劉德玉，陳家偉，劉曹文，廖 凱

(1.湖南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410003；2.中南林業(yè)科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410004)

0 前 言

噴丸強(qiáng)化處理可以在材料表層施加一定深度的殘余壓應(yīng)力層，改變材料表面殘余壓應(yīng)力的分布情況，從而影響材料性能，因其操作簡(jiǎn)便、經(jīng)濟(jì)高效，在航空、高鐵機(jī)車和汽車工業(yè)上得到了廣泛運(yùn)用[1-4]。在噴丸過(guò)程中工藝參數(shù)的設(shè)置至關(guān)重要，不同工藝參數(shù)的設(shè)置會(huì)造成不同的殘余應(yīng)力場(chǎng)，影響噴丸效果的工藝參數(shù)眾多，采取試驗(yàn)的方式來(lái)探究噴丸工藝參數(shù)的設(shè)置效率不高[5-8]。與之相比，噴丸數(shù)值模擬可以快速獲得不同工藝參數(shù)組合下的噴丸結(jié)果，便于得到試驗(yàn)中不易獲取的數(shù)據(jù)，了解噴丸動(dòng)態(tài)過(guò)程[9-14]。

數(shù)值模擬方法的運(yùn)用為掌握噴丸工藝參數(shù)對(duì)噴丸殘余應(yīng)力場(chǎng)的影響規(guī)律提供了便捷條件。在國(guó)外，Maleki等[15]探究了AISI 1060高碳鋼噴丸過(guò)程中影響殘余壓應(yīng)力分布的最主要工藝參數(shù)，結(jié)合測(cè)試結(jié)果發(fā)現(xiàn)在空氣壓力、表面覆蓋率、噴射角度等工藝參數(shù)中，表面覆蓋率對(duì)噴丸加工效果產(chǎn)生的影響最大，其影響占比約57%，認(rèn)為調(diào)整表面覆蓋率有利于在受噴材料表面形成均勻的殘余壓應(yīng)力，從而提高噴丸件的疲勞壽命；為估測(cè)噴丸仿真過(guò)程中的表面覆蓋率，Pham等[16]結(jié)合有限元模型和Matlab構(gòu)建出一種新的動(dòng)態(tài)塑型模型，并利用這一模型探究了覆蓋率、噴射速度等工藝參數(shù)對(duì)AISI 4340鋼噴丸效果的影響，結(jié)果認(rèn)為“大彈丸+小彈丸”二次噴丸是經(jīng)濟(jì)高效的噴丸工藝方案，還有利于改善噴丸件的表面光潔度；Liu等[17]采用三維有限元模擬來(lái)預(yù)測(cè)噴丸有效參數(shù)，為了使噴丸件上殘余壓應(yīng)力分布均勻，控制了噴射速度、噴射角度和摩擦系數(shù)等參數(shù)，在研究過(guò)程中發(fā)現(xiàn)增加噴射速度和摩擦系數(shù)可以有效增加殘余壓應(yīng)力的影響深度，還發(fā)現(xiàn)采用隨動(dòng)強(qiáng)化模型可以更好地貼近試驗(yàn)結(jié)果。在國(guó)內(nèi)，李源等[18]利用有限 元仿真軟件ABAQUS，結(jié)合python語(yǔ)言進(jìn)行2次開(kāi)發(fā)，建立了一種彈丸位置隨機(jī)排布的噴丸三維有限元模型，并利用這種模型研究分析了噴丸工藝參數(shù)對(duì)殘余應(yīng)力及表面粗糙度的影響規(guī)律，這一模型考慮了真實(shí)噴丸條件下彈丸分布的隨機(jī)性，更加貼近真實(shí)情況；董星等[19]建立了一種水射流多彈丸有限元模型，通過(guò)模型獲得了不同數(shù)量彈丸撞擊下45鋼表面殘余應(yīng)力場(chǎng)的分布情況，認(rèn)為不同數(shù)量彈丸撞擊后材料表層徑向殘余應(yīng)力在深度方向的變化規(guī)律類似，并采用試驗(yàn)的方法檢驗(yàn)了模擬結(jié)果的可靠性；強(qiáng)斌等[20]采用仿真與試驗(yàn)相結(jié)合的方法，探究了Q345鋼噴丸過(guò)程中噴射速度、撞擊次數(shù)和彈丸大小對(duì)殘余壓應(yīng)力分布的影響規(guī)律，結(jié)果表明隨噴射速度、撞擊次數(shù)和彈丸大小的增加，殘余壓應(yīng)力分布會(huì)逐漸趨于均勻化；陳家偉等[21]通過(guò)ANSYS有限元軟件建立了三維多丸噴丸有限元模型，利用有限元模型獲得了噴射速度和噴射距離等噴丸工藝參數(shù)對(duì)殘余壓應(yīng)力的影響情況，并將結(jié)果擬合成多元回歸函數(shù)，最后進(jìn)行了噴丸驗(yàn)證試驗(yàn)，檢驗(yàn)函數(shù)模型的準(zhǔn)確度。

