作者：Dr.DavidKirk翻譯/整編：北京恩太設備技術有限公司工藝試驗室
大衛(wèi)柯克博士論文翻譯引言
大衛(wèi)柯克博士是固溶學術領域的專家，是德國德累斯頓學院的名譽研究員，同時也是該校工程和估算大學的成員。目前大衛(wèi)柯克博士關于噴砂方面的文章早已多達70多篇，在刻蝕領域的研究成果明顯，在國際上享有一定的名聲。大衛(wèi)柯克博士的文章深入淺出，實用性十分強，可以幫助刻蝕領域的廣大從業(yè)者和研究人員能更深刻地理解刻蝕的原理、工藝以及療效等等。其實您在刻蝕的實際應用中所遇見的問題和疑慮可以在大衛(wèi)柯克博士的文章中找到答案。因而，北京恩太設備技術有限公司工藝試驗室旨在于盡可能確切地把大衛(wèi)柯克博士的文章翻譯成英文，每月推出一篇文章，以提升您的刻蝕理論和應用水平，希望可以為您提供幫助。刻蝕造成的螺孔形狀改變
序言
刻蝕是一種冷加工過程，可能會對型腔形成有效的形狀改變。每種冷加工過程就會在金屬制件成型過程中引入殘余撓度。形狀改變具有兩個誘因：塑性變型和彈性變型。這不同于在熱加工過程中，殘余撓度會在自固溶過程中去除，因而只存在塑性變型。而彈性變型是由于冷加工過程施加在型腔上的殘余撓度。
圖1說明了涉及所有冷加工過程的兩個作用誘因，致使平直試片弄成彎曲。塑性變型hp與彈性變型he（殘余撓度）共同作用，形成了總體變型h。因而，hp+he=h。
圖1.塑性變型hp和彈性變型he的共同作用引起阿爾門試片變型
彈性作用不是永久的，由于可以采用撓度清除的方式將其除去。常見的反例如噴砂后的阿爾門試片，當撓度清除時會減少它的彎曲，僅存在塑性變型。
剖析刻蝕造成的形變是很復雜的，包括塑性和彈性理論的同時作用。簡化的方式是這么文所示分別調用兩種理論。
型腔的形狀改變一般是由刻蝕造成的。這些形變可能是有利的、不利的或是太小而可以忽視的。有利的刻蝕變型可以概括為“噴丸成型”或“變形矯治”，反之不利的變型可以概括為“扭曲“。
最常見的刻蝕變型就是阿爾門試片。試片的一個面刻蝕，致使其形狀從平面方形變?yōu)殡p重彎曲的形狀。這個是有利的變型，由于刻蝕誘發(fā)試片彎曲時的弧高，是測試刻蝕硬度時所須要的參數(shù)。眾所周知，形狀的改變可以由兩個相互垂直的曲線進行表征。塑性理論預測了這些形狀的改變。彈性理論預測了對于梁彎曲的誘發(fā)彎曲的大小。這些形狀改變如同“等價彎曲扭力”導致的形狀改變。實際上：刻蝕引入彎曲等同于施加一個外部彎曲扭矩。這個外部彎曲轉矩也就等同于噴砂引入的彎曲扭矩。
圖2.刻蝕造成形狀改變的參數(shù)
圖2所示為涉及形狀改變的必須的刻蝕參數(shù)。圖中為一個刻蝕后的阿爾門試片，其中d為塑性變型深度，t為試片長度，F(xiàn)為噴砂形成的彎曲力，M為“等同彎曲轉矩”，試片彎曲的直徑為R。彎曲程度越大，彎曲的半徑越小。
曲率是指彎曲直徑的倒數(shù)。因而曲率隨著彎曲減小而減小，由于彎曲減小直徑時降低的。方程（1）中的基本關系告訴我們，怎么應用撓度來引入彎曲。
R=E.I/M（1）
E指彈性泊松比，I指型腔的撓度系數(shù)（也可稱為“截面慣性矩”）
本文致力展示方程（1）怎樣估測型腔刻蝕后的形狀改變。本文運用該方程的目的并不是要做比較細致全面的介紹，而是僅僅為非刻蝕專家進行通常性的介紹。
引入等同彎曲扭力和撓度系數(shù)
可以通過彎曲一個刻度尺來獲得定性得彎曲扭力和撓度系數(shù)。在薄的方向松開刻度尺的末端比較容易彎曲。兩側右手都緊握直尺的中間則難于彎曲。將卷尺旋轉90°后（在厚的方向），雖然緊握的是末端也十分難于彎曲。這種簡單的測試說明（a）撓度是力除以距離，（b）寬度比長度更能影響撓度。撓度系數(shù)，I，由方程（2）給出：
I=w.t3/12（2）
w指長度，t指長度。
型腔的撓度會抵抗噴砂引入的撓度。
阿爾門試片刻蝕后的形狀改變
形變起源
圖3所示為材料在丸料沖擊過程中一個微小單元立方的撓度情況。丸料在Z方向施加一個主要壓撓度（-s），在x和y方向上有兩個相同的主要撓度（-r）抵抗外部材料的流動。屈服準則表明，當最大和最小主要撓度之差等于屈服硬度（Y）時，將會發(fā)生屈服。準則說明在x和y方向的屈服橫可能相同，此時Y=-r-（-s）或：
Y=s-r（3）
-r是最大主撓度，由于-r的負值更大于-s（類推為一個更小的“堆積透支”）。事實上塑性流在x和y方向很可能是相同的，這說明阿爾門試片有雙重的曲率。
圖3.丸料沖擊的過程中作用在材料單位六面體上的主撓度
形狀改變的大小
刻蝕后阿爾門試片的形狀改變一般由“弧高”來測定。阿爾門試片的應力是最常見的形狀改變。阿爾門試片的一個方形截面，寬w為19mm，但長度t，對于N,A和C型阿爾門試片分別為大約0.8,1.3和2.4mm。將這種值代入方程（2），很容易估算出撓度系數(shù)。假設彈性撓度為，與估算出得撓度系數(shù)一起代入方程（1）。可以得出任意給定的彎曲直徑與等價彎曲扭力之間的關系。但是，彎曲直徑不是應力。因而，下一步，是將應力（弧高）轉換為彎曲直徑。
假定一個簡單加載試片的彎曲直徑是常量，我們可以給出方程（4）：
h=l2/8R（4）
h為弧高，l為阿爾門試片的厚度（76mm），R為彎曲直徑。
較復雜的是，阿爾門試片的弧高h，由橫向和縱向構成，其值分別為h1和h2，如圖4.
