喷丸强度：J443规范关于喷丸强度测试方法的进化指南

引 言                                                                                                        

    关于规定标准喷丸测试试片使用方法的J443规范最早是在1952年1月份面世的。J443规范作为SAE（美国汽车工程师学会）推荐的实用文件，其中已经奉为经典的各种准则已广泛地应用于喷丸工业领域。随着喷丸实践以及技术的不断进步，J443规范也历经了几次升版的历程。升版的时间分别为1961、1984、2003以及2010年。目前最新的版本还在制定过程中。J443规范是一个重要且有着明确定义的喷丸强度测试的指南。

    本篇文章尝试着把J443规范的升版历程对喷丸强度测试的影响，这个历史过程还原出来。J443规范未来的发展一定要考虑新技术以及更为先进的方法等因素。

J443 1952

    J443规范的最早版本产生于和我们现在完全不同的时代。在那个时代，人们所掌握的知识是比较有限的，而且相关的概念还只是停留在最初形成的阶段。在那个时候，只能使用尺子和对数表，用印刷模板的方法刻字和绘图。采用非常费力的手工处理方法进行统计分析，因此相关的实际应用非常少。

    该标准中推荐了关于喷丸强度测试的两个可选的方法-“基于弧高值和喷丸时间关系的喷丸强度测试方法”以及“基于覆盖率测试的喷丸强度测试方法”。

基于弧高值和喷丸时间关系的喷丸强度测试方法

    这个大家比较熟悉的方法是基于阿尔门弧高值和喷丸时间的关系图。如图1所示。

    1952年版本中的图示（图1）现在看起来有点奇怪。那时已经可以用平滑的曲线把分段的曲线较好地连成一个整体。曲线一般是用铅笔进行手绘然后用墨水在描图纸上进行复印。图1显示出的曲线形状和用真实数据拟合出的曲线形状明显不同，不同之处主要是该曲线的前段部分斜率太高了太陡峭了。图1中六个点对应的喷丸时间分别是1、2.5、5、20、60和220。在实际应用中，喷丸时间范围从1到220好像不太可能。图1上的六个“实际点”好像是加在事先画好的曲线上，六个点对应的弧高值不太可能为真实的阿尔门试片数据。如果在曲线拟合时考虑真实数值的变化性，那么图1不再使用。当时之所以用图1表示可能是故意地把图示简化，避免因为数据点变化以及相应的修正而把问题变得更加复杂。

    在图1中出现了“喷丸强度”和点“A”。“喷丸强度”就是曲线上六个真实点中的第四个点。这个第四个点正好是当喷丸时间增加一倍时，弧高值的增加量正好等于或小于10%的第一个点，由此可见10%法则最早出现在1952年。点“A”是曲线上的一个点（不是“真实点”），但该点并没有明确的位置，也没有相应的说明，因此该点的具体意义现在很难去判断。

    在1952版J443标准的文中有这么一段话：“与曲线中点A相对应的测具读数通常被认为喷丸强度的测试值。在某些应用中该点很难找出，因此需要进行细致的判断”。然而在图1中的喷丸强度值却是“真实值”，这个“真实值”在文章中并未提及。这种图文不一致的情况对喷丸强度的定义有点模棱两可。

    1952版J443标准中的图2如本文的图2所示。在图2中，数据的变化性有所体现，但在文章中并未提及此变化性。该图的作用就是解释如何调整喷丸参数以获得所需要的喷丸强度。这三个曲线中分别包含9、8和7个点。每个曲线和图1中的曲线一样，喷丸时间的范围都非常的大。

另外一种方法：基于覆盖率测试的喷丸强度测试方法

    喷丸强度测试的另外一种方法表明喷丸强度的定义可以采用不同的方式。这种方法设定喷丸强度可以用以下三个条件进行定义：试片类型，弧高值和覆盖率百分比，例如“0.010，A-2和98%覆盖率”。

