引 言                                                                                                    

    水噴強(qiáng)化和水噴丸強(qiáng)化的共同特征就是均使用了水流。但是，兩種工藝是有著明顯差異的。水噴強(qiáng)化需要對(duì)零件施加一個(gè)足夠高的直接壓力使得零件表面產(chǎn)生塑性變形。而水流噴丸是使用水流中夾帶的高速運(yùn)動(dòng)的丸料來沖擊零件的表面，進(jìn)而使得零件表面產(chǎn)生塑性變形。圖1和圖2說明了兩種強(qiáng)化工藝的差異。

    水噴強(qiáng)化的噴嘴中鑲有寶石，目的是保證足夠的抗磨損性能。對(duì)于水流噴丸工藝，比較重要的是要保證水流的連貫性，而不能出現(xiàn)水流分叉的現(xiàn)象。

圖1.水噴強(qiáng)化的圖解

圖2. 水噴丸強(qiáng)化的圖解

    對(duì)于水噴丸強(qiáng)化，丸料被加入到速度低許多（相較于水噴強(qiáng)化）的水流中。丸料被水流加速，進(jìn)而沖擊零件表面，然后被彈回。

    本篇文章將對(duì)上述兩種工藝分別進(jìn)行介紹，使用相同的分析方法包括壓力、力以及功率等進(jìn)行討論。

水噴強(qiáng)化

    水噴強(qiáng)化的基本要求就是水流導(dǎo)入的壓力要高于零件的屈服壓力強(qiáng)度。當(dāng)進(jìn)入到噴嘴時(shí)，水流會(huì)被施以巨大的壓力。如果水流分叉，那么其速度將會(huì)下降。水作為一種液體是不可被壓縮的。這就意味著其與空氣流的特征是不同的。

水流速度

    水流的速度V可以使用以下公式進(jìn)行計(jì)算：

    V=44.721*P0.5                       （1）

    當(dāng)水流的速度V的單位為m/s時(shí)，那么施加在噴嘴中的壓力P的單位為MPa。

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

    當(dāng)采用英制單位時(shí)，公式（1）變成：

    V=377.56*P0.5                     （2）

    當(dāng)水流的速度V的單位為ft/s時(shí)，那么施加在噴嘴中的壓力P的單位為kpsi。

    公式（1）和公式（2）可以簡(jiǎn)化為經(jīng)典的流體力學(xué)的公式，即：

    v=0.98（2*P/ρ）0.5

    其中ρ為水的密度，對(duì)于公式（1），ρ為1000kg/m3，P的單位為Pa。

    通過公式（1）可以根據(jù)不同的已知壓力繪制成圖3。因?yàn)閴毫ι婕暗姆秶艽螅赃x擇了對(duì)數(shù)坐標(biāo)。水流的速度可以大致地分為低、高和超高三個(gè)等級(jí)。在水噴強(qiáng)化工藝中，水流的速度是超高的。

圖3 所施加的壓力對(duì)水流速度的影響

水流噴丸中的水流對(duì)零件所施加的壓力

    在水噴強(qiáng)化中，水流在零件表面所施加的壓力PW是關(guān)鍵的參數(shù)。如果知道水的密度和水流在打擊時(shí)的速度，那么該壓力可以很容易地計(jì)算出來。下述公式在水噴強(qiáng)化中是非常重要的：

    PW=ρW*vW2                    （3）

    其中PW是水流以90°的角度沖擊零件表面所施加的壓力，單位為Pa。ρW是水的密度，單位是kg/m3。vW是水流沖擊零件表面時(shí)的速度，單位為m/s。

    總之，水噴強(qiáng)化過程中，水流的沖擊壓力是水的密度與水流速度平方的乘積。

    水噴強(qiáng)化所依賴的是水流導(dǎo)入的壓力要高于零件的屈服壓縮強(qiáng)度。根據(jù)金屬加工的理論，材料的屈服壓縮強(qiáng)度是屈服拉伸強(qiáng)度的1.155倍。對(duì)于水噴強(qiáng)化，水的密度為1000 kg/m3。因此公式（3）可以簡(jiǎn)化為：

    PW=1000*vW2                    （4）

    在大氣氣壓下，空氣的密度為1.225 kg.m-3。這就意味著在同樣速度下，水流所施加的壓力是氣流的800倍左右。理解水流施加的壓力的關(guān)鍵就是其與水流速度的平方成正比。圖4為水流施加的壓力與速度之間的關(guān)系圖。材料的屈服強(qiáng)度也在圖中的縱坐標(biāo)上給出了。

