陳家偉，廖凱，李立君，高自成，陳輝，龔海

?

鋁合金噴丸工藝參數(shù)-表面特征值的關(guān)系與應(yīng)用

陳家偉1，廖凱1，李立君1，高自成1，陳輝1，龔海2

（1. 中南林業(yè)科技大學(xué)，長沙 410004；2.中南大學(xué)，長沙 410083）

探究噴丸強化工藝后鋁合金材料表面性能的變化規(guī)律，得到材料表層應(yīng)力和變形與噴丸工藝參數(shù)間的對應(yīng)關(guān)系。采用Box-Benhnken實驗設(shè)計法（BBD），以噴丸壓力、丸粒大小、噴射距離三因素為自變量，以表面殘余應(yīng)力與彈坑變形量為響應(yīng)，設(shè)計了3因素3水平噴丸實驗方案，并運用有限元仿真軟件ANSYS/LS-DYNA建立多彈丸撞擊鋁合金靶材的有限元模型，依據(jù)實驗方案獲得表面應(yīng)力值與彈坑處變形量。然后，使用Design-Expert軟件對數(shù)值進(jìn)行擬合，得到多元回歸二次方程，運用響應(yīng)面分析法（RSM）進(jìn)行分析，討論各因素之間的交互作用，同時，根據(jù)回歸方程的方差分析結(jié)果，確定模型的擬合程度。最后，以7075-T651鋁合金為靶材，進(jìn)行噴丸驗證實驗，結(jié)合XRD應(yīng)力測試與彈坑剖面光學(xué)顯微觀察，得到應(yīng)力值和變形量，以檢驗?zāi)Ｐ偷臏?zhǔn)確性。應(yīng)力函數(shù)模型和變形函數(shù)模型的校正決定系數(shù)Adjusted2分別為90.13%、91.68%，應(yīng)力計算值和實驗值結(jié)果偏差小于5.5%；剖面晶粒變形顯示靶材變形層與計算值吻合較好，表明函數(shù)模型具有較高的準(zhǔn)確性。該函數(shù)模型能夠快速準(zhǔn)確地由材料表面應(yīng)力或變形推導(dǎo)出噴丸工藝參數(shù)配置，這為噴丸表面應(yīng)力和硬度強化提供多樣性參考。

噴丸強化；函數(shù)；有限元模型；表層應(yīng)力；變形量；BBD

7075-T651鋁合金具有密度低、比強度高、斷裂韌性好、耐腐蝕性強以及加工性能良好等優(yōu)勢，在航空機(jī)械構(gòu)件上得到廣泛的使用[1-3]。材料毛坯件存在的初始應(yīng)力以及后續(xù)過程中產(chǎn)生的加工應(yīng)力會導(dǎo)致薄壁構(gòu)件不同程度的變形[4-5]，且構(gòu)件表面殘余應(yīng)力會極大地影響其疲勞強度[6-7]，因此調(diào)控鋁合金構(gòu)件的加工變形，進(jìn)而提高鋁合金構(gòu)件的疲勞性能，已成為航空機(jī)械制造業(yè)的研究熱點[8-11]。