推荐的方法可以概况如下：

    （1）把一个阿尔门试片的表面进行抛光，然后用已知较短的喷丸时间对该试片进行喷丸，然后对试片表面的覆盖率进行测试。覆盖率的测试方法是把试片放入金相显微镜中，把透明的纸放在试片之上，然后用比较尖的铅笔在该透明的纸上把喷丸产生的凹坑圈出来。用面积仪把凹坑的尺寸测算出来并最终计算出凹坑面积占试片总面积的百分比。

    （2）计算出来的覆盖率和相对应的喷丸时间用来确定覆盖率是否达到要求的值（比如98%）。

    （3）用由步骤（2）确定的喷丸时间在一个没有抛光的阿尔门试片进行喷丸，观察喷丸后的弧高值是否满足要求。

    （4）如果测量出来的弧高值不满足要求，那么需要调整设备参数并重复（1）~（4）的步骤。

    覆盖率和喷丸时间的关系可用下式表达：

C₂=1-（1-C₁）ⁿ

    其中C1为一个周期喷丸时间后的覆盖率百分比，%

    C2为n个周期喷丸时间后的覆盖率百分比，%

    n为喷丸周期数

    图3显示了喷丸时间和覆盖率之间的关系。

    图3中的曲线满足下面的表达式：

C%=100(1-0.756ⁿ)

    在1952版J443标准中的第7段关于图3进行了相应的解释：假设所需要的条件为0.010，A-2和98%覆盖率。进一步假设在第一个周期喷丸后的覆盖率为76%。如果以图3的数据为准，那么一个周期相当于T=5。当T=14时，可以达到98%的覆盖率，也就是说喷丸周期需要增加到14/5=2.8倍时，覆盖率为98%。这就是后续决定弧高值大小的所需时间。

    这种方法虽然看起来不太适用于车间批产的场合，但是其确实也有着独特的优势，即喷丸强度是唯一的，而不是要从饱和曲线图中选择一个点出来（这个点相对来说不是唯一的，比较模糊）。

J443 1961

    1961版J443标准与1952版相比，只在两个介绍性的段落中提到了喷丸强度单位可分为N、A和C型三种类型，标准中的其它内容都一样。因此该版本的标准不认为是1952版本的替代。1952年到1961年间，图解和计算方法的进步很小，口袋计算器那时还没有出现。

J443 1984

    本版的规范已在声明中指出就是要替代1952版的规范。

    本版规范从内容上有了比较大的扩充，从1952/1961版本中的2页扩展到了6页。另外，在本版规范中也引用了其它的规范，其中包括SAE J442，SAE J784a和SAE J808a。还有一个规范SP181作为仅供参考，并不作为本版规范的一部分。

    之前版本规范中的图示只是进行简单的复制，但是在1961年以后，计算方法已经有了很大的进步，例如在X射线衍射测试中，用最佳拟合的曲线来精确地找到衍射峰。所采用的设备（例如计算机和可编程的口袋计算器）可以消除手工方法的繁琐。年龄稍微大一些的读者可能还记得Commodore64位电脑在当时最为热销。

    在1984版的J443标准中的图1，在本文如图4所示。从图4可以看出，曲线上同样有六个点，且形状和之前的版本一样。在六个点之后有一段虚线代表了曲线后续的趋势。所有六个点均落在手绘的曲线上，但是如上所说，对于真实的数据点是不可能的。喷丸强度和点“A”仍然保存了下来。

    在1984版的J443标准中的图1中（本文中的图4）增加了“当喷丸时间增加一倍时弧高值增加小于等于10%”和“对于非关键零件，可以用20%法则”这两句话。对于点“A”进行了明确了定义，即点“A”不是六个“真实点”的一个点，是曲线上选出的一个点。但本版本的标准中没有提到计算曲线拟合的方法，虽然这种方法在其它的技术中得到了普遍应用。

