喷丸概述

喷丸 shot peening。用喷丸进行表面处理，打击力大，清理效果明显。但喷丸对薄板工件的处理，容易使工件变形，且 钢丸打击到工件表面（无论 抛丸或喷丸）使金属基材产生变形，由于Fe3O4和Fe2O3没有塑性，破碎后剥离，而油膜与基材一同变形，所以对带有油污的工件，抛丸、喷丸无法彻底清除油污。在现有的工件表面处理方法中，清理效果最佳的还数喷砂清理。喷砂适用于工件表面要求较高的清理。但是我国目前通用 喷砂设备中多由铰龙、刮板、斗式提升机等原始笨重输砂机械组成。用户需要施建一个深地坑及做防水层来装置机械，建设费用高，维修工作量及维修费用极大，喷砂过程中产生大量的矽尘无法清除，严重影响操作工人的健康并污染环境。 喷丸处理是工厂广泛采用的一种 表面强化工艺，其设备简单、成本低廉，不受工件形状和位置限制，操作方便，但工作环境较差。喷丸广泛用于提高零件机械强度以及耐磨性、抗疲劳和耐腐蚀性等。还可用于表面消光、去氧化皮和消除铸、锻、焊件的残余应力等。

喷丸与抛丸的区别

　　喷丸使用高压风或压缩空气作动力，而抛丸一般为高速旋转的飞轮将钢砂高速抛射出去。抛丸效率高，但会有死角，而喷丸比较灵活，但动力消耗大。 　　两种工艺虽喷射动力和方式不同，但都是高速冲击工件为目的,其效果也基本相同,相比而言,喷丸比较精细，容易控制精度,但效率不及抛丸之高,适形状复杂的小型工件,抛丸比较经济实用，容易控制效率和成本，可以控制丸料的粒度来控制喷射效果,但会有死角,适合于形面单一的工件批量加工. 　　两种工艺的选用主要取决工件的形状和加工效率.

喷丸与喷砂的区别

　　喷丸与喷砂都是使用高压风或压缩空气作动力,将其高速的吹出去冲击工件表面达到清理效果,但选择的介质不同,效果也不相同. 喷砂处理后,工件表面污物被清除掉,工件表面被微量破坏,表面积大幅增加,从而增加了工件与涂/镀层的结合强度. 　　经过喷砂处理的工件表面为金属本色,但是由于表面为毛糙面,光线被折射掉,故没有金属光泽,为发暗表面. 　　喷丸处理后,工件表面污物被清除掉,工件表面被微量而不被破坏,表面积有所增加.由于加工过程中,工件表面没有被破坏,加工时产生的多余能量就会引会工件基体的表面强化. 　　经过喷砂处理的工件表面也为金属本色,但是由于表面为球状面,光线部分被折射掉,故工件加工为亚光效果.

丸的种类

1、铸钢丸

　　其硬度一般为40~50HRC，加工影金属时，可把硬度提高到57~62HRC。铸钢丸的韧性较好，使用广泛，其使用寿命为铸铁丸的几倍。

2、铸铁丸

　　其硬度为58~65HRC，质脆而易于破碎。寿命短，使用不广。主要用于需喷丸强度高的场合。

3、玻璃丸

　　硬度较前两者低，主要用于 不锈钢、钛、铝、镁及其它不允许铁质污染的材料，也可在钢铁丸喷丸后作第二次加工之用，以除去铁质污染和降低零件的表面粗糙度。 　　所以说，丸的分类总共有3大类：铸钢丸 铸铁丸 玻璃wan 　　特别说明： 　　喷丸用玻璃丸和其他用途的玻璃丸是两个不同的概念。　喷丸玻璃丸最大的特点是它的硬度最低不小于6—7莫氏而且有一定的纫性，成圆率最低不小于90%。而道路反光玻璃丸对硬度无要求，一般普通玻璃作原材料即可，成圆率要求最低75%。 　　两种价格差别很大，但外观却相差无几，如果将普通玻璃丸用于喷丸加工，貌似成本较低，而在喷丸加工时破碎率较高，且加工强度较高的工件时几乎是一次破碎，相比之下，总成本反而提高了许多．