圖4. 水流的速度對(duì)沖擊壓力以及材料屈服強(qiáng)度的影響

    水流的速度一定要達(dá)到相當(dāng)高的水平才能產(chǎn)生足夠大的沖擊壓力來超過零件的屈服強(qiáng)度。在圖4中，金屬材料被大致分為三組，分別為硬質(zhì)合金、半硬鋼和軟金屬。通常所噴的最軟的金屬是鋁合金，此時(shí)水噴強(qiáng)化所需的水流最小速度為300m/s。在軟金屬范圍的頂部對(duì)應(yīng)的是半硬鋼，此時(shí)水噴強(qiáng)化所需的水流最小速度為800m/s。對(duì)于比不銹鋼更硬的金屬進(jìn)行水噴強(qiáng)化時(shí)，所需要的水流速度需要更快。

    在流體力學(xué)中比較有趣的一個(gè)結(jié)論就是，一個(gè)連續(xù)的水流的沖擊壓力大約是施加于噴嘴的壓力的兩倍。

    如前文所述，水流在離開噴嘴后既不會(huì)分叉，也不會(huì)收斂。與空氣不同，水具有“表面張力”。表面張力可以使水（無論是水滴的形式還是水流的形式）努力保持以及最小化其表面積。因此，一束水流總是試圖保持其形狀。噴嘴的設(shè)計(jì)以及材料在保證水流不分叉方面起著非常重要的作用。試想一下，如果水流在打擊零件表面時(shí)的直徑變大成從噴嘴剛噴出時(shí)的兩倍，其打擊力會(huì)減少為不變大的狀態(tài)的四分之一（直徑變大兩倍，那么橫截面積會(huì)變大四倍）。

水流的功率

    一束高速運(yùn)動(dòng)的水流具有非常大的功率。可以使用以下的公式進(jìn)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是水流離開噴嘴后的橫截面積。

    例如，一束水流的運(yùn)動(dòng)速度為1000m/s，其橫截面積為10mm2，那么代入上述公式可得其功率為5000千瓦。

水流的能量

    水流具有動(dòng)能，表達(dá)式為1/2mv2，其中，m表示質(zhì)量，v表示速度。在水流撞擊固體目標(biāo)物之前，其能量可以容易地被估算。

    例子：假設(shè)存在如圖5所示的情形。一個(gè)長(zhǎng)度為10厘米的水流，其橫截面為0.1cm2，那么其體積可以精確地計(jì)算出為1立方厘米。水的密度為1g/cm3，所以該長(zhǎng)度水流的質(zhì)量為1g。如果該段水流的速度為1000m/s，那么其動(dòng)能為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。

圖5. 假想的一束特定水流的尺寸

水流能量的轉(zhuǎn)化

    當(dāng)一束水流沖擊零件表面后，其能量的分布方式一定會(huì)出現(xiàn)變化。如圖1所示，當(dāng)一束水流沖擊一個(gè)平板時(shí)，其向前的動(dòng)能會(huì)完全地消失，水流的運(yùn)動(dòng)方向也會(huì)轉(zhuǎn)變90°。有一些能量會(huì)存在于橫向（平行于零件表面的方向）流動(dòng)的水流中。如果假設(shè)水流的大部分動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能，那么與零件接觸的水流部分將會(huì)變得非常地?zé)幔踔劣诔霈F(xiàn)沸騰的狀態(tài)。文獻(xiàn)中已經(jīng)有一些報(bào)告指出，水流強(qiáng)化可以產(chǎn)生蒸汽云。

    例子：假設(shè)在上述的示例中，沖擊前水流的溫度為10℃，總能量120卡路里中的10卡路里存在于橫向流動(dòng)的水流中。如果把水從10℃加熱到沸點(diǎn)100℃，需要90卡路里。剩余的20卡路里將會(huì)消耗在產(chǎn)生蒸汽的過程中。

    我們有理論依據(jù)認(rèn)為水流的動(dòng)能轉(zhuǎn)變成熱能是不一致的。最高的動(dòng)量變化率將出現(xiàn)在水流的軸向方向。因此，可以認(rèn)為在軸向方向，更多的動(dòng)能會(huì)轉(zhuǎn)變成熱能。圖6為該能量轉(zhuǎn)化機(jī)理的示意圖。

    水流中少量的能量將會(huì)消耗在噴走材料表面破碎的氧化物的過程中。

圖6. 在水噴強(qiáng)化過程中，能量轉(zhuǎn)化機(jī)理的示意圖

水噴丸強(qiáng)化

    水噴丸強(qiáng)化的基本特征如圖2所示。從本質(zhì)上講，高速運(yùn)動(dòng)的水流被用來把丸料加速到一個(gè)相當(dāng)高的速度，進(jìn)而使零件表面產(chǎn)生塑性變形。水的密度要比空氣大的多，因此可以很容易地對(duì)丸料產(chǎn)生加速的作用。

水流的速度

    在第十期的文章中已經(jīng)介紹了計(jì)算計(jì)算丸流速度的相關(guān)理論和等式。水噴丸強(qiáng)化與空氣噴丸強(qiáng)化的唯一顯著不同點(diǎn)就是所使用的加速流體的密度不同。水的密度為1000kgs/m3，比空氣的密度要高得多。在10個(gè)大氣壓下，空氣的密度也才為12kgs/m3。

