胡興遠,王 成*,李開發(fā),王宇星

(1.安徽理工大學 機械工程學院,安徽 淮南 232001;2.上海城建職業(yè)學院 機電工程與信息學院,上海 201415)

0 引 言

表面機械滾壓處理是一種高效率、低成本的綠色表面強化技術。該技術通過采用滾針或滾珠形狀的刀具,在滾壓力作用下加載于工件表面之上,并進行往復滾壓,以降低工件的表面粗糙度,誘導材料表層晶粒細化和納米化,并引入殘余壓應力場,有效改善工件的耐腐蝕、耐磨性和抗疲勞性能。因此,該技術被廣泛應用于航空航天、工程機械和車輛船舶等工業(yè)領域[1-3]。汽車發(fā)動機曲軸80%以上需經圓角滾壓處理,轎車發(fā)動機曲軸幾乎全部采用圓角滾壓工藝進行強化[4]。

影響表面機械滾壓強化效果的工藝參數(shù)頗多,主要有滾壓力、滾壓速度、滾壓道次和滾壓刀具的幾何形狀以及其尺寸。胡寧靜[5]和楊運勤[6]等人通過“正交試驗法”建立了滾壓工藝參數(shù)與表面粗糙度之間的關系,對滾壓工藝參數(shù)進行了優(yōu)化。夏偉等人[7]通過對6061鋁合金進行滾壓強化,得到了潤滑條件下最優(yōu)滾壓工藝參數(shù)。

近年來,國內外大量的研究人員對表面機械滾壓強化過程進行了數(shù)值模擬,探究了滾壓處理工藝參數(shù)對殘余應力的影響。相比于試驗研究,數(shù)值模擬不僅周期短、成本小,而且有助于更加深刻地理解表面機械滾壓強化機理。因此,通過數(shù)值模擬研究各種工藝參數(shù)對滾壓強化殘余應力的影響以及滾壓強化的機制，越來越受到研究學者的青睞[8-11]。

MAJZOOBI G H等人[12]235-236開發(fā)了圓盤式滾子滾壓板材的模型,研究了滾壓力對材料疲勞性能的影響。ZHANG P等人[13]建立了滾壓柱狀工件的模型,研究了滾壓強化殘余應力對工件疲勞性能的影響。劉福超等人[14]17-18采用有限元軟件ABAQUS建立了滾壓強化的參數(shù)化模型,研究了滾壓力、滾針直徑、表面摩擦系數(shù)對滾壓強化殘余應力的影響。韓少軍[15]、毛華杰[16]和王生武[17]等人通過有限元軟件ANSYS和Marc對滾壓強化過程進行了數(shù)值模擬,研究了各種工藝參數(shù)對滾壓強化殘余應力的影響規(guī)律。劉榮昌等人[18,19]數(shù)值模擬了曲軸圓角滾壓強化過程,研究了滾壓工藝、曲軸材料和滾壓工具等參數(shù)對滾壓強化殘余應力以及曲軸疲勞性能的影響。

綜上所述,關于表面機械滾壓工藝參數(shù)對其所致殘余應力的影響已有大量的試驗和研究。然而,據查閱文獻所知,目前研究預加載荷對表面機械滾壓強化殘余應力的影響,還少有報道。

因此,基于ABAQUS有限元分析平臺,筆者建立三維表面機械滾壓有限元模型,提出一種新型的耦合顯式動力學-隱式靜力學的計算框架,探究預加載荷對表面機械滾壓強化殘余應力的影響,為表面機械滾壓強化技術的工業(yè)應用提供經驗和理論支撐。

1 有限元模型

基于ABAQUS有限元分析平臺,筆者建立三維表面機械滾壓強化有限元模型，如圖1所示。

圖1 預加載荷作用下表面機械滾壓強化有限元模型

圖1中,板材的長、寬、高分別為12 mm、3 mm和2 mm,滾珠的直徑為3 mm。筆者采用三維八節(jié)點減縮積分單元(ABAQUS/C3D8R)對板材和滾珠模型進行劃分網格,單元網格的最小尺寸為0.02 mm[14]18。由于滾珠具有超高的強度和剛度,在表面機械滾壓強化過程中,其變形可以忽略不計,可將滾珠處理成一個剛性體,剛性體的參考點位于其球心。