7075-T651鋁合金是一種高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)合金，常用于制造航空和汽車機(jī)械構(gòu)件，但隨著設(shè)備服役環(huán)境的復(fù)雜化和多樣化，對(duì)材料性能產(chǎn)生了更高的要求，通過(guò)噴丸處理可有效提高鋁合金材料使用性能[21]。為了探究噴射速度、噴射距離和彈丸大小對(duì)7075-T651鋁合金噴丸后殘余應(yīng)力場(chǎng)分布的影響情況，本工作利用ANSYS/LS-DYNA有限元仿真軟件對(duì)7075-T651鋁合金進(jìn)行噴丸仿真模擬，建立1/4實(shí)體模型，對(duì)撞擊區(qū)域的網(wǎng)格進(jìn)行切分細(xì)化，以節(jié)省計(jì)算時(shí)間，并對(duì)7075-T651鋁合金進(jìn)行噴丸試驗(yàn)，通過(guò)XRD應(yīng)力測(cè)試結(jié)果，檢驗(yàn)與完善噴丸仿真模型的準(zhǔn)確性。

1 噴丸有限元模型的建立

1.1 實(shí)體模型

噴丸即大量高速運(yùn)動(dòng)的彈丸撞擊到靶材表面，使靶材表層發(fā)生塑性變形，并在靶材表面產(chǎn)生一層殘余壓應(yīng)力層，從而影響材料的服役性能。由于靶材具有對(duì)稱性，為了節(jié)約計(jì)算時(shí)間，提高計(jì)算效率，建模時(shí)采用1/4靶材模型，并施加相應(yīng)條件，在后處理過(guò)程中復(fù)原成全模型。靶材的尺寸設(shè)為1.0 mm×1.0 mm×1.0 mm，彈丸直徑為0.5 mm，為了提高計(jì)算精度，將靶材劃分為撞擊區(qū)域和非撞擊區(qū)域，網(wǎng)格的尺寸和質(zhì)量是影響仿真模型準(zhǔn)確度的關(guān)鍵因素，根據(jù)Han等[22]的研究指出，在噴丸有限元模擬過(guò)程中，網(wǎng)格尺寸和彈丸大小的比值應(yīng)該不大于1/10，將靶材的網(wǎng)格大小設(shè)為0.05 mm，采用映射網(wǎng)格劃分，而彈丸不是主要研究對(duì)象，網(wǎng)格采用自由劃分。

為貼近實(shí)際情況，有限元模型的單元類型選用符合實(shí)體材料特性的solid 164單元，這種單元類型便于施加邊界約束，彈丸和靶材之間的距離設(shè)置為100 mm，噴射壓力設(shè)為0.3 MPa，彈丸速度方向與靶材面成一定角度[23]，在模型的建立過(guò)程中，需要將噴射壓力轉(zhuǎn)換為噴射速度施加于彈丸，利用Klemenz博士(Klemenz，2006)推導(dǎo)的公式估算噴丸速度[10]：