噴丸強化工藝是在材料表層引入一定深度的殘余壓應(yīng)力，調(diào)整應(yīng)力分布，從而調(diào)控變形，改善構(gòu)件的疲勞性能和抗腐蝕性能，其廣泛應(yīng)用于航空結(jié)構(gòu)件的表面處理[12-14]。王玖等人[15]研究了彈丸速度和直徑對殘余應(yīng)力分布的影響，認(rèn)為最大殘余應(yīng)力值和彈丸速度不呈線性關(guān)系，但壓應(yīng)力層深度隨彈丸直徑的增大而增加。該研究只針對彈丸速度和彈丸直徑進(jìn)行了討論，而影響噴丸殘余應(yīng)力的工藝參數(shù)多，因此該結(jié)論對實際生產(chǎn)的參考價值有待完善。李源等人[16]運用ABAQUS有限元軟件建立了彈丸束噴丸模型，研究噴丸工藝參數(shù)對工件表面粗糙度的影響，有效模擬了噴丸強化工藝的飽和過程。高玉魁等人以40Cr鋼為對象，研究了壓縮殘余應(yīng)力場隨靶材和噴丸條件的變化規(guī)律，定量描述了不同條件下壓縮殘余應(yīng)力場的變化規(guī)律[17]，為噴丸工藝的進(jìn)一步研究提供了參考。A. Ghasemi等人[18]采用仿真與實驗相結(jié)合的方法討論了噴丸處理對材料表面性質(zhì)的影響，結(jié)果表明，當(dāng)覆蓋率超過100%后，最大壓應(yīng)力幾乎是不變的，壓應(yīng)力層深度隨覆蓋率的增加而減小。但目前在探究噴丸工藝參數(shù)對表面質(zhì)量的影響上所做研究不多。M. Mhaede等人[19]研究了噴丸和球拋光工藝參數(shù)對7075鋁合金的顯微硬度、表面粗糙度以及殘余壓應(yīng)力的影響，結(jié)果表明，材料的疲勞壽命和腐蝕疲勞壽命有明顯的提高，其研究工作揭示了噴丸處理對材料表面性能的影響規(guī)律。劉雪梅等人[20]將一定覆蓋率下的最少噴丸時間和最小比能作為目標(biāo)，進(jìn)行噴丸工藝參數(shù)優(yōu)化，篩選出兼顧兩者的最優(yōu)工藝參數(shù)組合，間接地反映了噴丸質(zhì)量與工藝參數(shù)之間的關(guān)系。關(guān)艷英等人[21]采用正交實驗法研究了撞針?biāo)俣群妥册樦睆降纫蛩貙Ы畎宄暡▏娡璩尚突「咧档挠绊?，得到最?yōu)的參數(shù)組合方案。Nam等人[22]采用Box-Benhnken法（BBD）研究了噴射距離、壓力、沖擊角和撞擊時間對顯微硬度和殘余應(yīng)力的影響，運用響應(yīng)面分析法進(jìn)行優(yōu)化，提出最佳噴丸條件，并進(jìn)行了實驗驗證。H. Y. Miao等人[23]以2024薄鋁條為試樣，研究了噴丸速度和噴丸時間對殘余應(yīng)力分布的影響，以優(yōu)化噴丸成形過程。綜上，當(dāng)前研究認(rèn)為噴丸工藝不僅在材料表面引入壓應(yīng)力，同時有效改善了材料機(jī)械性能，但在探究噴丸工藝參數(shù)對材料表面特性的影響，尤其是數(shù)學(xué)關(guān)系上，還有待進(jìn)行深入的研究。

本文通過Box-Benhnken實驗設(shè)計法制定了三因素三水平實驗計劃，利用ANSYS/LS-DYNA有限元仿真軟件建立噴丸三維模型，準(zhǔn)確掌握不同噴丸工藝下材料表面應(yīng)力和彈坑變形狀況，并結(jié)合方差分析、響應(yīng)面分析與驗證實驗，建立了工藝參數(shù)與表面特征值函數(shù)模型，以此模型提供應(yīng)力與變形交叉組合的工藝參數(shù)預(yù)測，實現(xiàn)了通過噴丸處理達(dá)到調(diào)控預(yù)期材料表面質(zhì)量的目標(biāo)。

1 方案設(shè)計

1.1 Box-Benhnken實驗設(shè)計

Box-Benhnken設(shè)計（BBD）是目前最常用的二階響應(yīng)面設(shè)計之一，該方法有如下優(yōu)點：1）可以估計因素間的相互作用；2）與正交實驗相比，實現(xiàn)預(yù)期效果要求更少的實驗；3）具有最佳因素組合及結(jié)論的通用性。BBD方法的每個因素使用三個水平，并且該法并沒有將所有因素同時安排為高水平的組合，避免結(jié)果中出現(xiàn)極大值和極小值，提高了結(jié)果的可靠度。

