康軍輝，劉曉初，蕭金瑞，謝鑫成

（1.廣州大學(xué)機(jī)械與電氣工程學(xué)院，廣州 510006；2.廣州大學(xué)廣州市金屬材料強(qiáng)化研磨高性能加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510006；3.廣州大學(xué)廣東省強(qiáng)化研磨高性能微納加工工程技術(shù)研究中心，廣州 510006）

0 引言

強(qiáng)化研磨微納加工是一項(xiàng)減摩抗磨、抗疲勞、抗腐蝕以及延壽的加工新方法[1]。其基本原理是將鋼珠、研磨粉、研磨液按照一定的配比均勻混合，結(jié)合高壓氣體形成固液氣三相混合流，以一定的角度噴射至工件表面，如圖1所示。通過強(qiáng)化研磨微納加工，可以顯著提高金屬靶材的表面物理化學(xué)性能及可靠性[2-4]。碰撞研磨微切削復(fù)合加工的同時(shí)，工件表面產(chǎn)生一定的塑性變形以及具有殘余壓應(yīng)力的強(qiáng)化層。由于噴射的研磨料是均勻混合，研磨粉均勻附著在鋼球表面，在相同壓力情況下，磨粒和靶材表面的接觸面積減小了，因此在相同噴射狀態(tài)下，可以比純鋼珠噴射產(chǎn)生更大的殘余壓應(yīng)力。近年來(lái)，課題組對(duì)強(qiáng)化研磨微納加工做了大量的實(shí)驗(yàn)研究，但是由于實(shí)驗(yàn)加工后的靶材殘余應(yīng)力分布難于檢測(cè)，而采用有限元數(shù)值模擬可以很具體地表征強(qiáng)化研磨微納加工所產(chǎn)生殘余應(yīng)力的分布。很多學(xué)者利用有限元仿真數(shù)值模擬靶材經(jīng)過強(qiáng)化后殘余應(yīng)力場(chǎng)的分布狀態(tài)，不僅節(jié)約科研成本，同時(shí)也能夠揭示強(qiáng)化后靶材的殘余應(yīng)力變化規(guī)律[5-7]。

圖1 強(qiáng)化研磨原理圖

已有研究表明，在彈丸或者粒子高速撞擊工件表面，工件表面會(huì)形成一定層深的殘余應(yīng)力以提高工件表面強(qiáng)度。文獻(xiàn)[8]研究了高速微粒子對(duì)鉻鉬鋼（SCM415）進(jìn)行噴射處理，噴射粒徑為幾十納米以下的微粒子；王利平等[9]采用光滑粒子流體動(dòng)力學(xué)法與有限元法相結(jié)合的方法，對(duì)單純丸粒噴丸過程進(jìn)行數(shù)值模擬；盧國(guó)鑫等[10]研究了控制相同動(dòng)能單丸粒多次沖擊殘余應(yīng)力變化。上述研究均沒有涉及基于強(qiáng)化研磨加工原理鋼珠噴射速度和角度對(duì)工件表面殘余應(yīng)力分布的影響。

因此，本文著重使用ABAQUS/Explicit 有限元分析模塊，分析強(qiáng)化研磨微納加工中速度和角度對(duì)GCr15 軸承殘余應(yīng)力場(chǎng)分布的影響；探究殘余應(yīng)力數(shù)值和參數(shù)之間的規(guī)律，進(jìn)而為強(qiáng)化研磨微納加工技術(shù)提供有效的理論指導(dǎo)。

1 強(qiáng)化研磨微納加工仿真模型

1.1 強(qiáng)化研磨微納加工數(shù)值模擬方法

在ABAQUS 軟件中，有限元計(jì)算模塊分為隱式（Standard）和顯式（Explicit）兩個(gè)模塊，隱式求解器使用Newmark 隱式時(shí)間積分Newmark（隱式）法能夠分析各種復(fù)雜的接觸問題，對(duì)于線性問題無(wú)條件穩(wěn)定，容易收斂，因?yàn)槊總€(gè)增量步都需要求解線性方程組，計(jì)算量很大，需要占用大量的磁盤空間和內(nèi)存，更適合于靜力學(xué)問題、低頻震動(dòng)力學(xué)計(jì)算以及特征值分析。

