姬武勛+劉曉初+溫溢恒+何銓鵬+談世松

【摘 要】針對(duì)強(qiáng)化研磨技術(shù)加工過(guò)程中不同的噴射速度對(duì)鋼板表面等效應(yīng)力、塑性形變、殘余壓應(yīng)力等機(jī)理的影響，論文采用ANSYS/LS-DYNA進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)仿真分析，綜合分析得出速度在60m/s～80m/s的速度可以獲得較好的綜合效果。

【關(guān)鍵詞】強(qiáng)化研磨；噴射速度；等效應(yīng)力；塑性形變；殘余壓應(yīng)力

0 引言

強(qiáng)化研磨[1]是一種基于復(fù)合加工方法的使金屬材料具有抗疲勞、抗腐蝕、抗磨損特性的精密加工技術(shù)，是由廣州大學(xué)劉曉初教授提出的一種集強(qiáng)化塑性加工和研磨微切削于一體的”強(qiáng)化研磨加工”新方法。通過(guò)噴頭將混有高強(qiáng)度噴丸、研磨粉的強(qiáng)化研磨液在高壓氣體的作用下噴射到軸承（以下簡(jiǎn)稱工件）表面，對(duì)表面進(jìn)行隨機(jī)等概率的碰撞，其中研磨液中的鋼丸先使工件表面層發(fā)生塑性變形，并產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力[2]，同時(shí)噴丸對(duì)工件表面進(jìn)行初次磨削；隨后研磨粉于軸承表面發(fā)生橫向作用力，對(duì)工件表面進(jìn)行微切削[3]；并伴隨有強(qiáng)化研磨液在高溫高壓作用下與工件表面發(fā)生一系列復(fù)雜的作用，從而實(shí)現(xiàn)工件表面的強(qiáng)化和研磨的效果。

工件的強(qiáng)度，粗糙度與工件加工后的殘余壓應(yīng)力，塑性形變，最大應(yīng)力有關(guān)，因此，開展對(duì)工件表面殘余壓應(yīng)力，塑性形變，最大的研究對(duì)提高工件的使用壽命和穩(wěn)定性具有重要意義。

1 模型建立

強(qiáng)化研磨加工過(guò)程中，強(qiáng)化研磨料（由強(qiáng)化鋼丸、研磨粉、強(qiáng)化研磨液組成）與高壓氣體混合[4]，在高壓噴射系統(tǒng)作用下形成氣、液、固三相混合噴射流，與工件表面產(chǎn)生隨機(jī)、等概率的碰撞。由于強(qiáng)化鋼丸的作用使加工初期的工件表面發(fā)生塑性變形，并且加工后工件表面的殘余壓應(yīng)力主要有噴丸的作用形成，故須首先考慮單顆粒噴丸對(duì)工件表面作用的效果。其次假設(shè)對(duì)軸承套圈進(jìn)行微分，單個(gè)體積為3mm×5mm×3mm，上下表面視為平面，這樣可以簡(jiǎn)化計(jì)算過(guò)程。

利用ANSYS對(duì)工件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，假設(shè)鋼丸在到工件表面之前做勻速運(yùn)動(dòng)，現(xiàn)在假設(shè)其它影響因素都相同，分別設(shè)定鋼丸的噴射速度（分別為40m/s、60m/s、80m/s、100m/s、120m/s），通過(guò)ANSYS后處理觀察工件的殘余壓應(yīng)力在不同速度下的大小。

2 仿真分析

本文主要采用ANSYS程序計(jì)算出不同速度時(shí)的等效應(yīng)力，對(duì)噴射速度與殘余壓應(yīng)力的關(guān)系進(jìn)行分析。其在不同速度下的仿真分析結(jié)果如表1所示。

根據(jù)工件在Y方向產(chǎn)生的應(yīng)力圖，以主要變形單元為分析對(duì)象，目標(biāo)鋼板被噴表面y=0為起點(diǎn)，沿-Y方向依次選取相關(guān)單元（，取單元格為殘層深度間隔尺寸，將計(jì)算得到的殘余應(yīng)力值匯總于表2。

2.1 噴射速度對(duì)等效應(yīng)力的影響

根據(jù)表1中的等效應(yīng)力值，繪制噴射速度對(duì)等效應(yīng)力的影響曲線，如圖1所示。由此可見：噴射速度由40m/s到80m/s等效應(yīng)力逐漸增大，80m/s到100m/s時(shí)有下降趨勢(shì)。

2.2 速度對(duì)塑性應(yīng)變的影響

根據(jù)表中的塑性應(yīng)變值，繪制噴射速度對(duì)塑性應(yīng)變的影響曲線[6]，如圖2所示。由此可見：塑性應(yīng)變隨著速度的增大明顯加快。速度在60m/s～80m/s時(shí)增加平緩，而80m/s～100m/s時(shí)加快。

2.3 速度對(duì)殘余應(yīng)力的影響

1）速度對(duì)最大殘余應(yīng)力的影響

根據(jù)表2-1中Y方向的最大殘余應(yīng)力值，繪制噴射速度對(duì)最大殘余壓應(yīng)力的影響曲線[7]，如圖3所示，由此可見：最大殘余壓應(yīng)力值隨著速度的增大而增大。速度大于60m/s后增大趨勢(shì)變緩。

2）速度對(duì)殘余應(yīng)力分布的影響

根據(jù)表2中不同速度下在Y方向產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，繪制速度對(duì)殘余應(yīng)力的影響曲線，如圖3所示?？梢姡核俣却?，殘層深度大。超過(guò)80m/s時(shí)，最大壓應(yīng)力不在最表面且有深的強(qiáng)化層。

3 分析與結(jié)論

綜上所述：對(duì)于彈丸直徑為Φ1mm，噴射角度為90°，選60m/s～80m/s的速度可以獲得較好的綜合效果。

該文在強(qiáng)化研磨加工方法基礎(chǔ)上闡述了強(qiáng)化研磨加工時(shí)的最優(yōu)噴射速度，該研究進(jìn)一步完善了強(qiáng)化研磨加工技術(shù)。此外，文中對(duì)噴射速度的分析方法為接下來(lái)的其它影響機(jī)理（如噴射角度、噴射距離）的研究提供了很好的借鑒，對(duì)促進(jìn)強(qiáng)化研磨加工技術(shù)的發(fā)展有深遠(yuǎn)的意義。

【參考文獻(xiàn)】

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[7]謝碧洪，劉曉初，梁忠偉.軸承強(qiáng)化研磨加工時(shí)間對(duì)溝道表面殘余壓應(yīng)力的影響[J].機(jī)電工程技術(shù)，2014（03）.

[責(zé)任編輯：侯天宇]