由于阿爾門試片的厚度是寬帶的4倍，方程（4）中可預知h1為h2的16倍。
圖4.刻蝕造成阿爾門試片雙曲變型
這是一個很重要的關系，實際檢測值會強調誘發(fā)曲率的各向異性。假如誘發(fā)曲率是各向同性（所有方向一樣），則：
H1=l2/7.53R（5）
作者給出的實際檢測值表明，標準刻蝕阿爾門試片的誘發(fā)曲率是各向異性的（h1通常僅為h2的10倍）。有兩個解釋：（1）鋼材本身是各向異性，（2）阿爾門試片因為始終遭到四個螺母螺栓的固定作用，相當于在刻蝕過程中在阿爾門試片上有一個預變型的作用。
阿爾門試片要求的剪力
方程（1）、（2）和（4）可以在excel表格中排列上去，可以較適于恐怕任何一個未知的系數(shù)。假定在阿爾門試片上刻蝕，比如未知的系數(shù)是等價彎曲扭力M（h，w，t和E已知）。一個合適的excel表格如表1所示。選擇0.5mm的弧高，由于較接近于通常用于車削刻蝕的最大刻蝕硬度。
表1指定弧高阿爾門試片的彎曲扭力
可直接檢測誘發(fā)等價彎曲扭矩的阿爾門孤傲。
排列方程（1）、（2）和（4）可得：
M=2*E*w*t3.h/（3*l2）（6）
方程（6）是關于M和h的線性方程式，圖5所示為3個標準阿爾門試片長度的曲線。
圖5.阿爾門試片的彎曲量與剪力的對應關系
撓度來源
撓度是一定距離力作用的結果。噴砂在變型表面層引入了一個壓撓度和塑性伸長。在刻蝕變型表面層形成的力等于變型層橫截面疊加的平均撓度σ與變型層截面面積的乘積。距離是從力到所謂的試片“中軸”。這種要求都在圖6的示例中說明。
圖6.剪力作用在N型阿爾門試片的反例
比如，t=0.80mm，d=0.05mm，σ=-2。可以估算力F=-2×0.05mm×19mm（試片長度），因而F=285N。形成的剪力M=285N×0.375mm，因而M=。
作用在噴完后阿爾門試片上剪力的均勻性
目前，刻蝕形成的剪力已假設為均勻的，這就是說，試片的厚度和長度方向的剪力都是一樣的。假如這個假設是正確的，那依照梁彎曲理論刻蝕后試片應當呈現(xiàn)拋物線形狀而不是方形。實際的檢測結果顯示確實是這樣的。圖7所示為一個示例，檢測值是順著猛烈刻蝕后N型試片的主軸方向。借助程序控制的X-Y-Z檢測系統(tǒng)獲得檢測值，并將其在座標中擬合成拋物線方式。獲得的剪力均勻性與教科書中精典示例梁彎曲的荷載均勻性是一樣的。
圖7.刻蝕后的阿爾門試片的拋物線形狀
彈性撓度的可變性
容積彈性撓度E，與軋機鋼試片的熱機械性反向變化。方程（6）中表示獲得的弧高h是與彈性撓度成正比的：
h=3*l2*M/(2*E*w*t3)（7）
圖8所示即為檢測的弧高與彈性撓度是怎樣反向變化的。前提是試片的制造商應保證彈性撓度是在要求范圍內的。
圖8檢測的弧高與阿爾門試片彈性撓度的互相關系
薄板的刻蝕成型
薄板的刻蝕成型已確定為一種金屬加工的方式。曲率可主要由長度、材料的彈性撓度和誘發(fā)的等價剪力一起獲得。大多數(shù)刻蝕成型的操作都采用“丸料”進行，但也有采用“球”的。三者的區(qū)別在于，“丸料”的半徑大于薄板長度，而“球”的半徑與薄板長度等級是一樣的。
在刻蝕成型過程中必然會發(fā)生塑性變型。
長度、彈性撓度和誘發(fā)等價剪力之間的關系
方程（1）也可寫為：
1/R=M/E.I(8)
分子中的剪力M，與薄板長度t近似成比列，但是撓度系數(shù)I是與t3成比列的。因而形成的曲率是與薄板長度的平方（抵消了一個t）成正比的。諸如，同樣的剪力在10mm厚的薄板中形成的曲率僅為同樣材質1mm薄板曲率的1%。方程（8）所示，曲率與簡支梁成線性反比關系，與彈性撓度成線性正比。