強(qiáng)化研磨微納加工中，加工碰撞時(shí)間較短、震動(dòng)頻率高、碰撞過程不連續(xù)、材料塑性應(yīng)變響應(yīng)快、需要時(shí)間增量較少，三相混合流加工為非線性問題，因此選用顯式（Explicit）模塊進(jìn)行分析求解更加適合。

1.2 三維模型尺寸確定以及邊界條件

由于單顆磨粒與軸承套圈靶材接觸點(diǎn)非常小，所以可以將靶材近似成小鋼塊，強(qiáng)化研磨噴嘴距離靶材的靶射距離較近，噴射速度較大，忽略單顆磨粒重力加速度的影響。為了提高計(jì)算效率，減少仿真運(yùn)算時(shí)間，定義磨粒與靶材接觸前距離為0.6 mm；磨粒具體尺寸為120#白剛玉結(jié)合1 mm 直徑鋼珠，所強(qiáng)化的靶材為軸承內(nèi)圈，單磨粒作用的靶材為2 mm×2 mm×2.4 mm 長(zhǎng)方體，在模型的4 個(gè)側(cè)面底面以及底面都施加非反射邊界條件，阻止應(yīng)力波在邊界面發(fā)生反射，保證應(yīng)力發(fā)生區(qū)數(shù)值的準(zhǔn)確性，將磨粒約束為剛體，接觸區(qū)網(wǎng)格細(xì)密劃分為0.012 mm×0.012 mm×0.012 mm，仿真模型圖如圖2所示。

圖2 仿真模型圖

1.3 材料屬性以及本構(gòu)模型

對(duì)于強(qiáng)化研磨微納加工靶材GCr15 軸承套圈，按照其材料屬性真實(shí)值賦值，而對(duì)于非研究客體的研磨粒則可以設(shè)置為剛體，GCr15材料的力學(xué)性能如表1所示。

表1 GCr15 軸承鋼靶材和鋼珠的材料力學(xué)性能參數(shù)

強(qiáng)化研磨微納加工實(shí)驗(yàn)的磨粒高頻高速撞擊靶材，使靶材發(fā)生劇烈的彈塑性變形，應(yīng)變速率非常高，因此必須考慮到應(yīng)變、應(yīng)變率等因素對(duì)材料屈服應(yīng)力的影響。其中Johnson-Cook 模型適用于金屬材料高應(yīng)變速率的塑性變形，適合本試驗(yàn)仿真模型強(qiáng)化研磨模擬仿真，GCr15 材料Johnson-Cook 模型本構(gòu)參數(shù)如表2所示。

表2 GCr15軸承鋼本構(gòu)模型參數(shù)

2 加工工藝參數(shù)范圍確定

強(qiáng)化研磨微納加工設(shè)備是屬于氣動(dòng)式強(qiáng)化設(shè)備，孫寶龍等[11]進(jìn)行了相關(guān)研究；Klemenz[12]通過大量實(shí)驗(yàn)得到噴射壓力與速度經(jīng)驗(yàn)公式如下：

式中：p為噴射壓力，即為噴嘴壓強(qiáng)，MPa；m為研磨料給進(jìn)流量，kg/min；d為磨粒直徑，mm；研磨粉直徑忽略不計(jì)。

實(shí)驗(yàn)測(cè)得磨粒的噴出流量為24.5 kg/min，實(shí)驗(yàn)噴射氣體壓強(qiáng)0.4 ～0.8 MPa，代入公式計(jì)算出噴嘴處磨粒的垂直噴射速度為44.30～67.2 m/s。在ABAQUS 載荷加載中，考慮到強(qiáng)化研磨是加工靶材發(fā)生循環(huán)塑性應(yīng)變以及金屬表面發(fā)生一系列摩擦化學(xué)反應(yīng)的過程，本模型模擬單組研磨料研磨過程，且認(rèn)為單組研磨粒1次沖擊該位置獲得100%的表面覆蓋率。

