噴丸強(qiáng)度：J443規(guī)范關(guān)于噴丸強(qiáng)度測試方法的進(jìn)化指南

引 言                                                                                                        

    關(guān)于規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)噴丸測試試片使用方法的J443規(guī)范最早是在1952年1月份面世的。J443規(guī)范作為SAE（美國汽車工程師學(xué)會）推薦的實(shí)用文件，其中已經(jīng)奉為經(jīng)典的各種準(zhǔn)則已廣泛地應(yīng)用于噴丸工業(yè)領(lǐng)域。隨著噴丸實(shí)踐以及技術(shù)的不斷進(jìn)步，J443規(guī)范也歷經(jīng)了幾次升版的歷程。升版的時(shí)間分別為1961、1984、2003以及2010年。目前最新的版本還在制定過程中。J443規(guī)范是一個(gè)重要且有著明確定義的噴丸強(qiáng)度測試的指南。

    本篇文章嘗試著把J443規(guī)范的升版歷程對噴丸強(qiáng)度測試的影響，這個(gè)歷史過程還原出來。J443規(guī)范未來的發(fā)展一定要考慮新技術(shù)以及更為先進(jìn)的方法等因素。

J443 1952

    J443規(guī)范的最早版本產(chǎn)生于和我們現(xiàn)在完全不同的時(shí)代。在那個(gè)時(shí)代，人們所掌握的知識是比較有限的，而且相關(guān)的概念還只是停留在最初形成的階段。在那個(gè)時(shí)候，只能使用尺子和對數(shù)表，用印刷模板的方法刻字和繪圖。采用非常費(fèi)力的手工處理方法進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，因此相關(guān)的實(shí)際應(yīng)用非常少。

    該標(biāo)準(zhǔn)中推薦了關(guān)于噴丸強(qiáng)度測試的兩個(gè)可選的方法-“基于弧高值和噴丸時(shí)間關(guān)系的噴丸強(qiáng)度測試方法”以及“基于覆蓋率測試的噴丸強(qiáng)度測試方法”。

基于弧高值和噴丸時(shí)間關(guān)系的噴丸強(qiáng)度測試方法

    這個(gè)大家比較熟悉的方法是基于阿爾門弧高值和噴丸時(shí)間的關(guān)系圖。如圖1所示。

    1952年版本中的圖示（圖1）現(xiàn)在看起來有點(diǎn)奇怪。那時(shí)已經(jīng)可以用平滑的曲線把分段的曲線較好地連成一個(gè)整體。曲線一般是用鉛筆進(jìn)行手繪然后用墨水在描圖紙上進(jìn)行復(fù)印。圖1顯示出的曲線形狀和用真實(shí)數(shù)據(jù)擬合出的曲線形狀明顯不同，不同之處主要是該曲線的前段部分斜率太高了太陡峭了。圖1中六個(gè)點(diǎn)對應(yīng)的噴丸時(shí)間分別是1、2.5、5、20、60和220。在實(shí)際應(yīng)用中，噴丸時(shí)間范圍從1到220好像不太可能。圖1上的六個(gè)“實(shí)際點(diǎn)”好像是加在事先畫好的曲線上，六個(gè)點(diǎn)對應(yīng)的弧高值不太可能為真實(shí)的阿爾門試片數(shù)據(jù)。如果在曲線擬合時(shí)考慮真實(shí)數(shù)值的變化性，那么圖1不再使用。當(dāng)時(shí)之所以用圖1表示可能是故意地把圖示簡化，避免因?yàn)閿?shù)據(jù)點(diǎn)變化以及相應(yīng)的修正而把問題變得更加復(fù)雜。