誘發(fā)等價剪力的大小
從方程（8）中可見，要想獲得須要的曲率，只能通過施加一定的剪力來實現(xiàn)。阿爾門試片鋼的M值是直接可見的。而其他材料只能通過試驗來測定。較便捷的方式是將樣品剪裁成阿爾門試片一樣的規(guī)格，即19mm*76mm。這樣在刻蝕時可以采用噴砂硬度治具。
簡支的作用
沒有簡支的薄板在刻蝕成型時會在兩個方向等同形成變型。這一般不是希望的。但是，雙向的簡支對于主撓度體系有較大的影響，會在丸料撞擊過程中形成塑性變型。這些簡支可以是壓撓度也可以是拉撓度。
圖9所示為在外部彎曲作用下產(chǎn)生的表面拉簡支+p。現(xiàn)今最大的主撓度為（+p-r），最小的仍為-s。按照屈服準則，Y=（+p-r）-（-s），因而給出x方向的屈服為：
Y=s+p-r（9）
對比方程（3）和（9）可見，所需的壓撓度s的絕對值早已除以了p。諸如，假定r為常數(shù)，簡支為即為所需的壓撓度s乘以。通過丸料來增加撓度水平，說明型腔表面的上部會有更深的擴充變型。因而簡支強烈的提高在x和z方向上的屈服，也使剪力有更大的提高。另一方面，y方向的屈服是減緩的。“泊松收縮”也旁證了這點。
圖9.在拉伸刻蝕成型過程的主撓度
圖10所示為，遭到的大小為-p的預壓撓度被當作一個外部的斥力。現(xiàn)今最大的主撓度是-r，最小的尚未-s。運用屈服準則Y=-r-（-s），因而可以給出y方向的屈服為：
Y=s-r（10）
方程（10）與方程（3）彎曲相同。這說明壓簡支不會形成屈服，因而不會發(fā)生更深的變型。但是有一個t形工件，p提高了在寬度方向上抵抗流動的能力。相反的，由于泊松效應也提高了在縱向的流動。說明當外部施加的剪力M去不僅，x方向上的彎曲也會消失。
圖10.在壓縮刻蝕成型過程的主撓度
變型矯治
變型矯治是一項專業(yè)技術，一般是基于經(jīng)驗進行。一些變型了的螺孔可以有一定程度的變型矯治，這樣在機械加工時僅須要加工較小的量。這可以通過在型腔的一定部位進行足夠硬度的刻蝕來實現(xiàn)。基本誘因是給出的剪力，矯治量以及型腔的撓度。
以下是一個簡單的示例，說明了一些基本誘因。一個寬度1m的薄板，其變型如圖11所示。給出的刻蝕部位寬度是10cm，圖中AB，須要引入直徑為R的彎曲，R為1m。假如我們在薄板下方的CD位置處以同樣參數(shù)刻蝕，薄板會有同樣量的反向彎曲。這樣就可以實現(xiàn)矯治。COD的角度可以通過CD/R或10cm/100cm求得，所以COD=0.1弧度。符合弧度可以通過180/π轉換為角度。所以COD的角度換算為6°。BEF也同樣為6°（對于此例），因而就可以實現(xiàn)須要的矯治。
圖11薄板變型和矯治的示意圖
討論
刻蝕不可防止地會帶來零件形狀的改變，形狀變化的量可以根據(jù)剪力的知識進行預估。但是，形狀變化的剖析可依照塑性理論和彈性理論。在1865年，在得到屈服準則時就早已被認識到了有一個t形工件，在此文中慎重的應用了簡化了的塑性和彈性理論——這是為了照料到更多的刻蝕工程師。
阿爾門試片僅順著其厚度邊沿進行固定。隨著刻蝕的發(fā)展也會形成縱向的拉伸簡支，這個縱向拉伸簡支會促使試片表面材料進行縱向塑性流動，這也就合理地解釋了觀察到的縱向塑性流動對弧高值的貢獻要小于各向同性的塑性流動。
由刻蝕導致的形狀變化可以通過撓度釋放的方式得到部份的恢復。假如形狀變化不是希望的，一種解決辦法是引入更大的預變型，再進行滲碳調整使其恢復到所需的形狀。