3 殘余應(yīng)力仿真計(jì)算

3.1 強(qiáng)化研磨噴射速度對(duì)殘余應(yīng)力的影響

為了研究強(qiáng)化研磨微納加工噴射速度對(duì)殘余應(yīng)力的影響，選取磨粒直徑d=1 mm，搭配120#的研磨粉進(jìn)行組合，噴射角度選取60°，設(shè)置磨粒噴射速度v 的大小分別為45 m/s、50 m/s、55 m/s、60 m/s、65 m/s，仿真結(jié)果如圖3 所示。由圖可以看出，隨著速度的增加，最大殘余應(yīng)力值總體上呈增加趨勢(shì)，殘余應(yīng)力層深也是呈正相關(guān)關(guān)系。由圖4所示的最大殘余壓應(yīng)力深度Zmax和殘余壓應(yīng)力層深Zh隨著速度的變化可知，由速度45 ～50 m/s 過程中，殘余應(yīng)力層深Zh下降了約30.8%，最大殘余應(yīng)力深度Zmax減小了約40%；噴射速度從50 ～60 m/s的過程中，殘余應(yīng)力層深Zh提高了約40.2%，最大殘余應(yīng)力深度Zmax增加了約33.2%；從60 ～65 m/s過程中，殘余應(yīng)力層深Zh下降了約21.4%，最大殘余應(yīng)力深度Zmax減小了約37.5%，可以看出殘余應(yīng)力層深Zh和最大殘余應(yīng)力深度Zmax隨著速度變化表現(xiàn)出一定的一致性。

不同磨粒噴射速度下最大殘余壓應(yīng)力和表面殘余壓應(yīng)力大小如圖5所示。由圖可知，磨粒和靶材碰撞區(qū)域表面殘余應(yīng)力p0的大小隨著磨粒噴射速度的增加而呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)，最大殘余應(yīng)力pmax在總體上是隨著速度的增加呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，但是在速度55 ～60 m/s的過程中，最大殘余應(yīng)力增加了4.2%左右。

綜上所述，取速度60 m/s 左右可以獲得較深和較大的殘余壓應(yīng)力；速度50 m/s左右可以獲得淺層殘余應(yīng)力場(chǎng)。

3.2 強(qiáng)化研磨噴射角度對(duì)殘余應(yīng)力的影響

在強(qiáng)化研磨微納加工工藝中，噴射角度也會(huì)影響加工靶材的殘余應(yīng)力分布。為探究磨粒噴射角度對(duì)殘余應(yīng)力的影響，本文用單一控制變量的方法，選取磨粒直徑d=1 mm，搭配120#的研磨粉進(jìn)行組合，噴射速度選取50 m/s，分別取噴射角度為進(jìn)行仿真噴射實(shí)驗(yàn)，不同磨粒噴射角度下殘余應(yīng)力分布如圖6所示。由圖可以看出，殘余應(yīng)力曲線的重合度不高，可以說(shuō)明殘余應(yīng)力的分布受噴射角度變化影響較大。從圖7所示的最大殘余壓應(yīng)力深度Zmax和殘余壓應(yīng)力層深Zh可以看出，噴射角度從過程中，最大殘余應(yīng)力Zmax深層下降了約25%，而此時(shí)殘余應(yīng)力層深Zh增加了30%左右；噴射角度從過程中，最大殘余應(yīng)力Zmax深層下降了約22%，殘余應(yīng)力層深Zh減小了約16.7%；噴射角度從過程中，最大殘余應(yīng)力Zmax和殘余應(yīng)力層深Zh都呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，其中Zmax增加了約62%，Zh增加了27%。

圖3 不同磨粒噴射速度下殘余應(yīng)力分布圖

圖4 不同磨粒噴射速度下最大殘余壓應(yīng)力深度和殘余壓應(yīng)力層深

圖5 不同磨粒噴射速度下最大殘余壓應(yīng)力和表面殘余壓應(yīng)力大小

圖6 不同磨粒噴射角度下殘余應(yīng)力分布圖

圖7 不同磨粒噴射角度下最大殘余壓應(yīng)力深度和殘余壓應(yīng)力層深

圖8 不同磨粒噴射角度下最大殘余壓應(yīng)力和表面殘余壓應(yīng)力大小

不同磨粒噴射角度下最大殘余壓應(yīng)力和表面殘余壓應(yīng)力大小如圖8所示。由圖可知，總體趨勢(shì)上，磨粒和靶材碰撞區(qū)域表面殘余應(yīng)力P0的大小和最大殘余應(yīng)力pmax的大小隨著磨粒噴射角度的增大而增大。從中，pmax的增長(zhǎng)速率最快，增量達(dá)到了50%；從過程中，p0增長(zhǎng)速度最快，達(dá)到了70%。

4 結(jié)束語(yǔ)

（1）在強(qiáng)化研磨加工磨粒噴射速度在45～65 m/s 的變動(dòng)范圍下，的加工角度所產(chǎn)生的殘余應(yīng)力層深在0.09～0.14 mm范圍內(nèi)變化；