不同的噴丸工藝參數(shù)對材料表面質(zhì)量的影響程度不同，一般取丸粒大小、噴射壓力、噴射距離、噴射角度和覆蓋率五個因素進(jìn)行研究，而前期研究[24-25]認(rèn)為當(dāng)覆蓋率超過100%后，再提高覆蓋率，噴丸強化工藝的效率較低，而噴射角度主要是為了避免噴丸過程中丸粒發(fā)生干涉，所以本研究選取丸粒大?。?）、噴射壓力（2）和噴射距離（3）三個因素，以噴丸處理后的殘余應(yīng)力值（RS）和彈坑變形量（H）為響應(yīng)值，采用Design-Expert軟件，選擇Box- Benhnken實驗設(shè)計法進(jìn)行三因素三水平實驗，以?1、0、1為水平編碼，具體實驗方案如表1。

表1 因素水平表

Tab.1 Factor levels for the experiment

考慮到各參數(shù)對響應(yīng)值影響的線性效應(yīng)，二次效應(yīng)及參數(shù)間相互作用的影響，選定原始函數(shù)模型如式（1）所示：

式中，代表響應(yīng)值，0—9代表各項常數(shù)系數(shù)，使用最小二乘法線性回歸方法對實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合分析，得到各項常數(shù)系數(shù)，然后再結(jié)合方差分析與響應(yīng)面優(yōu)化法對函數(shù)模型進(jìn)行優(yōu)化。

1.2 數(shù)值分析

通過ANSYS/LS-DYNA有限元仿真軟件，建立噴丸三維模型，靶材材料為7075-T651鋁合金，彈丸材料為鋼丸，具體參照文獻(xiàn)[26]，在此不再贅述。表2為仿真模型的材料力學(xué)屬性。圖1所示為噴丸撞擊有限元模型，云圖清晰反映了撞擊后靶材表面應(yīng)力分布和彈坑變形情況，彈坑中心應(yīng)力最大，并向四周逐漸減小，撞擊中心處凹陷，彈坑周圍凸起，為典型的塑性變形。

表2 材料力學(xué)屬性

Tab.2 Mechanical properties of materials

圖1 1/4噴丸仿真模型

2 結(jié)果與分析

2.1 實驗設(shè)計及結(jié)果

按照Design-Expert軟件三因素三水平設(shè)計方案，使用ANSYS/LS-DYNA依次建立17組仿真模型，通過后處理軟件LS-PREPOST查看應(yīng)力和變形結(jié)果。具體實驗及結(jié)果見表3。

表3 實驗設(shè)計安排及仿真結(jié)果

Tab.3 Experiment design schedule and simulation results

2.2 函數(shù)模型與分析

當(dāng)因素間存在交互作用時，單純研究某個因素的作用意義不大，必須探討在不同水平（其他因素）上該因素的作用效果。本研究給出應(yīng)力與變形三維圖和等高線圖，進(jìn)行響應(yīng)面分析（RSM），以論證參數(shù)之間的影響是否具有顯著的交互作用效應(yīng)。圖2—4反映了因素對表面應(yīng)力的影響，其中圖2中曲面坡度陡峭，等高線分布顯示丸粒大小和噴射距離對應(yīng)力影響很大，即一定尺度下，應(yīng)力隨噴射距離和丸粒大小的變化而劇烈變化。例如0.4 mm丸粒，其應(yīng)力在50~150 mm噴射距離上波動約為150 MPa，表明應(yīng)力對丸粒大小與噴射距離交互作用的敏感度大，丸粒大小和噴射距離交互作用顯著。