    水噴丸強(qiáng)化中丸料的速度VS取決于以下幾個(gè)因素：

    （1）水流的速度，VJ；

    （2）阻力系數(shù)CD是一個(gè)無量綱量，對(duì)于球形的物體其值為0.5；

    （3）丸料的橫截面積，A；

    （4）水的密度，ρW；

    （5）丸料的密度，ρS；

    （6）丸料被加速的距離，s；

    （7）水流和丸流的相對(duì)速度（VJ- VS）。

    如前所述，計(jì)算丸料速度的公式在前期文章中已經(jīng)進(jìn)行了相關(guān)介紹，本期不再贅述。表1為采用Excel表格進(jìn)行的相關(guān)計(jì)算結(jié)果。這該示例中，假設(shè)水流的壓力為12MPa，用來對(duì)鋼丸進(jìn)行加速，加速距離為100mm。水流的速度可以使用本片文章的等式（1）進(jìn)行估算。“促進(jìn)效率”是丸料速度與水流速度的比值，單位為百分比。在本例中，丸料的速度為水流速度的90%。

表1.采用Excel表格估算由液體作為載體的丸料速度

    在表1中使用到了術(shù)語“X因子”。該因子的表達(dá)式為：

    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中體現(xiàn)出來：

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

    在上述例子中，X為10.7，那么VS/ VJ=10.7/11.7=0.915。采用百分?jǐn)?shù)來表達(dá)就是91.5%，等于“促進(jìn)效率”。需要指出的是，“X因子”越大，促進(jìn)效率越高。促進(jìn)效率與“X因子”之間的關(guān)系如圖7所示。

圖7的形狀特征為有理函數(shù)。

    同樣噴丸強(qiáng)度曲線也具有相同的特征。該圖也說明了水噴丸強(qiáng)化和空氣噴丸強(qiáng)化的最主要的不同。在空氣噴丸中，X因子非常的小，因此其促進(jìn)效率也非常小。噴嘴中的最大空氣速度也受到了聲速（大約340m/s）的限制。而水流的速度可以達(dá)到聲速的4.3倍或更高（大約1500m/s）。

水噴丸強(qiáng)化中丸料速度的變化性

    在水噴丸強(qiáng)化中，促進(jìn)效率幾乎是恒定的，高于90%。相反地，對(duì)于空氣噴丸的X因子是處在陡斜率中。因此可以得出一個(gè)結(jié)論，就是空氣噴丸中的丸料速度的變化性相比于水流噴丸要更大。如果水流噴丸的橫截面能夠保持不變的話，那么上述結(jié)論會(huì)更加明顯。

例如，如果水流的橫截面由于分散的問題增加了一倍，那么水流的速度將會(huì)減半，相應(yīng)地，水流中所包含的丸料速度也會(huì)迅速減小。水流的速度減小，那么其加速丸料的能力也會(huì)變?nèi)酢６諝饧铀偻枇系男逝c水流相比會(huì)更低，因此一旦丸料離開噴嘴之后，其受到空氣變化的影響會(huì)較小。

討論

    本篇文章是對(duì)前期關(guān)于噴丸和拋丸的丸料加速機(jī)理的補(bǔ)充。通過Excel表格的幫助，我們可以定量地分析相關(guān)的因素比如壓力、功率要求、速率促進(jìn)效率和丸料特征。例如，可以很容易地顯示出在空氣噴丸中，大直徑的丸料不易獲得高速度。相反，對(duì)于大直徑的丸料，采用水噴丸強(qiáng)化就可以很容易地獲得很高的速度。功率和能量的要求是我們比較關(guān)心的，特別是對(duì)于水噴強(qiáng)化而言。

    不含丸料的水噴強(qiáng)化需要超高的水流速度使得零件表面發(fā)生塑性變形，進(jìn)而產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力。由于水噴強(qiáng)化不包含丸料，因此強(qiáng)化后零件表面不會(huì)出現(xiàn)凹坑。零件材料的屈服強(qiáng)度越高，其表面越難發(fā)生塑性變形。

    水噴丸強(qiáng)化的優(yōu)點(diǎn)在丸料可以獲得非常高的運(yùn)動(dòng)速度，于哪怕是尺寸非常大的丸料。這在噴丸成形工藝中的優(yōu)勢(shì)非常明顯。對(duì)于純水噴強(qiáng)化，水的循環(huán)是一個(gè)比較大的問題。

    本篇文章中的公式都是基于流體力學(xué)的，同時(shí)也采用一些簡(jiǎn)單的假設(shè)，因此通過本篇文章的公式計(jì)算得出的結(jié)果不會(huì)是百分百準(zhǔn)確的。但是，我們相信其準(zhǔn)確性也是相當(dāng)強(qiáng)的，足夠我們對(duì)不同的變量和不同的工藝進(jìn)行定量分析。對(duì)于幾種不同的噴丸強(qiáng)化工藝。