    在1984版的J443标准中对“强度”进行了描述和定义：

    喷丸强度（例如，12A）是通过绘制饱和曲线的方法获得的一个弧高值，解释如下：

    一系列的弧高值和所对应的喷丸时间可以用来绘制饱和曲线。采用相同的喷丸参数，不同的喷丸时间，对一组的阿尔门试片进行喷丸，然后以时间为横坐标、弧高值为纵坐标绘制一条曲线。一组喷丸后的阿尔门试片的数据点可以绘制出类似于如图4的曲线。当曲线上的“膝点”过后并且喷丸时间再有相应的延长（相应的弧高值也会有一定的增长），饱和点就会出现。图4中膝点的位置，即点“A”可以定义为当喷丸时间增加一倍时，弧高值的增加不超过一个特定的百分比（X%）的点。

    在上述的目的性很强的定义中少了一个关键的词，就是在最后一句话中少了一个“第一个”。如果加上后，内容就变成了：“图4中膝点的位置，即点‘A’可以定义为当喷丸时间增加一倍时，弧高值的增加不超过一个特定的百分比（X%）的第一个点”。如果加上了“第一个”，那么将会避免后来的种种误解。加上了“第一个”，说明饱和点（喷丸强度）是唯一的值。如果没有“第一个”，那么饱和点（喷丸强度）就不是一个唯一的值，而是一个区间范围。

    在本版标准中，用“饱和”来定义喷丸强度，然后用“饱和曲线”来描述图4中曲线的形状。用“饱和”这个词来表达容易引起歧义，这是因为大家所普遍理解的“饱和”的含义并没有出现。“饱和”经常用来描述达到极限的情况，然而这种极限情况并没有出现喷丸的任何一个阶段。也许，用“强度决定曲线” 会比“饱和曲线”更好。

    在1984版的J443标准中的图2，图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喷丸强度的数据点，曲线显得更加的平滑一些，并增加了“弧高值小于等于10%”等一些文字的说明。关于如何调整束流的喷丸强度的解释说明和之前版本的内容也是相似的。

    本版标准对通过表面覆盖率确定喷丸强度的方法进行了一定的延伸，但是并没有规定其是“基于覆盖率测试的确定喷丸强度的另一种方法”。共介绍了五种通过表面覆盖率确定喷丸强度的方法，其中的一种和1961版本的方法是相同的。

J443 2003

    该版本声明是替代了1997版J443标准，但是这是不正确的，因为了1997版J443标准从未正式发行过，因此从官方上来讲其应该是代替了1984版本的J443标准。修订后的标准仅有四页，关于覆盖率测试的方法合并到了“J2277喷丸覆盖率”的标准中并在该标准中进行了引用。另外一个引用的标准是J442。

    该标准中的图1与之前的版本相比（本文中的图6）发生了变化（这在过去的超过50年中是第一次），从形状上来看与之前的版本非常不一样，倒和1952版J443的图3覆盖率曲线十分的相似。该图的命名为“饱和曲线”而不是“喷丸强度决定曲线”。该图在SAE关于喷丸的手册HS-84中也出现过。

    在图6中可以看到总共有6个点，所有的六个点都非常接近曲线。从坐到右六个点与曲线的差异为“曲线下，曲线上，曲线中，曲线下，曲线中，曲线上”。这个顺序在统计学中来看是不太可能出现的。

    关于喷丸强度的定义如下内容所示：

    “当曲线上的‘膝点’过后并且喷丸时间再有相应的延长（相应的弧高值也会有一定的增长），饱和点就会出现。图6中膝点和饱和点可以定义为当喷丸时间增加一倍时，弧高值的增加不超过10%的第一个点。”

    非常幸运地，“第一个”这个词终于出现了，但是在这个定义中其它的问题又出现了，主要是：（1）该简单指数函数形状的曲线并未有“膝点”；（2）“曲线上的第一个点”的描述是含糊不清的。在图6中“饱和点”恰好出现在“真实点”上，这和之前的版本是不一样的，有可能会导致对喷丸强度的定义有不同的解读。例如，选择六个真实数据点中的第一个当喷丸时间增加一倍时，弧高值的增加小于等于10%的“真实数据点”作为喷丸强度。在图6中T和2T对应的点也刚好为真实数据点。

