薛菲 李路鑫 鹿素芬

摘 要：噴丸工藝是一種有效提高工件表面疲勞抗力的表面處理工藝，被廣泛應(yīng)用在航空、汽車、動力機(jī)械等重要領(lǐng)域。噴丸數(shù)值模擬是制訂噴丸工藝方案、評估噴丸后工件表面疲勞抗力的主要理論工具。本文運(yùn)用有限元仿真軟件建立了ZGMn13噴丸強(qiáng)化的有限元模型，利用仿真結(jié)果預(yù)測了噴丸速度、噴丸時(shí)間、噴丸覆蓋率對殘余應(yīng)力場分布的影響。從計(jì)算結(jié)果可以看出，噴丸速度相同時(shí)，殘余壓應(yīng)力層的深度和殘余壓應(yīng)力的峰值隨著噴丸時(shí)間的增加而增加，但是增加到一定程度后，會逐漸趨向于飽和，但殘余壓應(yīng)力峰值深度位置并不隨著噴丸時(shí)間的增加而增加，而是基本保持不變；隨著噴丸速度的增加，殘余壓應(yīng)力層的深度和殘余壓應(yīng)力值的峰值隨之增加。

關(guān)鍵詞：ZGMn13；噴丸強(qiáng)化；有限元分析

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.16.010

1 緒論

噴丸強(qiáng)化[1-4]是利用高速彈丸流對金屬零件表面進(jìn)行撞擊，使零件表面產(chǎn)生殘余應(yīng)力場，改變零件的表面狀態(tài)并提高零件的疲勞性能，與其他表面處理工藝相比， 噴丸強(qiáng)化具有強(qiáng)化效果明顯、消耗成本低、實(shí)施過程簡便等特點(diǎn)， 廣泛應(yīng)用于動力機(jī)械、汽車和航空等重要領(lǐng)域。

噴丸強(qiáng)化過程是高度非線性的動態(tài)沖擊過程，噴丸工藝參數(shù)對噴丸效果的影響需要借助于數(shù)值仿真手段進(jìn)行分析，近年相關(guān)學(xué)者開展了噴丸數(shù)值模擬[5-8]研究取得了較大進(jìn)展。但由于噴丸強(qiáng)化作用過程復(fù)雜且影響因素眾多，至今仍有許多關(guān)鍵技術(shù)有待深化和解決。本文針對工業(yè)常用耐磨材料ZGMn13[9-12]的噴丸表面強(qiáng)化展開研究，利用Abaqus建立了多丸粒噴丸強(qiáng)化模型，研究噴丸覆蓋率、噴丸時(shí)間和噴丸速度對噴丸強(qiáng)化殘余應(yīng)力場的影響，建立了ZGMn13多丸粒噴丸模型，研究了噴丸覆蓋率、噴丸時(shí)間和噴丸速度對于ZGMn13表面噴丸強(qiáng)化效果的影響，為ZGMn13噴丸強(qiáng)化效果預(yù)測和工藝參數(shù)的優(yōu)化提供依據(jù)。

2 ZGMn13拋丸強(qiáng)化有限元模型

由于在彈丸碰撞ZGMn13工件時(shí)，彈丸垂直于ZGMn13工件的表面撞擊，彈丸接觸ZGMn13工件的表面時(shí)的彈丸速度是瞬時(shí)不連續(xù)的，因此本文選擇顯式時(shí)間積分。

2.1 ZGMn13工件模型幾何尺寸

影響噴丸效果的因素主要包括：材料本身的性能、噴丸速度、彈丸直徑、噴丸覆蓋率等。本文所建立幾何模型如圖1所示。

2.2 材料的力學(xué)性能

所采用的ZGMn13和噴丸材料工藝參數(shù)如表1所示。

2.3 載荷

當(dāng)彈丸以一定的速度撞擊ZGMn13工件表面時(shí)，對ZGMn13工件表面施加一定的沖擊載荷。本文通過定義噴丸的初始速度來定義噴丸與ZGMn13工件表面撞擊過程中所產(chǎn)生的載荷。

彈丸以一定的速度撞擊ZGMn13工件表面時(shí)。由于噴丸垂直碰撞ZGMn13工件，因此摩擦系數(shù)設(shè)為 0。

2.4 ZGMn13單元類型和網(wǎng)格劃分

ZGMn13工件的網(wǎng)格劃分選用 C3D8R 單元，彈丸選用C3D4單元。

3 ZGMn13噴丸后表面殘余應(yīng)力

在本文中通過改變彈丸數(shù)目來模擬噴丸時(shí)間對ZGMn13工件表面噴丸后殘余應(yīng)力的影響。噴丸直徑為1.5mm，噴丸速度分別為40 m/s、60 m/s、80 m/s和100 m/s，撞擊點(diǎn)為工件中心點(diǎn)（坐標(biāo)值（0，0，0）），噴丸數(shù)目 N 分別為1、2、3、4、5、6、7、8、9、10。圖 2、圖3、圖4和圖5 分別為速度40m/s、60m/s、80m/s、100 m/s時(shí)噴丸時(shí)間對殘余應(yīng)力分布的影響。圖2、圖3、圖4和圖5 的計(jì)算結(jié)果表明，噴丸速度相同時(shí)，殘余壓應(yīng)力的峰值和壓應(yīng)力層的深度隨著彈丸數(shù)量的增加而增加，但是增加到一定程度后，會逐漸趨向于飽和。圖6所示為不同速度不同噴丸時(shí)間時(shí)殘余壓應(yīng)力最大值，從圖6可以看出，在相同噴丸時(shí)間下，殘余壓應(yīng)力值是隨著速度的增加而增加的，分析其原因：噴丸的沖擊動能是隨著噴丸速度的增加而增加，導(dǎo)致ZGMn13噴丸表面殘余壓應(yīng)力峰值隨之增大。

圖7所示為不同速度時(shí)噴丸時(shí)間對壓應(yīng)力最大值層深的影響，圖8所示為不同速度時(shí)噴丸時(shí)間對壓應(yīng)力層深的影響。從圖7和圖8可以看出，隨著噴丸時(shí)間的增加，殘余壓應(yīng)力峰值所在的位置基本保持不變，但是殘余壓應(yīng)力層深是隨著噴丸速度的增加而增加的，分析其原因：噴丸的沖擊動能是隨著噴丸速度的增加而增加，導(dǎo)致ZGMn13噴丸表面殘余壓應(yīng)力層厚度隨之增大。

4 結(jié)論

本文運(yùn)用大型有限元軟件ABAQUS 建立了噴丸強(qiáng)化ZGMn13的三維有限元模型，對噴丸過程進(jìn)行了計(jì)算分析，得到如下結(jié)論：

噴丸速度相同時(shí)，殘余壓應(yīng)力的峰值和壓應(yīng)力層的深度隨著彈丸數(shù)量即噴丸時(shí)間的增加而增加，但是增加到一定程度后，會逐漸趨向于飽和，但殘余壓應(yīng)力峰值深度位置并不隨著噴丸時(shí)間的增加而增加，而是基本保持不變；噴丸速度增加時(shí)，殘余壓應(yīng)力層深度和殘余壓應(yīng)力峰值隨之增加。

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