板材為AISI 4340鋼,筆者采用Johnson-Cook模型[20]表征其在表面機械滾壓強化過程中的動態(tài)應力-應變響應,即:

(1)

除此之外,板材的其他基本材料參數(shù)有:彈性模量E=210 GPa,泊松比ν=0.3和密度ρ=7 800 kg/m3。

具體取值如表1所示。

表1 AISI 4340鋼Johnson-Cook模型參數(shù)

2 數(shù)值模擬流程

預加載荷作用下,表面機械滾壓強化過程的數(shù)值模擬主要分為4個步驟完成,如圖2所示。

圖2 預加載荷作用下表面機械滾壓強化過程的模擬流程圖

首先,筆者在隱式靜力學模塊(ABAQUS/Standard),通過三點彎對板材施加預載荷(注意:在三點彎加載過程中要確保板材只處于彈性變形階段)。

具體的做法是:在板材承受滾珠滾壓的那一端面(記為滾壓端面)施加對稱約束,并固定其底端一邊;在板材另一端面施加預載荷(F)。這里采用位移載荷,通過彈性變形試算確定位移大小為0.05 mm[12]237和0.07 mm;

然后將隱式靜力學計算的預載荷導入到顯式動力學模塊(ABAQUS/Explicit),此時固定板材預載荷施加端以凍結預加載荷;同時在滾珠的參考點上施加下壓位移載荷,大小為0.1 mm;當滾珠下壓后再進行滾動處理,滾動速度為30 mm/s,方向沿圖1中的Path-2,滾珠從板材一側面滾到相對面所需時間為0.1 s。滾珠與板材之間的接觸采用罰函數(shù)法進行計算,摩擦系數(shù)為0.3。

為了獲得穩(wěn)定的表面機械滾壓強化殘余應力場,筆者將滾壓強化完成后的動態(tài)應力場再次導入到隱式靜力學模塊(ABAQUS/Standard)進行回彈計算(把回彈計算分為兩個工況進行分析:釋放預加載荷和未釋放預加載荷)。對于釋放預加載荷,在回彈計算之前,將板材預載荷施加端的固定約束撤去;反之,未釋放預加載荷就是在回彈計算過程中一直保持對板材預載荷施加端的固定約束。

為了消除板材兩端滾壓起點和終點的影響,筆者在圖1中板材滾壓端面的中間位置建立一條厚度方向的路徑Path-1,用以分析數(shù)值模擬結果。

3 結果與討論

為了研究預加載荷對表面機械滾壓強化殘余應力的影響,筆者設置4個模擬工況,分別記為:方案1、方案2、方案3和方案4。方案1是沒有預加載荷作用下的表面機械滾壓強化模擬,作為參考;方案2和方案3對應的預加載荷分別為F=0.05 mm和0.07 mm,預加位移載荷的方向與滾珠下壓的方向一致;方案4預加載荷的大小與方案2相同,但方向相反。

在不同表面機械滾壓強化模擬工況下,滾珠下壓位移及其支反力的演化如圖3所示。

圖3 滾珠下壓位移及其支反力的演化

由圖3可見,滾珠在其滾動過程中下壓位移穩(wěn)定在0.1 mm,但其支反力在滾動過程中呈現(xiàn)先增大、然后相對穩(wěn)定、最后減小3個階段的變化趨勢;

從圖3中還可以看到,當滾珠下壓0.1 mm后,其參考點的支反力增大至550 N,隨著滾珠滾動0.02 s,其參考點的支反力逐漸增大,最大支反力達到1 200 N;在滾珠滾動0.02 s到0.08 s的階段,其參考點的支反力略微有所減小,基本處于相對穩(wěn)定階段;在滾珠滾動0.08 s到0.1 s的階段,隨著滾珠到滾壓終點距離的減小,滾珠支反力逐漸減小。

在滾珠支反力的增加階段,不同表面機械滾壓強化工況響應的支反力相差不大;但在支反力相對穩(wěn)定以及減小階段,對應于相同的滾壓時間,方案1響應的支反力最小,方案4響應的支反力最大,方案2和方案3兩者相差不大。