圖2 彈丸大小與噴射距離對應(yīng)力的影響云圖

圖3 彈丸大小與噴射壓力對應(yīng)力的影響云圖

圖4 噴射距離與壓力對應(yīng)力的影響云圖

圖3中曲面坡度較平緩，等高線分布顯示丸粒大小和噴射壓力對應(yīng)力的影響不大，即一定尺度下，應(yīng)力隨噴射壓力與丸粒大小的變化而平緩變化。例如 0.4 mm的丸粒，其應(yīng)力在0.2~0.4 MPa噴射壓力上波動約為80 MPa，表明應(yīng)力對丸粒大小與噴射壓力交互作用的敏感度較小，丸粒大小和噴射距離交互作用不顯著。

圖4中曲面呈山脊?fàn)?，等高線分布顯示噴射壓力和噴射距離對應(yīng)力的影響較大，即一定尺度下，應(yīng)力隨噴射距離與噴射壓力的變化有較大的變化，例如0.25 MPa噴射壓力，其應(yīng)力在50~150 mm噴射距離上波動約為100 MPa，表明應(yīng)力對噴射距離與噴射壓力交互作用的敏感度較大，兩個因素交互作用較顯著。

圖5—7反映了因素對彈坑變形的影響。其中，圖5中曲面坡度陡峭，下降迅速，等高線分布顯示丸粒大小和噴射壓力對變形的影響很大，即一定尺度下，變形隨噴射距離和丸粒大小的變化而劇烈變化，例如0.35 MPa噴射壓力，其變形在0.3~0.5 mm丸粒大小上波動約為50 μm，表明變形對丸粒大小與噴射壓力交互作用的敏感度大，兩個因素交互作用顯著。

圖5 彈丸大小與噴射壓力對變形的影響云圖

圖6 彈丸距離與彈丸大小對變形的影響云圖

圖7 彈丸距離與噴射壓力對變形的影響云圖

圖6中曲面呈山脊?fàn)?，且下降迅速，等高線分布顯示丸粒大小和噴射距離對變形的影響很大，即一定尺度下，變形隨隨丸粒大小和噴射距離的變化而劇烈變化，例如0.4 mm丸粒，其變形在50~150 mm噴射距離上波動約為40 μm，表明應(yīng)力對丸粒大小與噴射距離交互作用的敏感度較大，兩個因素交互作用較顯著。

圖7中曲面坡度陡峭，等高線圖分布表明噴射壓力和噴射距離對變形的影響很大，即一定尺度下，變形隨噴射壓力和噴射距離的變化而劇烈變化，例如0.35 MPa噴射壓力，其變形在50~100 mm噴射距離上變化約為50 μm，表明應(yīng)力對噴射距離與噴射壓力交互作用的敏感度大，亦說明兩個因素交互作用顯著。

表4 應(yīng)力模型的方差分析

Tab.4 Variance analysis of stress model

應(yīng)力函數(shù)模型如式（2）所示：

其中，123為相應(yīng)參數(shù)所對照的水平編碼值。如表5所示，決定系數(shù)2=0.9636，對變形回歸模型進(jìn)行調(diào)整后，校正決定系數(shù)Adjusted2=0.9168，表示模型可以解釋91.68%響應(yīng)值的變化，預(yù)測決定系數(shù)Prediction2=0.8577。

變形函數(shù)模型如式（3）所示：

其中，123為相應(yīng)參數(shù)所對照的水平編碼值。為了直觀反映實驗與計算值的吻合程度，引入散點圖分析實際值和計算值接近程度。如圖8所示，橫坐標(biāo)表示實際應(yīng)力值，縱坐標(biāo)表示函數(shù)計算應(yīng)力值。圖9中，橫坐標(biāo)表示實際變形量，縱坐標(biāo)表示函數(shù)計算變形量。兩個圖散點線性較好，表明模型對數(shù)據(jù)的處理效果較好，說明擬合函數(shù)可以解釋所有數(shù)據(jù)的變化傾向。