(1)

式中p——噴射壓力，MPa

m——噴丸流量，kg/min

d——彈丸直徑，mm

彈丸流量通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試獲得，稱取1 kg的鑄鋼丸，彈丸直徑為0.5 mm，將稱取的丸料倒入噴丸機(jī)貯藏器內(nèi)，開(kāi)啟空氣壓縮機(jī)和噴丸機(jī)，將噴丸壓力調(diào)至0.3 MPa，過(guò)一段時(shí)間，待壓力穩(wěn)定后，開(kāi)始噴丸，并同步計(jì)時(shí)，噴出的丸料用盒子收集，以免重新進(jìn)入機(jī)器進(jìn)行循環(huán)，影響測(cè)試的準(zhǔn)確性。重復(fù)6次試驗(yàn)，1 kg彈丸循環(huán)一次的時(shí)間為1′39″～2′24″，帶入式(1)計(jì)算得出噴丸流速約為54 m/min。

高速?zèng)_擊動(dòng)力學(xué)問(wèn)題仿真中的接觸情況通常比較復(fù)雜，為了保證模型的可靠性，接觸條件的設(shè)置要以實(shí)際情況為依據(jù)，采用顯示自動(dòng)算法和面對(duì)面接觸類型，摩擦系數(shù)設(shè)為0.2，相鄰兩彈丸之間的搭接率為0.5，如圖1所示為噴丸有限元模型[24]。

圖1 噴丸有限元模型

1.2 本構(gòu)關(guān)系與邊界條件

在仿真過(guò)程中，賦予模型不同的本構(gòu)關(guān)系能讓模型呈現(xiàn)不同的材料特性。根據(jù)鋁合金材料特性，選用ANSYS/LD-DYNA材料庫(kù)中的雙線性隨動(dòng)模型作為靶材的本構(gòu)模型，適合小應(yīng)變撞擊問(wèn)題是該模型的特點(diǎn)，使用塑性斜率和彈性斜率可以很好地反映鋁合金材料的力學(xué)特性，鋁合金材料和彈丸的力學(xué)屬性如表1所示。在實(shí)際噴丸中，彈丸的硬度要高于鋁合金靶材，且在本研究中彈丸不是主要考慮對(duì)象，視作剛體處理，所以彈丸模型選用Rigid本構(gòu)關(guān)系，并且為了避免彈丸在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中偏離出靶材范圍，還要約束彈丸模型XY平面的位移。仿真模型中彈丸與靶材的體積比要遠(yuǎn)大于實(shí)際情況，靶材體積不大會(huì)導(dǎo)致彈丸沖擊波無(wú)法有效逸散，在靶材模型的兩個(gè)外側(cè)面添加非反射邊界條件，這一設(shè)置可以使沖擊波靠近靶材邊界時(shí)不會(huì)被重新反射回靶材內(nèi)部，影響計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確度，靶材模型的兩個(gè)內(nèi)側(cè)面施加對(duì)稱邊界條件，這一設(shè)置是為了在后處理中能夠以切分面為對(duì)稱面，恢復(fù)為全模型狀態(tài)，最后在靶材模型的底面添加全約束條件，以防靶材模型受到彈丸的撞擊而被擊飛，圖2為靶材的邊界條件具體施加位置[24]。

表1 材料的力學(xué)屬性

圖2 有限元模型邊界條件

1.3 仿真結(jié)果

分別統(tǒng)計(jì)0.2、0.3、0.5，1.0 mm直徑彈丸噴丸后靶材表面殘余應(yīng)力的分布情況，繪制成圖。如圖3所示，彈丸直徑為0.2、0.3，0.5 mm時(shí)，隨著彈丸直徑的增大，殘余壓應(yīng)力層的深度會(huì)逐漸增大，且殘余壓應(yīng)力的最大值也在增大，最大達(dá)到-329 MPa。但當(dāng)彈丸直徑為1.0 mm時(shí)，近表面殘余壓應(yīng)力反而較小，例如0～40 μm深度時(shí)，采用1.0 mm直徑彈丸撞擊后靶材殘余壓應(yīng)力值較0.5 mm彈丸減小，但最大殘余壓應(yīng)力值和殘余壓應(yīng)力層深度仍增大，這說(shuō)明彈丸直徑會(huì)影響最大殘余壓應(yīng)力值和殘余壓應(yīng)力層，但并非彈丸直徑越大，殘余壓應(yīng)力越大。