考慮到預加載荷產生的主要應力為圖1中z軸方向的應力分量σz(記為S33),本文主要以σz(S33)為研究對象分析表面機械滾壓強化的殘余應力。

在表面機械滾壓強化過程中,板材響應的動態(tài)應力如圖4所示。

圖4 動態(tài)應力云圖

板材與滾珠接觸區(qū)域的最大動態(tài)壓應力達到6.06 GPa,壓應力沿著板材厚度方向逐漸減小,在滾珠與板材接觸區(qū)域的前、后方均產生一定的動態(tài)拉應力。

筆者將板材的動態(tài)應力進行回彈計算,得到不同模擬工況下板材穩(wěn)定后的殘余應力如圖5所示。

圖5 殘余應力云圖

由圖5可見:板材在滾壓的起點形成殘余拉應力,在滾壓的終點形成殘余壓應力;板材內部產生殘余壓應力層,并且靠近滾壓終點端的殘余壓應力明顯偏大。

相對于方案1(沒有施加預載荷的滾壓強化工況),由圖5(c,e,g)可知,預加載荷會增大板材滾壓起點端的殘余拉應力,并且在釋放預加載荷的工況下表現(xiàn)得更加明顯。

為了消除板材上滾珠滾壓起點和終點的影響,板材對稱面上沿中間路徑Path-1(圖1)分布的殘余應力如圖6所示。

圖6 不同工況下殘余應力沿板材厚度方向的分布

由圖6可見:相對于方案1,預加載荷在板材的表層及亞表層產生殘余拉應力,其中方案4產生的殘余拉應力更為顯著;對于未釋放預加載荷的工況,預加載荷對最大殘余壓應力和殘余壓應力的深度影響很小;對于釋放預加載荷的工況,預加載荷致使板材的最大殘余壓應力小于方案1工況,但對殘余壓應力的深度以及最大殘余壓應力的深度影響不大。

為了進一步研究預加載荷對表面機械滾壓強化殘余應力的影響,筆者單獨比較方案1與方案2和方案4的殘余應力分布如圖7所示。

圖7 預加載荷對表面機械滾壓強化殘余應力的影響

圖7中,方案2和方案4的預加載荷大小相同,但方向相反。從圖7中可以看到:釋放預加載荷會進一步增大板材表層及亞表層的殘余拉應力,減小其最大殘余壓應力,其中以方案4工況表現(xiàn)得更為顯著。

由此可見,在預加載荷作用下進行表面機械滾壓處理,對其所致的殘余應力是不利的,板材表層及亞表層會產生殘余拉應力,板材內部的最大殘余壓應力也會有所減小,并且釋放預加載荷會進一步加劇這種對表面機械滾壓強化殘余應力不利的影響。因此,在表面機械滾壓強化工過程中應當避免工件承受預加載荷。

4 結束語

為了探究預加載荷對表面機械滾壓強化殘余應力的影響,本文基于ABAQUS有限元分析平臺,建立了表面機械滾壓強化三維有限元模型,通過耦合顯式動力學(ABAQUS/Explicit)與隱式靜力學(ABAQUS/Standard),模擬了預加載荷作用下的表面機械滾壓強化過程。研究結果表明:

(1)在相同的滾珠下壓位移載荷下,表面機械滾壓強化過程中滾珠支反力經歷先增大、然后相對穩(wěn)定和最后減小的3個階段,預加載荷會增大后兩個階段的滾珠支反力;

(2)表面機械滾壓強化會在板材表層及亞表層產生有益的殘余壓應力,但預加載荷會導致滾壓強化后的板材表面產生殘余拉應力;

(3)相對于未釋放預加載荷工況,表面機械滾壓強化后釋放預加載荷會減小板材滾壓強化的最大殘余壓應力;

(4)相對于預加載荷方向與滾壓力方向一致的工況,與滾壓力方向相反的預加載荷會進一步削弱板材亞表層的殘余壓應力。

該數(shù)值模擬結果對表面機械滾壓處理技術的發(fā)展以及滾壓強化殘余應力的定量研究有一定的指導意義。