表5 變形模型的方差分析

Tab.5 Variance analysis of deformation model

圖8 實際-計算應(yīng)力散點圖

圖9 實際-計算變形散點圖

3 驗證

為了檢驗?zāi)Ｐ蜏?zhǔn)確性，首先假定將表面應(yīng)力目標(biāo)值設(shè)為?280 MPa，通過應(yīng)力函數(shù)模型，求解出若干組工藝參數(shù)組合，任選其中的三種參數(shù)組合方式，利用變形函數(shù)模型，計算出該三種組合分別對應(yīng)的彈坑變形量，再以7075-T651鋁合金為靶材，彈丸為鋼丸，進(jìn)行噴丸強化驗證實驗。然后，通過XRD法（圖10）測量靶材的應(yīng)力值，用光學(xué)顯微鏡獲得靶材剖面圖片，測量靶材變形層厚度。最后將實驗值與預(yù)測值進(jìn)行對比分析，如表6所示，ES表示實驗應(yīng)力（Experimental stress），CD表示變形量的計算值（Calculated deformation），EP表示應(yīng)力的計算值和實驗值的誤差百分比（Error percentage）。兩者的最大誤差小于5.5%，再次驗證了函數(shù)模型的準(zhǔn)確性。

圖10 XRD應(yīng)力測試

表6 實驗值與函數(shù)計算值對比

Tab.6 Comparison between experimental and calculated stress

通過靶材剖面圖11得到變形層厚度，與計算變形量進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)實驗值和計算值基本吻合，說明變形函數(shù)模型具有較好的準(zhǔn)確性。

實驗結(jié)果論證了函數(shù)模型的準(zhǔn)確性，與高玉魁等人的工作對比[17]，本研究對常態(tài)下的7075-T651鋁合金進(jìn)行噴丸處理，定量描述了不同噴丸工藝參數(shù)組合對材料表面特征的影響規(guī)律，更具工程應(yīng)用意義。與劉雪梅等人的工作相比[20]，本研究針對噴丸工藝對應(yīng)力和變形量的影響進(jìn)行研究，直接反映噴丸質(zhì)量與工藝參數(shù)之間的關(guān)系。與關(guān)艷英等人的工作對比[21]，本研究采取BBD法設(shè)計實驗，有效減少了實驗批次，提高了效率。針對同一應(yīng)力值，應(yīng)力與變形函數(shù)模型可提供不同噴丸變形量的工藝參數(shù)組合，使得應(yīng)力值-變形量呈交叉組合，多樣性大大提高，適用性更廣泛。

圖11 靶材剖面光鏡圖

4 結(jié)論

1）Box-Benhnken實驗設(shè)計法可以制定高效可行的實驗安排，結(jié)合有限元仿真方法建立噴丸三維模型，快速準(zhǔn)確地得到噴丸工藝參數(shù)對應(yīng)力和變形的影響規(guī)律。同時，結(jié)合數(shù)學(xué)方法和相關(guān)實驗，對函數(shù)模型進(jìn)行了方差分析和驗證，應(yīng)力函數(shù)模型的準(zhǔn)確率為 90.13%，變形函數(shù)模型的準(zhǔn)確率為91.68%，與實驗的偏差率在5.5%以內(nèi)。

2）函數(shù)模型提供了應(yīng)力值與變形量的交叉選擇，即確定預(yù)期應(yīng)力值后，可在不同的工藝參數(shù)組合下對照函數(shù)選取合適的變形（變形量間接反映了硬度值：變形量大，往往硬度較高），進(jìn)而挑選出最佳噴丸工藝方案。

3）仿真模型中空氣阻力對彈丸的作用情況，本文沒有進(jìn)行深入討論，下一步研究將引入空氣阻力的影響，并擴(kuò)大對工藝參數(shù)的研究種類和范圍。

[1] 錢濤, 劉奮成, 毛育青, 等. 固溶溫度對CNTs/7075復(fù)合材料組織和力學(xué)性能的影響[J]. 材料熱處理學(xué)報, 2016, 37(S1): 17-21. QIAN Tao, LIU Fen-cheng, MAO Yu-qing, et al. Effect of solution temperature on microstructure and mechanical properties of CNTs/7075 composites fabricated by friction stir processing[J]. Transactions of materials and heat treatment, 2016, 37(S1): 17-21.