    在圖1中出現(xiàn)了“噴丸強(qiáng)度”和點(diǎn)“A”?！皣娡鑿?qiáng)度”就是曲線上六個(gè)真實(shí)點(diǎn)中的第四個(gè)點(diǎn)。這個(gè)第四個(gè)點(diǎn)正好是當(dāng)噴丸時(shí)間增加一倍時(shí)，弧高值的增加量正好等于或小于10%的第一個(gè)點(diǎn)，由此可見10%法則最早出現(xiàn)在1952年。點(diǎn)“A”是曲線上的一個(gè)點(diǎn)（不是“真實(shí)點(diǎn)”），但該點(diǎn)并沒有明確的位置，也沒有相應(yīng)的說明，因此該點(diǎn)的具體意義現(xiàn)在很難去判斷。

    在1952版J443標(biāo)準(zhǔn)的文中有這么一段話：“與曲線中點(diǎn)A相對應(yīng)的測具讀數(shù)通常被認(rèn)為噴丸強(qiáng)度的測試值。在某些應(yīng)用中該點(diǎn)很難找出，因此需要進(jìn)行細(xì)致的判斷”。然而在圖1中的噴丸強(qiáng)度值卻是“真實(shí)值”，這個(gè)“真實(shí)值”在文章中并未提及。這種圖文不一致的情況對噴丸強(qiáng)度的定義有點(diǎn)模棱兩可。

    1952版J443標(biāo)準(zhǔn)中的圖2如本文的圖2所示。在圖2中，數(shù)據(jù)的變化性有所體現(xiàn)，但在文章中并未提及此變化性。該圖的作用就是解釋如何調(diào)整噴丸參數(shù)以獲得所需要的噴丸強(qiáng)度。這三個(gè)曲線中分別包含9、8和7個(gè)點(diǎn)。每個(gè)曲線和圖1中的曲線一樣，噴丸時(shí)間的范圍都非常的大。

另外一種方法：基于覆蓋率測試的噴丸強(qiáng)度測試方法

    噴丸強(qiáng)度測試的另外一種方法表明噴丸強(qiáng)度的定義可以采用不同的方式。這種方法設(shè)定噴丸強(qiáng)度可以用以下三個(gè)條件進(jìn)行定義：試片類型，弧高值和覆蓋率百分比，例如“0.010，A-2和98%覆蓋率”。

推薦的方法可以概況如下：

    （1）把一個(gè)阿爾門試片的表面進(jìn)行拋光，然后用已知較短的噴丸時(shí)間對該試片進(jìn)行噴丸，然后對試片表面的覆蓋率進(jìn)行測試。覆蓋率的測試方法是把試片放入金相顯微鏡中，把透明的紙放在試片之上，然后用比較尖的鉛筆在該透明的紙上把噴丸產(chǎn)生的凹坑圈出來。用面積儀把凹坑的尺寸測算出來并最終計(jì)算出凹坑面積占試片總面積的百分比。

    （2）計(jì)算出來的覆蓋率和相對應(yīng)的噴丸時(shí)間用來確定覆蓋率是否達(dá)到要求的值（比如98%）。

    （3）用由步驟（2）確定的噴丸時(shí)間在一個(gè)沒有拋光的阿爾門試片進(jìn)行噴丸，觀察噴丸后的弧高值是否滿足要求。

    （4）如果測量出來的弧高值不滿足要求，那么需要調(diào)整設(shè)備參數(shù)并重復(fù)（1）~（4）的步驟。

    覆蓋率和噴丸時(shí)間的關(guān)系可用下式表達(dá)：

C₂=1-（1-C₁）ⁿ

    其中C1為一個(gè)周期噴丸時(shí)間后的覆蓋率百分比，%

    C2為n個(gè)周期噴丸時(shí)間后的覆蓋率百分比，%

    n為噴丸周期數(shù)

    圖3顯示了噴丸時(shí)間和覆蓋率之間的關(guān)系。

    圖3中的曲線滿足下面的表達(dá)式：

C%=100(1-0.756ⁿ)

    在1952版J443標(biāo)準(zhǔn)中的第7段關(guān)于圖3進(jìn)行了相應(yīng)的解釋：假設(shè)所需要的條件為0.010，A-2和98%覆蓋率。進(jìn)一步假設(shè)在第一個(gè)周期噴丸后的覆蓋率為76%。如果以圖3的數(shù)據(jù)為準(zhǔn)，那么一個(gè)周期相當(dāng)于T=5。當(dāng)T=14時(shí)，可以達(dá)到98%的覆蓋率，也就是說噴丸周期需要增加到14/5=2.8倍時(shí)，覆蓋率為98%。這就是后續(xù)決定弧高值大小的所需時(shí)間。