    在之前版本中出现的图2（即显示设备参数如何影响喷丸强度）并没有出现在该版本中。可能是认为标准使用者并不需要了解通过如何调整设备参数来影响喷丸强度方面的内容。

    J443 2010

    该版本声明是替代了2003版J443标准，共有六页且有三个引用的规范，包括：

    SAE J442 喷丸用的测试试片、夹持器和测具；

    SAE J2277 喷丸覆盖率的测试方法；

    SAE J2597 计算机生成喷丸饱和曲线。

    本版标准与之前版本相比主要有以下三个变化：

    （1）该标准图1—去掉了“等于或小于10%”中的“小于”，这样从一个给定的饱和曲线中就只能得到唯一的一个喷丸强度值；

    （2）该标准图2-该图为饱和曲线的另一种特殊情况，就是不存在时间增加一倍，弧高值增加大于10%的点，那么如果出现该情况，喷丸强度定义为该曲线上的第一个数据点；

    （3）段落7.3—在喷丸强度测试中经常用到多个阿尔门固定器。在每个固定器位置的喷丸强度必须满足相应的要求。而每个固定器位置的饱和时间不是唯一的……。

    J443 2010中的图1

    J443 2010中的图1在本文中如图7所示。该图中的曲线是拷贝2003版J443图1的，但是却消除了在2003版J443中出现的容易令人产生误解的问题。图7去掉了之前的两个点（即喷丸时间1T和2T对应的点），只剩下四个点，这消除了喷丸强度必须是真实数据点的误解。“增加10%”用于确定曲线上的唯一的一个点，通过这个点来确认喷丸强度水平。这也就消除了第二个误解。图7中的特征曲线定义为“类型1”，这是为了与新的特征曲线“类型2”进行区分。在本版标准中首次提到了计算机方法：推荐用计算机按照SAE J2597标准生成饱和曲线的方法。

    J443 2010中的图2

    另外一种形状与图7相比完全不同的饱和曲线如图8（J443 2010中的图2）所示。图8也是一个理想的形状，因为图中的“真实”数据没有任何变化性。之所以使用“类型2”饱和曲线，这是因为在实际试验过程中会遇到当设定最小的喷丸时间/周期时，所得到的弧高值仍然高于喷丸强度点，那么就用最小的喷丸时间/周期所对应的弧高值作为喷丸强度。在该类型的曲线中，没有任何点当时间增加一倍时，弧高值的增加量超过10%。

    采用这种特殊的饱和曲线（“类型2”）计算出来的喷丸强度可能比正常的饱和曲线（“类型1”）计算出来的喷丸强度要高，但是本版标准并未给出形影的“修正”的方法。

    第7.3节—当用多个固定器时喷丸强度的确认

    本节讨论的是另外一个主题，即当使用多个固定器时在过程检验中如何确认喷丸强度。每个固定器对应的饱和时间T都是不同的。在喷丸强度的过程检测中，每个固定器只能固定一个试片，因此本规范推荐用唯一的一个喷丸时间来确定喷丸强度，应该选取由饱和曲线确定的饱和时间中的最长的那个，或者其它客户认可的时间。使用唯一的喷丸时间在每个试片上进行喷丸，所得的弧高值应该满足要求的范围，即每个喷丸后的试片的弧高值与原始喷丸强度相比应在±0.038mm（±0.0015英寸）的范围以内。

讨论和结论

    J443标准在可控喷丸中起到了核心的作用。J443标准从1952年到现在的进化有着很多令人欣慰的方面。以现在的眼光批评和评价之前的标准是容易的，因此在本篇文章中出现的任何的批评的内容都不是故意的。在任何领域中的委员会都会遇到意见不统一的问题，然而J443委员却能够成功的不断提炼和改进喷丸强度的测试方法并能够把新的分析技术融入其中，是非常值得肯定的。