[2] 劉兵, 彭超群, 王日初, 等. 大飛機(jī)用鋁合金的研究現(xiàn)狀及展望[J]. 中國有色金屬學(xué)報, 2010, 20(9): 1705-1715. LIU Bing, PENG Chao-qun, WANG Ri-chu, et al. Recent development and prospects for giant plane aluminum alloys[J]. Chinese journal of nonferrous metals, 2010, 20(9): 1705-1715.

[3] 張允康, 許曉靜, 羅勇, 等. 7075鋁合金強化固溶T76處理后的拉伸與剝落腐蝕性能[J]. 稀有金屬材料與工程, 2012, 41(S2): 612-615. ZHANG Yun-kang, XU Xiao-jing, LUO Yong, et al. Tensile property and exfoliation corrosion of 7075 aluminum alloy after enhanced-solid-solution and T76 aging treatment[J]. Rare metal materials and engineering, 2012, 41(S2): 612-615.

[4] HUANG X M, SUN J, LI J F. Effect of initial residual stress and machining-induced residual stress on the deformation of aluminum alloy plate[J]. Strojniski vestnik/ journal of mechanical engineering, 2015, 61(2): 131-137.

[5] YANG Y, LI M, LI K R. Comparison and analysis of main effect elements of machining distortion for aluminum alloy and titanium alloy aircraft monolithic component[J]. International journal of advanced manufacturing technology, 2014, 70(9-12): 1803-1811.

[6] 劉金水, 雷衡兵, 高文理, 等. 鑄造殘余應(yīng)力對鋁合金副車架疲勞壽命的影響[J]. 湖南大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版), 2018, 45(6): 28-34. LIU Jin-shui, LEI Heng-bing, GAO Wen-li, et al. Effect of casting residual stress on fatigue life of aluminum alloy sub-frame[J]. Journal of Hunan University (Natural Science), 2018, 45(6): 28-34.

[7] LAZZARIN P, LASSEN T, LIVIERI P. A notch stress intensity approach applied to fatigue life predictions of welded joints with different local toe geometry[J]. Fatigue & fracture of engineering materials & structures, 2010, 26(1): 49-58.

[8] 秦國華, 林鋒, 葉海潮, 等. 基于殘余應(yīng)力釋放的航空結(jié)構(gòu)件加工變形模型與結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法[J].工程力學(xué), 2018, 35(9): 214-222. QIN Guo-hua, LIN Feng, YE Hai-chao, et al. Machining deformation model and structural optimization of aeronautical components based on relaxation of initial residual rtress[J]. Engineering mechanics, 2018, 35(9): 214-222.

[9] 昌江郁, 陳送義, 陳康華, 等. 7056鋁合金厚板軋制變形不均勻性的實驗研究與數(shù)值模擬[J]. 中南大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版), 2018, 49(8): 1914-1921. CHANG Jiang-yu, CHEN Song-yi, CHEN Kang-hua, et al. Experimental study and numerical simulation of the deformation non-uniformity of 7056 aluminum alloy thick plate rolling[J]. Journal of Central South University (Science and Technology), 2018, 49(8): 1914-1921.

[10] 李占明, 王紅美, 孫曉峰, 等. 高速微粒轟擊對微弧氧化鋁合金疲勞性能的影響[J]. 稀有金屬材料與工程, 2018, 47(7): 2179-2184. LI Zhan-ming, WANG Hong-mei, SUN Xiao-feng, et al. Effect of high-speed particles bombarding pre-treatment on the fatigue properties of micro-arc oxidation aluminum alloy[J]. Rare metal materials and engineering, 2018, 47(7): 2179-2184.

[11] OWOLABI G M, BOLLING D T, ODESHI A G, et al. The effects of specimen geometry on the plastic deformation of AA 2219-T8 aluminum alloy under dynamic impact loading[J]. Journal of materials engineering & performance, 2017, 26(12): 1-10.