    這種方法雖然看起來不太適用于車間批產(chǎn)的場合，但是其確實(shí)也有著獨(dú)特的優(yōu)勢，即噴丸強(qiáng)度是唯一的，而不是要從飽和曲線圖中選擇一個(gè)點(diǎn)出來（這個(gè)點(diǎn)相對來說不是唯一的，比較模糊）。

J443 1961

    1961版J443標(biāo)準(zhǔn)與1952版相比，只在兩個(gè)介紹性的段落中提到了噴丸強(qiáng)度單位可分為N、A和C型三種類型，標(biāo)準(zhǔn)中的其它內(nèi)容都一樣。因此該版本的標(biāo)準(zhǔn)不認(rèn)為是1952版本的替代。1952年到1961年間，圖解和計(jì)算方法的進(jìn)步很小，口袋計(jì)算器那時(shí)還沒有出現(xiàn)。

J443 1984

    本版的規(guī)范已在聲明中指出就是要替代1952版的規(guī)范。

    本版規(guī)范從內(nèi)容上有了比較大的擴(kuò)充，從1952/1961版本中的2頁擴(kuò)展到了6頁。另外，在本版規(guī)范中也引用了其它的規(guī)范，其中包括SAE J442，SAE J784a和SAE J808a。還有一個(gè)規(guī)范SP181作為僅供參考，并不作為本版規(guī)范的一部分。

    之前版本規(guī)范中的圖示只是進(jìn)行簡單的復(fù)制，但是在1961年以后，計(jì)算方法已經(jīng)有了很大的進(jìn)步，例如在X射線衍射測試中，用最佳擬合的曲線來精確地找到衍射峰。所采用的設(shè)備（例如計(jì)算機(jī)和可編程的口袋計(jì)算器）可以消除手工方法的繁瑣。年齡稍微大一些的讀者可能還記得Commodore64位電腦在當(dāng)時(shí)最為熱銷。

    在1984版的J443標(biāo)準(zhǔn)中的圖1，在本文如圖4所示。從圖4可以看出，曲線上同樣有六個(gè)點(diǎn)，且形狀和之前的版本一樣。在六個(gè)點(diǎn)之后有一段虛線代表了曲線后續(xù)的趨勢。所有六個(gè)點(diǎn)均落在手繪的曲線上，但是如上所說，對于真實(shí)的數(shù)據(jù)點(diǎn)是不可能的。噴丸強(qiáng)度和點(diǎn)“A”仍然保存了下來。

    在1984版的J443標(biāo)準(zhǔn)中的圖1中（本文中的圖4）增加了“當(dāng)噴丸時(shí)間增加一倍時(shí)弧高值增加小于等于10%”和“對于非關(guān)鍵零件，可以用20%法則”這兩句話。對于點(diǎn)“A”進(jìn)行了明確了定義，即點(diǎn)“A”不是六個(gè)“真實(shí)點(diǎn)”的一個(gè)點(diǎn)，是曲線上選出的一個(gè)點(diǎn)。但本版本的標(biāo)準(zhǔn)中沒有提到計(jì)算曲線擬合的方法，雖然這種方法在其它的技術(shù)中得到了普遍應(yīng)用。

