王業(yè)輝

（中國航空發(fā)動(dòng)機(jī)集團(tuán)公司，北京100097）

0 引言

疲勞被認(rèn)為是金屬構(gòu)件失效的最大單一過程，導(dǎo)致了大約90%的金屬失效。構(gòu)件的疲勞失效是由表面或近表面損傷造成的。對(duì)結(jié)構(gòu)件的表面采用常規(guī)的噴丸[1-2]、深滾壓[3]、超聲噴丸（USP）[4-5]及激光沖擊噴丸[6-7]等不同工藝進(jìn)行改性來提高疲勞壽命。隨著葉片、葉盤輕量化和整體化設(shè)計(jì)，考慮薄壁區(qū)域的表面強(qiáng)化工藝抑制裂紋萌生，同時(shí)也要考慮噴丸過程薄壁區(qū)域出現(xiàn)的應(yīng)力引起的變形。超聲噴丸利用超聲波發(fā)生器，通過變幅桿和振動(dòng)頭將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為高頻振動(dòng)的機(jī)械能。通過振動(dòng)頭激勵(lì)，彈丸在密閉空間隨機(jī)振動(dòng)，達(dá)到?jīng)_擊強(qiáng)化零件表面的目的。

傳統(tǒng)的噴丸處理可提高Ti-6Al-4V 合金的微動(dòng)疲勞壽命，并將其歸因于誘導(dǎo)的殘余壓應(yīng)力和晶粒細(xì)化[8-11]。Tsuji 等[12]研究了離子滲碳和傳統(tǒng)噴丸對(duì)Ti-6Al-4V 合金高循環(huán)疲勞（HCF）的影響，并觀察到由于相應(yīng)的殘余壓應(yīng)力和表面區(qū)域的加工硬化，疲勞壽命明顯改善；A. Sandá 等[13]研究分析了Inconel 718 合金超聲波噴丸硬化的表面狀態(tài)：加工時(shí)間，噴丸材料和數(shù)量以及輻射表面與樣品距離的影響。超聲波噴丸（USP）由超聲波、變幅桿、振動(dòng)頭以及適合工件幾何形狀的腔室及彈丸等組成。李源等[14]采用有限元軟件ABAQUS 建立1 種彈丸在空間位置隨機(jī)分布的彈丸束噴丸模型，在此模型基礎(chǔ)上研究了噴丸工藝參數(shù)與殘余應(yīng)力間的分布規(guī)律；德國MTU 公司[15]采用超聲噴丸替代傳統(tǒng)噴丸進(jìn)行了大量試驗(yàn)，研究超聲噴丸強(qiáng)化相對(duì)于傳統(tǒng)噴丸強(qiáng)化對(duì)Ti-6Al-4V （Ti64）和Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo（Ti6246）的近表面區(qū)域表面粗糙度和殘余應(yīng)力的影響。詳細(xì)研究了2 種材料的疲勞行為及斷裂特性，證明了噴丸處理能夠?qū)⒘鸭y萌生從表面轉(zhuǎn)∑到次表面區(qū)域，延緩疲勞失效的發(fā)生，從而顯著提高部件的疲勞壽命。德國MTU 公司[16]認(rèn)為超聲噴丸主要的優(yōu)勢(shì)包括：殘余應(yīng)力的精確工藝控制；能獲得較為理想的粗糙度，適應(yīng)薄壁件強(qiáng)化要求的變形控制；滿足葉片進(jìn)排氣邊設(shè)計(jì)參數(shù)要求。噴丸強(qiáng)化已成為提升零件表面質(zhì)量、提高表面完整性、滿足航空發(fā)動(dòng)機(jī)長(zhǎng)壽命及高可靠性要求的的重要技術(shù)手段。因此，對(duì)殘余應(yīng)力的影響因素進(jìn)行準(zhǔn)確地探究顯得尤為重要。

本文以TC4 鈦合金為對(duì)象，基于ABAQUS 對(duì)不同參數(shù)條件下試件的凹痕深度和殘余應(yīng)力場(chǎng)等進(jìn)行分析。

1 仿真模型

1.1 超聲噴丸數(shù)值仿真流程

模型工作流程如圖1 所示。該流程主要分為3 個(gè)階段：

第1 階段：建立3 維模型，基于ABAQUS 進(jìn)行模型裝配，并劃分網(wǎng)格；

第2 階段：對(duì)分析步、接觸及約束條件及振動(dòng)頭振動(dòng)進(jìn)行設(shè)置；

第3 階段：對(duì)速度、位∑、應(yīng)力及應(yīng)變等量進(jìn)行提取。

圖1 模型工作流程

1.2 仿真工藝參數(shù)設(shè)置

本次仿真通過UG 建立模型，超聲噴丸過程原理如圖2 所示，腔室設(shè)計(jì)如圖3 所示。

圖2 超聲噴丸過程

圖3 腔室設(shè)計(jì)