[12] MOLINARI A, SANTULIANA E, CRISTOFOLINI I, et al. Surface modifications induced by shot peening and their effect on the plane bending fatigue strength of a Cr-Mo steel produced by powder metallurgy[J]. Materials science & engineering A, 2011, 528(6): 2904-2911.

[13] CHEN B, HUANG B, LIU H, et al. Surface nanocrystallization induced by shot peening and its effect on corrosion resistance of 6061 aluminum alloy[J]. Journal of materials research, 2014, 29(24): 3002-3010.

[14] TAKAHASHI K, OSEDO H, SUZUKI T, et al. Fatigue strength improvement of an aluminum alloy with a crack-like surface defect using shot peening and cavitation peening[J]. Engineering fracture mechanics, 2018, 193: 151-161.

[15] 王玖, 張志遠(yuǎn), 方雄. 彈丸直徑和速度對噴丸殘余應(yīng)力分布的影響分析[J]. 材料科學(xué)與工程學(xué)報, 2013, 31(4): 588-591. WANG Jiu, ZHANG Zhi-yuan, FANG Xiong. Effect of diameter and the influence of projectile diameter and velocity on residual stress distribution of shot peening[J]. Journal of materials science and engineering, 2013, 31(4): 588-591.

[16] 李源, 雷麗萍, 曾攀. 彈丸束噴丸有限元模型數(shù)值模擬及試驗研究[J]. 機(jī)械工程學(xué)報, 2011, 47(22): 43-48. LI Yuan, LEI Li-ping, ZENG Pan. Shot stream finite element model for shot peening numerical simulation and its experimental study[J]. Chinese journal of mechanical engineering, 2011, 47(22): 43-48.

[17] GAO Y K, YAO M, LI J K. An analysis of residual stress fields caused by shot peening[J]. Metallurgical and materials transactions A (physical metallurgy and, materials Science), 2002, 33(6): 1775-1778.

[18] GHASEMI A, HASSANI-GANGARAJ S M, MAHMOU-DI A H, et al. Shot peening coverage effect on residual stress profile by FE random impact analysis[J]. Surface engineering, 2016, 32(11): 861-870.

[19] MHAEDE M. Influence of surface treatments on surface layer properties, fatigue and corrosion fatigue performance of AA7075 T73[J]. Materials & design, 2012, 41: 61-66.

[20] 劉雪梅, 顧佳巍, 祁國棟, 等. 基于CFD-DEM仿真的噴丸工藝參數(shù)優(yōu)選[J]. 表面技術(shù), 2018, 47(1): 8-15. LIU Xue-mei, GU Jia-wei, QI Guo-dong, et al. Optimization of shot peening parameters based on CFD-DEM simulation[J]. Surface technology, 2018, 47(1): 8-15.

[21] 關(guān)艷英, 王治業(yè), 魯世紅, 等. 基于正交試驗的超聲波噴丸成形工藝參數(shù)分析及弧高值預(yù)測[J]. 宇航材料工藝, 2018, 48(2): 7-12. GUAN Yan-ying, WANG Zhi-ye, LU Shi-hong, et al. Analysis of ultrasonic shot peening parameters and prediction of formed arch height based on orthogonal test[J]. Aerospace materials technology, 2018, 48(2): 7-12.

[22] NAM Y S, JEONG Y I, SHIN B C, et al. Enhancing surface layer properties of an aircraft aluminum alloy by shot peening using response surface methodology[J]. Materials & design, 2015, 83: 566-576.

[23] MIAO H Y, DEMERS D, LAROSE S, et al. Experimental study of shot peening and stress peen forming[J]. Journal of materials processing technology, 2010, 210(15): 2089- 2102.

[24] 李鵬, 劉道新, 關(guān)艷英, 等. 噴丸強化對新型7055- T7751鋁合金疲勞性能的影響[J]. 機(jī)械工程材料, 2015, 39(1): 86-89. LI Peng, LIU Dao-xin, GUAN Yan-ying, et al. Effect of shot peening on fatigue property of new aluminum alloy 7055-T7751[J]. Materials for mechanical engineering, 2015, 39(1): 86-89.