    在1984版的J443標(biāo)準(zhǔn)中對“強(qiáng)度”進(jìn)行了描述和定義：

    噴丸強(qiáng)度（例如，12A）是通過繪制飽和曲線的方法獲得的一個(gè)弧高值，解釋如下：

    一系列的弧高值和所對應(yīng)的噴丸時(shí)間可以用來繪制飽和曲線。采用相同的噴丸參數(shù)，不同的噴丸時(shí)間，對一組的阿爾門試片進(jìn)行噴丸，然后以時(shí)間為橫坐標(biāo)、弧高值為縱坐標(biāo)繪制一條曲線。一組噴丸后的阿爾門試片的數(shù)據(jù)點(diǎn)可以繪制出類似于如圖4的曲線。當(dāng)曲線上的“膝點(diǎn)”過后并且噴丸時(shí)間再有相應(yīng)的延長（相應(yīng)的弧高值也會有一定的增長），飽和點(diǎn)就會出現(xiàn)。圖4中膝點(diǎn)的位置，即點(diǎn)“A”可以定義為當(dāng)噴丸時(shí)間增加一倍時(shí)，弧高值的增加不超過一個(gè)特定的百分比（X%）的點(diǎn)。

    在上述的目的性很強(qiáng)的定義中少了一個(gè)關(guān)鍵的詞，就是在最后一句話中少了一個(gè)“第一個(gè)”。如果加上后，內(nèi)容就變成了：“圖4中膝點(diǎn)的位置，即點(diǎn)‘A’可以定義為當(dāng)噴丸時(shí)間增加一倍時(shí)，弧高值的增加不超過一個(gè)特定的百分比（X%）的第一個(gè)點(diǎn)”。如果加上了“第一個(gè)”，那么將會避免后來的種種誤解。加上了“第一個(gè)”，說明飽和點(diǎn)（噴丸強(qiáng)度）是唯一的值。如果沒有“第一個(gè)”，那么飽和點(diǎn)（噴丸強(qiáng)度）就不是一個(gè)唯一的值，而是一個(gè)區(qū)間范圍。

    在本版標(biāo)準(zhǔn)中，用“飽和”來定義噴丸強(qiáng)度，然后用“飽和曲線”來描述圖4中曲線的形狀。用“飽和”這個(gè)詞來表達(dá)容易引起歧義，這是因?yàn)榇蠹宜毡槔斫獾摹帮柡汀钡暮x并沒有出現(xiàn)?！帮柡汀苯?jīng)常用來描述達(dá)到極限的情況，然而這種極限情況并沒有出現(xiàn)噴丸的任何一個(gè)階段。也許，用“強(qiáng)度決定曲線” 會比“飽和曲線”更好。

    在1984版的J443標(biāo)準(zhǔn)中的圖2，圖5仍然使用的是以前的版本，但是也稍作了一些修改，包括去掉了一些低于噴丸強(qiáng)度的數(shù)據(jù)點(diǎn)，曲線顯得更加的平滑一些，并增加了“弧高值小于等于10%”等一些文字的說明。關(guān)于如何調(diào)整束流的噴丸強(qiáng)度的解釋說明和之前版本的內(nèi)容也是相似的。

    本版標(biāo)準(zhǔn)對通過表面覆蓋率確定噴丸強(qiáng)度的方法進(jìn)行了一定的延伸，但是并沒有規(guī)定其是“基于覆蓋率測試的確定噴丸強(qiáng)度的另一種方法”。共介紹了五種通過表面覆蓋率確定噴丸強(qiáng)度的方法，其中的一種和1961版本的方法是相同的。

J443 2003

    該版本聲明是替代了1997版J443標(biāo)準(zhǔn)，但是這是不正確的，因?yàn)榱?997版J443標(biāo)準(zhǔn)從未正式發(fā)行過，因此從官方上來講其應(yīng)該是代替了1984版本的J443標(biāo)準(zhǔn)。修訂后的標(biāo)準(zhǔn)僅有四頁，關(guān)于覆蓋率測試的方法合并到了“J2277噴丸覆蓋率”的標(biāo)準(zhǔn)中并在該標(biāo)準(zhǔn)中進(jìn)行了引用。另外一個(gè)引用的標(biāo)準(zhǔn)是J442。

    該標(biāo)準(zhǔn)中的圖1與之前的版本相比（本文中的圖6）發(fā)生了變化（這在過去的超過50年中是第一次），從形狀上來看與之前的版本非常不一樣，倒和1952版J443的圖3覆蓋率曲線十分的相似。該圖的命名為“飽和曲線”而不是“噴丸強(qiáng)度決定曲線”。該圖在SAE關(guān)于噴丸的手冊HS-84中也出現(xiàn)過。