基于ABAQUS 進(jìn)行有限元仿真，通過改變振動(dòng)頭振幅、彈丸直徑和彈丸數(shù)量來研究超聲噴丸對(duì)試件殘余應(yīng)力產(chǎn)生的影響。在這3 方面研究中，采用相同的腔室及試塊模型，噴丸時(shí)間分別為3.50、1.00 和0.85 s。仿真過程中工藝參數(shù)及材料屬性見表1、2。

分別對(duì)模型分析步、場(chǎng)變量輸出、歷程變量輸出、接觸條件、邊界條件約束及網(wǎng)格模型劃分進(jìn)行設(shè)置，仿真過程中對(duì)腔室、振動(dòng)頭及彈丸采用剛體約束，不考慮變形，試件采用變形實(shí)體設(shè)置。

表1 工藝參數(shù)及腔室尺寸

表2 各部件材料屬性

2 超聲噴丸過程中工藝參數(shù)對(duì)殘余應(yīng)力場(chǎng)的影響分析

2.1 振動(dòng)頭振幅對(duì)試件殘余應(yīng)力場(chǎng)的影響分析

基于模型e、f、g 分析振動(dòng)頭振幅對(duì)試件的殘余應(yīng)力場(chǎng)的影響。振動(dòng)頭振幅分別設(shè)置為60、80 和100 μm，進(jìn)行2.5 s 超聲噴丸仿真，對(duì)試塊的殘余應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行對(duì)比分析。

圖4 不同振幅下試塊下表面殘余應(yīng)力場(chǎng)

輸出200 MPa 以上試塊表面殘余壓應(yīng)力場(chǎng)如圖4（a）、（b）、（c）所示。從圖中可見，表面殘余壓應(yīng)力值及分布面積逐漸增加；輸出800 MPa 以上試塊表面殘余壓應(yīng)力場(chǎng)如圖4（d）、（e）、（f）所示。從圖中可見，隨著振幅的增加，試塊表面殘余壓應(yīng)力值及分布面積有增加的趨勢(shì)。

市場(chǎng)營銷推廣有待提高。膠州大白菜通過標(biāo)準(zhǔn)化種植，產(chǎn)品質(zhì)量得到保證，但其市場(chǎng)宣傳力度不足，國內(nèi)部分省份地區(qū)消費(fèi)者對(duì)這個(gè)產(chǎn)品品牌的認(rèn)知不夠。膠州大白菜以高于普通白菜幾倍的價(jià)格，或不能被消費(fèi)市場(chǎng)接納，最終只能調(diào)整市場(chǎng)價(jià)格。

在試塊下表面以下0.5、1.0、1.5、2、2.5 mm 深度截面處，60、80、100 μm 3 種不同振幅模型中，試塊下表面大于500 MPa 殘余壓應(yīng)力場(chǎng)分布的比較如圖5所示。從同一振幅不同深度殘余壓應(yīng)力場(chǎng)可見，隨著深度的增加，殘余壓應(yīng)力分布面積及值逐漸減??；對(duì)比不同振幅同種深度殘余壓應(yīng)力場(chǎng)可見，隨著振幅的增加，殘余壓應(yīng)力值及分布面積都在逐漸增大。

對(duì)試塊頂部表面截取相同高度部分，比較不同振幅下彈坑的深度，通過對(duì)比可知，隨著振幅的增加，彈坑的密度和直徑逐漸增大。

將最深彈坑底部作為殘余應(yīng)力截面的提取起始平面，如圖6 所示。從圖中可見，由基準(zhǔn)面向下取截面比圖5 殘余壓應(yīng)力分布稍有減少，說明部分彈坑的存在對(duì)逐層分析會(huì)產(chǎn)生一些影響，從位∑場(chǎng)可見，在3種振幅下，最深彈坑分別為0.89、1.00、1.14 mm，分別沿3 種新建平面向下截取4 個(gè)平面，分別為0、0.5、1.0、1.5 mm，明顯可見，隨著深度的增加，殘余壓應(yīng)力分布面積和值逐漸減?。粚?duì)比不同振幅同種深度殘余壓應(yīng)力場(chǎng)時(shí)明顯可見，隨著振幅的增加，殘余壓應(yīng)力值和分布面積都在逐漸增大。對(duì)每種振幅模型試塊下表面沿較明顯的凹坑建立3 條垂直的路徑時(shí)可見，每行的曲線與該行的殘余應(yīng)力分布均可對(duì)應(yīng)，且從縱向來看，隨著振幅的增加，殘余應(yīng)力曲線中殘余壓應(yīng)力層隨之變大，與云圖分布相符合。