喷丸清理的特点

1、 可以任意使用金属或非金属弹丸，以适应清理工件表面的不同要求； 　　2、 清理的灵活性大，容易清理复杂工件的内、外表面和管件的内壁，并且不受场地限制，可将设备安置在特大型工件附近； 　　3、 设备结构较简单，整机投资少，易损件少，维修费用低； 　　4、 必须配备大功率的空压站，在清理效果相同的条件下，消耗的能量较大； 　　5、 清理表面易有湿气，容易再生锈； 　　6、 清理效率低，操作人员多，劳动强度大。

喷丸清理与抛丸清理的性能和效果比较

　　项目 单位 抛丸 喷丸 喷砂 　　单个喷嘴抛丸量 Kg/min 60~1250 48~60 30 　　弹丸速度 m/s 60~100 40~50 　　单位抛丸量所需功率比 1 8 30 　　达到同样清理效果的耗电量 KW*h/100m2 12.5 267 37.5 　　清理效率 40~150 15 6~10 　　达到同样清理效果所耗工时之比 1 16 6 　　丸料消耗量之比 ≤1 20 　　成本之比 1 10 4.1 　　环境粉尘浓度 mg/m2 4.2~3.7 200~300

喷丸清理中的喷嘴

1、直桶形喷嘴

　　直桶形喷嘴结构简单，其内部结构只有收缩段和平直段两部分。这种形式的喷嘴无法克服进口端存在的涡流现象，压力损失大，磨料出口速度在0.7MPa的压力条件下不足100m/s。

2、文丘里形喷嘴

　　文丘里形喷嘴在结构上分成收缩段、平直段和扩散段三部分，制作难度显着增加。 　　文丘里形喷嘴的气体动力学性能远优于直桶形喷嘴，涡流现象明显改善或不复存在，压力损失大幅度降低，在相同压力条件，磨料的出口速度可增加一倍以上，接近于声音的传播速度，磨料颗料所具有的动能大幅度提高，打击工件表面的能力大大增强了，这是文丘里形喷嘴工作效率提高的主要原因之一。 　　直桶形喷嘴和文丘里形喷嘴使用性能的一个很大区别在于磨料的发散均匀性，文丘里形喷嘴喷出的磨料在发散区域内分布很均匀，而直桶形喷嘴喷出的磨料有很大一部分集中在发散区域的中心部位，喷嘴在工件表面上的有效清理宽度窄，文丘里形喷嘴在工件表面上的有效清理宽度要大得多，而且有效清理区域内的磨料作用力的一致，磨料得到充分利用，工作效率提高就是必然的结果了。 　　据资料介绍，文丘里喷嘴与直桶形喷嘴相比，工作效率可提高15%~40%，磨料消耗可降低20%。

3、双文丘里形喷嘴

　　双文丘里形喷嘴有前后两个喷嘴，二者之间有间隔，在间隔处的四周有几个小孔。在这种一大一小、一前一后的喷嘴布置形式中，由于高速气流的作用，产生一个足够大的负压，将周围的空气吸入到喷嘴内，使喷出的空气量大于进入喷嘴的压缩空气，磨料的出口速度又有提高。另外，双文丘里形喷嘴的出口端直径比普通的文丘里形喷嘴大一些，磨料流的发散面要比普通文丘里形喷嘴大35%，清理效率自然要比普通文丘里形喷嘴更高。 　　双文丘里喷嘴使用时反冲力较小，操作省时省力，理论高速工作压力为0.42MPa，比其他喷嘴均低。

4、大进口直径的文丘里形喷嘴

　　普通文丘里形喷嘴的进口直径是1英寸，现在出现了一种进口端直径为1.25英寸的文丘里喷嘴，试验表明，在0.69MPa的压力条件下，大进口端的文丘里喷嘴出口速度可达到201m/s，比普通文丘里喷嘴提高12.5%。