    在圖6中可以看到總共有6個(gè)點(diǎn)，所有的六個(gè)點(diǎn)都非常接近曲線。從坐到右六個(gè)點(diǎn)與曲線的差異為“曲線下，曲線上，曲線中，曲線下，曲線中，曲線上”。這個(gè)順序在統(tǒng)計(jì)學(xué)中來看是不太可能出現(xiàn)的。

    關(guān)于噴丸強(qiáng)度的定義如下內(nèi)容所示：

    “當(dāng)曲線上的‘膝點(diǎn)’過后并且噴丸時(shí)間再有相應(yīng)的延長（相應(yīng)的弧高值也會有一定的增長），飽和點(diǎn)就會出現(xiàn)。圖6中膝點(diǎn)和飽和點(diǎn)可以定義為當(dāng)噴丸時(shí)間增加一倍時(shí)，弧高值的增加不超過10%的第一個(gè)點(diǎn)?！?/p>

    非常幸運(yùn)地，“第一個(gè)”這個(gè)詞終于出現(xiàn)了，但是在這個(gè)定義中其它的問題又出現(xiàn)了，主要是：（1）該簡單指數(shù)函數(shù)形狀的曲線并未有“膝點(diǎn)”；（2）“曲線上的第一個(gè)點(diǎn)”的描述是含糊不清的。在圖6中“飽和點(diǎn)”恰好出現(xiàn)在“真實(shí)點(diǎn)”上，這和之前的版本是不一樣的，有可能會導(dǎo)致對噴丸強(qiáng)度的定義有不同的解讀。例如，選擇六個(gè)真實(shí)數(shù)據(jù)點(diǎn)中的第一個(gè)當(dāng)噴丸時(shí)間增加一倍時(shí)，弧高值的增加小于等于10%的“真實(shí)數(shù)據(jù)點(diǎn)”作為噴丸強(qiáng)度。在圖6中T和2T對應(yīng)的點(diǎn)也剛好為真實(shí)數(shù)據(jù)點(diǎn)。

    在之前版本中出現(xiàn)的圖2（即顯示設(shè)備參數(shù)如何影響噴丸強(qiáng)度）并沒有出現(xiàn)在該版本中?？赡苁钦J(rèn)為標(biāo)準(zhǔn)使用者并不需要了解通過如何調(diào)整設(shè)備參數(shù)來影響噴丸強(qiáng)度方面的內(nèi)容。

    J443 2010

    該版本聲明是替代了2003版J443標(biāo)準(zhǔn)，共有六頁且有三個(gè)引用的規(guī)范，包括：

    SAE J442 噴丸用的測試試片、夾持器和測具；

    SAE J2277 噴丸覆蓋率的測試方法；

    SAE J2597 計(jì)算機(jī)生成噴丸飽和曲線。

    本版標(biāo)準(zhǔn)與之前版本相比主要有以下三個(gè)變化：

    （1）該標(biāo)準(zhǔn)圖1—去掉了“等于或小于10%”中的“小于”，這樣從一個(gè)給定的飽和曲線中就只能得到唯一的一個(gè)噴丸強(qiáng)度值；

    （2）該標(biāo)準(zhǔn)圖2-該圖為飽和曲線的另一種特殊情況，就是不存在時(shí)間增加一倍，弧高值增加大于10%的點(diǎn)，那么如果出現(xiàn)該情況，噴丸強(qiáng)度定義為該曲線上的第一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)；

    （3）段落7.3—在噴丸強(qiáng)度測試中經(jīng)常用到多個(gè)阿爾門固定器。在每個(gè)固定器位置的噴丸強(qiáng)度必須滿足相應(yīng)的要求。而每個(gè)固定器位置的飽和時(shí)間不是唯一的……。