對(duì)比每種振幅模型下的殘余應(yīng)力曲線與左側(cè)殘余壓應(yīng)力可見所對(duì)應(yīng)彈坑每層殘余壓應(yīng)力所對(duì)應(yīng)的值。

圖5 不同振幅下試塊沿表面向下每層殘余壓應(yīng)力分布

對(duì)比60、80、100 μm 振幅下的殘余應(yīng)力場(chǎng)及殘余應(yīng)力曲線可見，隨著振幅的增加，在相同時(shí)間內(nèi)，試塊下表面和沿基準(zhǔn)面向下每層殘余壓應(yīng)力均增加，由殘余應(yīng)力曲線也可見，殘余壓應(yīng)力層深逐漸增加。由此可以得出，在單位時(shí)間內(nèi)，其他條件不變的情況下，增加振動(dòng)頭振幅可以增加試塊下表面和試塊表層以下沿縱向的殘余壓應(yīng)力，且可以增加殘余壓應(yīng)力的平均層深。

2.2 彈丸數(shù)量對(duì)試件殘余應(yīng)力場(chǎng)的影響分析

基于模型d、h、i 分析彈丸數(shù)量對(duì)試件的殘余應(yīng)力場(chǎng)的影響。彈丸數(shù)量分別設(shè)置為100、150、200 個(gè)，進(jìn)行1 s 超聲噴丸仿真，對(duì)試塊的殘余應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行對(duì)比分析。

對(duì)試塊下表面輸出大于300 MPa 殘余壓應(yīng)力場(chǎng)，如圖7 所示。從圖中可見，隨著彈丸數(shù)量的增多，殘余壓應(yīng)力分布的區(qū)域逐漸增大，為了探究沿深度方向的殘余壓應(yīng)力，需要對(duì)試塊取平均凹坑深度為基準(zhǔn)面向下逐層剖切。

在位∑場(chǎng)中，對(duì)100、150、200 個(gè)彈丸模型試塊下表面分別取25 個(gè)凹坑深度，得出凹坑深度分別為0.128、0.129、0.129 mm，在逐層分析中，取距離表面0.13 mm 為基準(zhǔn)面進(jìn)行分析，如圖8 所示。

取點(diǎn)計(jì)算平均凹坑深度：取下表面0.13 mm 處為基準(zhǔn)面，分別向下取0.5、1.0、1.5 mm 截面，如圖9所示。對(duì)比3 組模型可見，隨著彈丸數(shù)量增多，在同一深度截面，產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力的區(qū)域增大，然而等效塑性應(yīng)變的深度較為相似，幾乎沒有變化，僅是同一截面發(fā)生塑性變形的區(qū)域增加。

圖6 不同振幅下試塊沿基準(zhǔn)面向下每層殘余壓應(yīng)力分布

圖7 不同彈丸數(shù)量下試塊下表面殘余應(yīng)力場(chǎng)

圖8 不同彈丸數(shù)量下試塊下表面凹坑深度統(tǒng)計(jì)

與圖6 中改變不同振幅模型相比，雖然同一深度截面增加振幅與增加彈丸數(shù)量都能使殘余壓應(yīng)力區(qū)域增大，但在深度方向，增大振幅可以提高殘余壓應(yīng)力及塑形區(qū)貫穿試塊深度的能力，而增加彈丸數(shù)量?jī)H能增加同一深度的區(qū)域范圍。

對(duì)比100、150、200 個(gè)彈丸模型的殘余應(yīng)力場(chǎng)可見，隨著彈丸數(shù)目的增加，在相同時(shí)間內(nèi)，試塊下表面及沿基準(zhǔn)面向下的殘余壓應(yīng)力分布范圍增加，由此可以得出，在單位時(shí)間內(nèi)，在其他條件不變的情況下，增加彈丸的數(shù)目可以增加試塊下表面的殘余壓應(yīng)力分布范圍，但沿深度方向殘余壓應(yīng)力的值并未增大，殘余壓應(yīng)力層深沒有明顯增加。

2.3 彈丸直徑對(duì)試件殘余應(yīng)力場(chǎng)的影響分析

基于模型a、b、c 分析彈丸直徑對(duì)試件的殘余應(yīng)力場(chǎng)的影響。彈丸直徑分別設(shè)置為0.5、1.0、2.5 mm，進(jìn)行0.85 s 超聲噴丸仿真，對(duì)試塊的殘余應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行對(duì)比分析。

圖9 不同彈丸數(shù)量下試塊沿基準(zhǔn)面向下每層殘余壓應(yīng)力分布

圖10 不同彈丸直徑模型中試塊下表面凹坑深度統(tǒng)計(jì)