5、方孔喷嘴

　　目前国外研制出一种进口端与出口端都成正方形的喷嘴，各方面试验表明，该喷嘴比文丘里形喷嘴的工作效率更高，经济性更好。 喷丸清理喷嘴规格与压缩空气和磨料消耗相互关系 　　喷嘴/mm 工作压力/MPa 项目 　　0.48 0.56 0.59 0.62 0.66 0.70 　　5 0.93 1.02 1.10 1.16 1.22 1.27 压缩空气m3*min-1 　　88.9 98 103 88.9 109.3 119.8 磨料Kg*h-1 　　3.62 3.99 4.18 4.37 4.46 4.92 清理效率m2*h-1 　　6.4 1.73 1.93 2.01 2.09 2.18 2.29 压缩空气m3*min-1 　　160.6 185 194.1 203.2 215.5 227 磨料Kg*h-1 　　6.60 7.62 7.99 8.36 8.82 9.29 清理效率m2*h-1 　　8 2.86 3.20 3.40 3.57 3.71 3.88 压缩空气m3*min-1 　　274 305 318.9 335.7 349.3 363 磨料Kg*h-1 　　11.24 12.6 13.1 13.75 14.30 15 清理效率m2*h-1 　　9.5 4.05 4.56 4.73 4.90 5.21 5.55 压缩空气m3*min-1 　　392 436 456 477 499 522 磨料Kg*h-1 　　16.1 17.8 18.7 19.5 20.4 21.4 清理效率m2*h-1 　　11.1 5.50 6.14 6.45 6.79 6.96 7.19 压缩空气m3*min-1 　　533 596 626 657 687 719 磨料Kg*h-1 　　21.8 24.3 25.6 26.9 28.2 29.5 清理效率m2*h-1 　　12.7 7.13 7.93 8.35 8.75 9.14 9.57 压缩空气m3*min-1 　　686 762 802 842 873 907 磨料Kg*h-1 　　28.1 31.2 32.9 34.5 35.8 37.2 清理效率m2*h-1 磨料速度与清理效率的比较

　　工作压力MPa 磨料速度m*s-1 相对清理效率% 　　0.7 187.7 100 　　0.67 178.7 93 　　0.63 163.1 85 　　0.60 147.5 78 　　0.56 120.7 70 　　0.53 93.9 63 　　0.49 84.9 55 　　注：1、喷丸清理的工作压力一般不应低于0.53MPa； 　　2、采用大喉径长文丘里型喷嘴。

喷丸质量的评定

1、清理质量等级

　　a、最彻底清理级（Sa3） 　　清理后的钢材表面呈完全一致的银灰色，有一定的表面粗糙度以提高涂层的附着能力； 　　b、很彻底的清理等级（Sa2.5） 　　清理后的钢材表面上不存在油脂、污垢、氧化皮、锈、腐蚀生成物、氧化物和其他杂质，允许存在由于清理不彻底而出现的阴影和色差，但每平方英寸上至少要有95%以上的表面达到最彻底清理级的水平，其余部分仅出现轻度的阴影和色差； 　　c、较彻底清理级 　　清理后的钢材表面上不存在油脂、污垢、锈皮和其他杂质，氧化皮、锈和旧漆被清除，允许存在由于锈和氧化皮清除不彻底而出现的轻度阴影和色差，其面积在每平方英寸上不超过33%；如果钢材表面已经发生点蚀，蚀点深处允许有少量的锈和旧漆存在； 　　d、非彻底清理级 　　表面经全面清理，油脂、污垢、松动的氧化皮和松动的漆皮被清除，与基材结全牢固、不能用非常锋利的铲刀清除的氧化皮、锈、油漆和涂层允许在清理后残留在表面上。表面上出现大量分布均匀的金属的斑点。

2、表面粗糙度

　　表面粗糙度和表面清洁度是同时产生的，确定适当的表面粗糙度与确定正确的清洁度要求同样重要。 　　表面粗糙度的作用 　　1） 使涂层与工件表面间的实际结合面积增加，有利于提高涂层结合力； 　　2）涂层在固化过程中会产生很大的内应力，粗糙度的存在可以有效消除涂层中的应力集中，防止涂层开裂； 　　3）表面粗糙度的存在可以支承一部分涂料的质量，有利于消除流挂现象，对于垂直涂装的表面，作用尤为明显。 　　影响粗糙度的因素如下： 　　1）磨料的粒度、硬度、颗粒形状； 　　2）工件本身材质的硬度； 　　3）压缩空气的压力及稳定性； 　　4）喷嘴与工件表面间的距离及喷嘴与工件表面的夹角。 　　与表面粗糙度相关的几个问题： 　　1）清理时间的长短与表面粗糙度大小几乎无关； 　　2） 喷嘴与表面之间的夹角会影响表面粗糙度，但在45度与90度之间变化不是很明显； 　　3）用大颗粒磨料清理难以清理的表面可以提高工作效率，但会使用表面粗糙度偏高，研究表明，粒度大于1.2mm的磨料造成的粗糙度值偏高。用小粒度磨料对粗糙度偏高的表面重新清理一遍可以使粗糙度降低到规定要求。 　　喷丸在表面产生比喷砂更大的压应力。