    J443 2010中的圖1

    J443 2010中的圖1在本文中如圖7所示。該圖中的曲線是拷貝2003版J443圖1的，但是卻消除了在2003版J443中出現(xiàn)的容易令人產(chǎn)生誤解的問題。圖7去掉了之前的兩個(gè)點(diǎn)（即噴丸時(shí)間1T和2T對應(yīng)的點(diǎn)），只剩下四個(gè)點(diǎn)，這消除了噴丸強(qiáng)度必須是真實(shí)數(shù)據(jù)點(diǎn)的誤解?！霸黾?0%”用于確定曲線上的唯一的一個(gè)點(diǎn)，通過這個(gè)點(diǎn)來確認(rèn)噴丸強(qiáng)度水平。這也就消除了第二個(gè)誤解。圖7中的特征曲線定義為“類型1”，這是為了與新的特征曲線“類型2”進(jìn)行區(qū)分。在本版標(biāo)準(zhǔn)中首次提到了計(jì)算機(jī)方法：推薦用計(jì)算機(jī)按照SAE J2597標(biāo)準(zhǔn)生成飽和曲線的方法。

    J443 2010中的圖2

    另外一種形狀與圖7相比完全不同的飽和曲線如圖8（J443 2010中的圖2）所示。圖8也是一個(gè)理想的形狀，因?yàn)閳D中的“真實(shí)”數(shù)據(jù)沒有任何變化性。之所以使用“類型2”飽和曲線，這是因?yàn)樵趯?shí)際試驗(yàn)過程中會遇到當(dāng)設(shè)定最小的噴丸時(shí)間/周期時(shí)，所得到的弧高值仍然高于噴丸強(qiáng)度點(diǎn)，那么就用最小的噴丸時(shí)間/周期所對應(yīng)的弧高值作為噴丸強(qiáng)度。在該類型的曲線中，沒有任何點(diǎn)當(dāng)時(shí)間增加一倍時(shí)，弧高值的增加量超過10%。

    采用這種特殊的飽和曲線（“類型2”）計(jì)算出來的噴丸強(qiáng)度可能比正常的飽和曲線（“類型1”）計(jì)算出來的噴丸強(qiáng)度要高，但是本版標(biāo)準(zhǔn)并未給出形影的“修正”的方法。

    第7.3節(jié)—當(dāng)用多個(gè)固定器時(shí)噴丸強(qiáng)度的確認(rèn)

    本節(jié)討論的是另外一個(gè)主題，即當(dāng)使用多個(gè)固定器時(shí)在過程檢驗(yàn)中如何確認(rèn)噴丸強(qiáng)度。每個(gè)固定器對應(yīng)的飽和時(shí)間T都是不同的。在噴丸強(qiáng)度的過程檢測中，每個(gè)固定器只能固定一個(gè)試片，因此本規(guī)范推薦用唯一的一個(gè)噴丸時(shí)間來確定噴丸強(qiáng)度，應(yīng)該選取由飽和曲線確定的飽和時(shí)間中的最長的那個(gè)，或者其它客戶認(rèn)可的時(shí)間。使用唯一的噴丸時(shí)間在每個(gè)試片上進(jìn)行噴丸，所得的弧高值應(yīng)該滿足要求的范圍，即每個(gè)噴丸后的試片的弧高值與原始噴丸強(qiáng)度相比應(yīng)在±0.038mm（±0.0015英寸）的范圍以內(nèi)。

討論和結(jié)論

    J443標(biāo)準(zhǔn)在可控噴丸中起到了核心的作用。J443標(biāo)準(zhǔn)從1952年到現(xiàn)在的進(jìn)化有著很多令人欣慰的方面。以現(xiàn)在的眼光批評和評價(jià)之前的標(biāo)準(zhǔn)是容易的，因此在本篇文章中出現(xiàn)的任何的批評的內(nèi)容都不是故意的。在任何領(lǐng)域中的委員會都會遇到意見不統(tǒng)一的問題，然而J443委員卻能夠成功的不斷提煉和改進(jìn)噴丸強(qiáng)度的測試方法并能夠把新的分析技術(shù)融入其中，是非常值得肯定的。