圖11 不同彈丸直徑模型中試塊下表面殘余應(yīng)力場(chǎng)分布

圖12 不同彈丸直徑下試塊沿基準(zhǔn)面向下每層殘余壓應(yīng)力分布

在位∑場(chǎng)中，對(duì)0.5、1.0、2.5 mm 直徑彈丸模型試塊下表面分別取20 個(gè)凹坑深度，如圖10 所示。由于0.5 mm 直徑彈丸模型中彈坑深度較淺，所以對(duì)試塊下表面縱向變形放大1000 倍，得出3 個(gè)模型中0.85 s時(shí)試塊下表面凹坑深度分別為0.0003、0.0460、0.1500 mm，在逐層分析中，取距離表面平均凹坑深度的距離為基準(zhǔn)面進(jìn)行分析。

分別輸出0.5、1.0、2.5 mm 直徑彈丸模型中試塊下表面殘余應(yīng)力場(chǎng)，如圖11 所示。對(duì)比0.85 s 時(shí)殘余應(yīng)力場(chǎng)中大于5 MPa 的殘余壓應(yīng)力區(qū)域范圍，可見，0.5 mm 直徑彈丸模型中試塊下表面殘余應(yīng)力幾乎在10 MPa 以下；1.0 mm 直徑彈丸模型中試塊下表面殘余應(yīng)力幾乎在300 MPa 以下，大部分區(qū)域在100 MPa以下；而在2.5 mm 直徑的殘余應(yīng)力場(chǎng)中，殘余壓應(yīng)力值明顯高于前二者，約在700 MPa 以下。所以在其他條件不變的情況下，僅增加彈丸的直徑，試塊下表面殘余壓應(yīng)力值及范圍不斷增大。

分別向下取0.0003、0.0460、0.1500 mm 截面為基準(zhǔn)面，如圖12 所示。對(duì)比3 組模型可見，隨著彈丸直徑的增加，無論是在同一基準(zhǔn)深度截面還是在不同深度的截面，都與塑形應(yīng)變場(chǎng)相似，即隨著彈丸直徑的增大，每層的殘余壓應(yīng)力及分布范圍逐漸增大。

對(duì)比0.5、1.0、2.5 mm 直徑彈丸模型的位∑場(chǎng)及等效應(yīng)變場(chǎng)可見，隨著彈丸直徑的增加，在相同時(shí)間內(nèi)，試塊下表面殘余壓應(yīng)力場(chǎng)的分布范圍及值均增加，且殘余壓應(yīng)力層深增加。由此可以得出，在單位時(shí)間內(nèi)，在其他條件不變的情況下，增加彈丸的直徑可以增加試塊下表面殘余壓應(yīng)力的值及分布范圍并能在深度方向增加殘余壓應(yīng)力層的深度。

3 結(jié)論

模擬分析結(jié)果表明：通過改變某些超聲噴丸過程中的工藝參數(shù)可以改變?cè)嚰臍堄鄳?yīng)力值及殘余壓應(yīng)力層深度，在其他條件一定的情況下，分析振動(dòng)頭振幅、彈丸數(shù)量及彈丸直徑對(duì)試件殘余應(yīng)力場(chǎng)的影響，可以得出：

（1）隨著振動(dòng)頭振幅的增加，試件下表面殘余壓應(yīng)力的值逐漸增大，殘余壓應(yīng)力分布范圍逐漸增大，逐層分析可知，隨著振幅增加，試件下表面每層殘余壓應(yīng)力分布范圍及殘余壓應(yīng)力值逐漸增大，殘余壓應(yīng)力層深度逐漸增加；

（2）隨著彈丸數(shù)量的增加，試件下表面殘余壓應(yīng)力分布范圍增加，逐層分析可知，殘余壓應(yīng)力在每層的值較為穩(wěn)定，分布隨著彈丸數(shù)量的增加有所增加，而殘余壓應(yīng)力層深度并未隨之增加；

（3）隨著彈丸直徑的增加，試件下表面殘余壓應(yīng)力的值逐漸增大，殘余壓應(yīng)力分布范圍逐漸增大，逐層分析，可知，隨著彈丸直徑的增加，試件下表面每層殘余壓應(yīng)力分布范圍及殘余壓應(yīng)力值逐漸增大，殘余壓應(yīng)力層深度逐漸增加。

（4）重點(diǎn)對(duì)TC4 鈦合金超聲噴丸強(qiáng)化進(jìn)行仿真研究，結(jié)合上述3 方面的研究結(jié)果可以得出，在超聲噴丸過程中，在其他條件一定時(shí)，增加振動(dòng)頭振幅與彈丸直徑既可以提高試件沿深度方向每層殘余壓應(yīng)力的值，又能使殘余壓應(yīng)力層深度增加；而增加彈丸數(shù)量，僅能提高每層殘余壓應(yīng)力的值，并不能增加殘余壓應(yīng)力層的深度，該結(jié)論與試驗(yàn)所得結(jié)果一致，針對(duì)不同種類的零件可以定性起到加工指導(dǎo)作用。