸粒的数量相对较少，这在工艺上就要求在喷射液流或喷射气流中增加混丸比例。但混丸的比例又不能过高，否则通过反射头改向的丸粒会因密度增大互相撞击而降低效率。3 小孔喷丸加工的喷射方式小孔喷丸加工的工艺控制与弹丸的喷射方式密切相关，不同的喷射方式决定不同的工艺控制方案，也决定喷射系统的结构和控制模式。因此，小孔喷丸加工的工艺特性决定了弹丸流的喷射方式要求采用间接喷射方式，它是由喷流反射机构来实现的，见图1。反射机构的关键部件是反射头，通常有两种结构:一种是喷头与反射头联为一体的结构（图1a）：另一种是喷头与反射头相分离的结构（图1b）。由于联体式喷头的结构较大，适用于对孔径较大的内壁进行喷丸加工的场合：而对孔径小于10mm 的微小孔内壁进行喷丸加工，宜采用喷头与反射头分离的结构模式。本文主要针对微小孔内壁的喷丸强化加工，研究分离式喷头的结构模式、喷射方式及其喷射工艺的控制模式。 对于分离式结构，由于反射头的型面不同，会使弹丸流形成不同的散射状，其工艺效果也不一样，可见对反射头的设计研究是实施喷丸强化处理工艺的前提和基础。为此，提出以下几种反射头的型面设计。
图2 圆锥型反射头
锥型反射头 锥型反射头见图2，通常其圆锥面与底圆的夹角应呈现45°角。弹丸流打在锥形反射头后向四周散射撞击孔内壁，理论上形成一个圆盘。当被加工件的孔径较小时，它排泄丸粒比较困难，尤其是反射头对着弹丸流逆向运动时容易卡丸。所以当被加工件的孔径较小时，可适当增大圆锥面与底圆的夹角。为了便于弹丸的排泄，反射头外壁与孔内壁的间隙（?x/2）与弹丸直径r的关系为 ?x=（3～6）r 圆弧型反射头 圆弧型反射头的反射面呈内凹圆弧形，见图3。当弹丸流打在内凹圆弧形的反射面后向四周散射撞击孔内壁，理论上也形成一个圆盘。但实验表明，由于内凹圆弧面的聚集作用，撞击孔壁的弹丸相对集中，使弹丸喷击的效率大大提高。根据光的聚焦原理，反射头置于工件孔心时，其内凹圆弧的圆心选择在孔内壁上，见图3。根据平面几何原理，内凹圆弧的半径为 r=[（1+?x/2）2+（?x/2）2]?=（12+?x+?x2/2）?
图3 圆弧型反射头
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