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1 研究背景

在當(dāng)今工業(yè)高速發(fā)展的時(shí)代,“工業(yè)4.0”全面展開,對(duì)零件的質(zhì)量要求也達(dá)到了一個(gè)新的高度。金屬零件質(zhì)量的優(yōu)劣和金屬材料、加工質(zhì)量有關(guān)。一般情況下,金屬材料的失效是由金屬表面逐步向金屬內(nèi)部失效,所以若想通過改善金屬材料來提高金屬零件的質(zhì)量,就需要根據(jù)金屬材料的失效方式來進(jìn)行研究。怎樣提高鋼材的耐磨性、耐蝕性、抗疲勞性,進(jìn)而能夠得到滿足使用要求的鋼材,這是我國(guó)現(xiàn)階段面臨的難題。我國(guó)目前的工業(yè)市場(chǎng)中,優(yōu)質(zhì)鋼材尚處于進(jìn)口狀態(tài)。由此可見,對(duì)鋼材強(qiáng)化方法進(jìn)行研究,具有十分重要的意義。

傳統(tǒng)的鋼材表面強(qiáng)化技術(shù)主要有表面涂層、表面改性和表面機(jī)械強(qiáng)化三種。表面涂層技術(shù)能提高鋼材的硬度、耐磨性、耐蝕性,但其缺點(diǎn)是涂層易脫落、設(shè)備成本高。表面改性技術(shù)能提高鋼材的耐磨性、疲勞強(qiáng)度、耐蝕性、抗氧化性等,但其缺點(diǎn)是工藝復(fù)雜、成本高、污染環(huán)境。表面機(jī)械強(qiáng)化技術(shù)能提高鋼材的硬度和疲勞強(qiáng)度,但有過硬化和表面粗糙度差等缺點(diǎn)。

目前,超聲振動(dòng)鋼材表面強(qiáng)化技術(shù)在國(guó)內(nèi)的研究還比較少,但超聲振動(dòng)鋼材表面強(qiáng)化技術(shù)相比其它幾種傳統(tǒng)鋼材表面強(qiáng)化技術(shù),強(qiáng)化效果比較理想。超聲振動(dòng)鋼材表面強(qiáng)化技術(shù)集其它幾種傳統(tǒng)鋼材表面強(qiáng)化技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)于一身,唯一的缺點(diǎn)是設(shè)備成本較高。當(dāng)然,超聲振動(dòng)鋼材表面強(qiáng)化技術(shù)加工操作和加工參數(shù)的精確度要求較高。

筆者將超聲技術(shù)應(yīng)用于加工鋼材表面,對(duì)如何提高鋼材的表面質(zhì)量進(jìn)行研究,分析在加工過程中影響鋼材表面粗糙度的參數(shù),運(yùn)用有限元方法得到受力時(shí)鋼材表面的應(yīng)力分布和位移變化情況。

2 超聲擠壓加工原理

筆者選取超聲擠壓加工來進(jìn)行鋼材表面強(qiáng)化,提高鋼材的表面質(zhì)量。超聲擠壓加工能在較大程度上提高鋼材表面的硬度和耐磨性,同時(shí)減小鋼材的表面粗糙度值。

超聲擠壓加工的原理是,基于機(jī)械冷作硬化特性,擠壓工具頭對(duì)鋼材表面施加一定頻率的振動(dòng),進(jìn)而發(fā)生振動(dòng)接觸,同時(shí)對(duì)擠壓工具頭設(shè)置進(jìn)給速度,對(duì)工件進(jìn)行加工。

3 有限元分析

3.1 實(shí)體建模

應(yīng)用Unigraphics軟件建立如圖1所示實(shí)體模型。圖1中,下部為厚度5 mm、外半徑30 mm、寬25 mm的圓柱滾子鋼材,上部為寬5 mm、長(zhǎng)20 mm、半圓半徑2.5 mm的工具頭。

圖1 實(shí)體模型

圖1下部是一個(gè)典型的環(huán)形鋼材,上部工具頭的前端是半圓形,因此工具頭與鋼材的接觸區(qū)是一條直線,振動(dòng)區(qū)域的振動(dòng)頻率是均衡的。

3.2 有限元建模

創(chuàng)建理想化部件,使用NX Nastran求解器來進(jìn)行求解,分析類型為結(jié)構(gòu),采用SOL.106非線性靜態(tài)全局約束。

建立有限元模型后,采用八節(jié)點(diǎn)六面體線性三維網(wǎng)格單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格,共劃分得到9 500個(gè)單元。劃分網(wǎng)格后有限元模型如圖2所示。

圖2 劃分網(wǎng)格后有限元模型

3.3 選擇工作截面

在有限元模型中,選擇一小段工作截面模擬鋼材的強(qiáng)化結(jié)果,如圖3所示。

圖3 工作截面

3.4 設(shè)置約束

在有限元分析時(shí),如果沒有選擇合適的接觸類型,那么會(huì)直接導(dǎo)致無(wú)法分析,或者所得到的分析結(jié)果會(huì)出現(xiàn)極大偏差。在本次有限元分析時(shí),選取一個(gè)工作截面,在實(shí)際工況中截面兩側(cè)是有材料的,具有防止變形的固有性質(zhì),因此將約束設(shè)置在截面的兩側(cè),如圖4所示。

圖4 設(shè)置約束

3.5 施加載荷

超聲擠壓加工是在一定數(shù)值的壓力和擠壓速度下進(jìn)行的,工具頭沿縱向施加一定的壓力來沖擊鋼材表面,因此需要對(duì)鋼材表面施加一定的壓力和沖擊載荷。工作截面受力如圖5所示。

圖5 工作截面受力

3.6 分析結(jié)果

有限元分析結(jié)果如圖6所示。

圖6 有限元分析結(jié)果

由圖6(a)可以看到,鋼材表層是藍(lán)色的,代表結(jié)構(gòu)的變形比較小,結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,有良好的表面質(zhì)量。

由圖6(b)可以看到,紅色位置是工具頭的加工位置,應(yīng)力等值線顯示應(yīng)力在逐漸減小,代表鋼材表面沒有出現(xiàn)應(yīng)力集中,應(yīng)用超聲振動(dòng)鋼材表面強(qiáng)化技術(shù),鋼材表面的加工變形得到改善。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過研究確認(rèn),超聲振動(dòng)鋼材表面強(qiáng)化技術(shù)可以提高鋼材表面的硬度、疲勞強(qiáng)度、耐磨性等。與傳統(tǒng)鋼材表面強(qiáng)化技術(shù)不同,超聲振動(dòng)鋼材表面強(qiáng)化技術(shù)通過改變鋼材表層的內(nèi)部金屬晶體結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)表面強(qiáng)化,解決了傳統(tǒng)鋼材表面硬化中硬度與加工表面質(zhì)量不能同時(shí)提高的問題。

由于加工工具能夠循環(huán)利用,因此超聲振動(dòng)表面強(qiáng)化技術(shù)在量產(chǎn)時(shí)可以實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化生產(chǎn),進(jìn)而實(shí)現(xiàn)智能生產(chǎn),符合“工業(yè)4.0”的理念。