[25] 張洪偉, 陳家慶, 張以都. 基于多丸粒模型的噴丸表面強化過程數(shù)值模擬[J]. 塑性工程學(xué)報, 2012, 19(6): 118-125. ZHANG Hong-wei, CHEN Jia-qing, ZHANG Yi-du. Numerical simulation of shot peening process based on multiple shot model[J]. Journal of plasticity engineering, 2012, 19(6): 118-125.

[26] 陳家偉, 廖凱, 車興飛, 等. 鋁合金噴丸應(yīng)力-形變的仿真分析與實驗[J]. 表面技術(shù), 2018, 48(9): 240-249.CHEN Jia-wei, LIAO Kai, CHE Xing-fei, et al. Simulation and experiment study of surface stress-deformation by shot peening on Al-based alloy[J]. Surface technology, 2018, 48(9): 240-249.

Function Relationship between Shot Peening Parameters and Surface Characteristic of Al-based Alloy and Application

1,1,1,1,1,2

(1.Central South University of Forestry and Technology, Changsha 410004, China; 2. Central South University, Changsha 410083, China)

The work aims to study the change rule of the surface properties of aluminum alloy after shot peening, and obtain the corresponding relationship between the surface material characteristics and SP parameters. Firstly, Box-Benhnken design method (BBD) was used to design 3-level and 3-factor shot peening experiment with shot peening pressure, projectile size and jet distance as independent variables and the surface residual stress and deformation as responses. The FEM of multi-projectile impact aluminum alloy sample was established by ANSYS/LS-DYNA. The surface stress and the deformation at the crater were obtained according to the experiment. Then, Design-Expert software was adopted to fit the values to obtain the multiple regression quadratic equations, and the response surface methodology (RSM) was used to analyze the interaction between the various factors. At the same time, according to analysis of variance of the function models, the degree of model-fitting was identified. Finally, with the 7075-T651 aluminum alloy as the sample, the shot peening test was carried out. Combined with the XRD stress test and the optical microscopic observation of the crater section, the stress value and the deformation value were obtained to verify the accuracy of the model. The adjusted2of the stress function model and the deformation function model were 90.13% and 91.68%, respectively. The deviation between calculated stress value and experimental value was less than 5.5%. The deformation of the section showed that the deformed layer of the sample was approximately the same as calculation value. The result indicated that function model had high accuracy. The function model can quickly and accurately deduce the parameter combination of the SP from the surface stress or deformation of the material, which provides a diversity reference for the surface stress and hardness strengthening of SP.

shot peening; function model; FEM; surface stress; deformation; BBD

2018-11-04；

2019-04-17

CHEN Jia-wei (1994—), Male, Master, Research focus: surface treatment of aluminum alloy thin wall parts.

廖凱（1977—），男，博士，教授，主要研究方向為鋁合金薄壁件變形調(diào)控。郵箱：44806474@qq.com

TG113.25

A

1001-3660(2019)06-0212-09

10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2019.06.025

2018-11-04；

2019-04-17

國家自然科學(xué)基金（51475483）；湖南省重點研發(fā)計劃項目（2018NK2065，2016NK2142）；湖南省高?？萍紕?chuàng)新團(tuán)隊支持計劃項目（2014207）；湖南省研究生科研創(chuàng)新項目（CX2018B451）

Supported by the National Natural Science Foundation of China (51475483), the Key Research and Development Program of Hunan Province (2018NK2065, 2016NK2142), the Science and Technology Innovation Team Support Program of Hunan Province (2014207), Graduate Research and Innovation Program of Hunan Province (CX2018B451)

陳家偉（1994—），男，碩士研究生，主要研究方向為鋁合金薄壁件表面處理。

LIAO Kai (1977—), Male, Doctor, Professor, Research focus: deformation control of thin-walled aluminum alloy parts. E-mail: 44806474@qq.com