圖3 彈丸直徑對(duì)殘余應(yīng)力分布的影響

不同噴射距離噴丸后殘余應(yīng)力沿深度的分布情況如圖4所示，當(dāng)噴射距離為100 mm時(shí)，殘余壓應(yīng)力的最大值和殘余壓應(yīng)力層深度均最大，分別達(dá)到-325 MPa和130 μm。當(dāng)噴射距離為50 mm和150 mm時(shí)，最大殘余壓應(yīng)力值和殘余壓應(yīng)力層深度幾乎一致，較100 mm有所減小。這一現(xiàn)象表明噴丸時(shí)存在1個(gè)最佳的噴射距離范圍，當(dāng)噴射距離小于這個(gè)范圍或者超過(guò)這個(gè)范圍時(shí)，會(huì)使噴丸效果減弱，當(dāng)噴射距離過(guò)近時(shí)，彈丸的動(dòng)能沒(méi)有充分發(fā)揮，當(dāng)噴射距離過(guò)遠(yuǎn)時(shí)，彈丸的動(dòng)能消耗過(guò)大。

圖4 噴射距離對(duì)殘余應(yīng)力分布的影響

為考慮噴射壓力對(duì)殘余應(yīng)力分布的影響，分別統(tǒng)計(jì)了0.2，0.3，0.4，0.5 MPa時(shí)殘余應(yīng)力沿深度方向的分布情況，如圖5所示。當(dāng)噴射壓力分別為0.2，0.3，0.4 MPa時(shí)，最大殘余壓應(yīng)力值和殘余壓應(yīng)力層深度都逐漸增大，同0.4 MPa時(shí)相比，噴射壓力為0.2 MPa時(shí)的最大殘余壓應(yīng)力提高約45 MPa,增幅達(dá)15.8%，殘余壓應(yīng)力層深度增加約30 μm，這是因?yàn)殡S著噴丸壓力的提高，彈丸的動(dòng)能逐漸增大，對(duì)靶材的撞擊強(qiáng)度也越大，但0.3 mm和0.4 mm彈丸相比較，提升幅度有限，這說(shuō)明噴丸壓力對(duì)噴丸效果的提升存在飽和情況。當(dāng)噴射壓力達(dá)到0.5 MPa時(shí)，最大殘余壓應(yīng)力值和殘余壓應(yīng)力層深度增大，但近表面殘余壓應(yīng)力反而減小，這是由于噴射壓力超過(guò)臨界值，彈丸能量過(guò)大，導(dǎo)致靶材表面發(fā)生過(guò)噴現(xiàn)象，使得在0～40 μm范圍內(nèi)的殘余壓應(yīng)力值較小。這一現(xiàn)象表明，在噴丸過(guò)程中并非噴射壓力越大，噴射效果越好，應(yīng)當(dāng)針對(duì)不同噴丸條件，選擇合適的噴射壓力。

圖5 噴射壓力對(duì)深度方向殘余應(yīng)力分布的影響

2 試驗(yàn)與分析

2.1 試驗(yàn)方案

將7075-T651板材加工成試樣，尺寸為10 mm×35 mm×90 mm，使用鑄鋼丸進(jìn)行噴丸試驗(yàn)，采用的噴丸設(shè)備是ST-1960吸入式噴丸機(jī)，該噴丸依靠空氣壓縮機(jī)壓縮空氣提供動(dòng)力，形成負(fù)壓環(huán)境，將貯存器內(nèi)的鑄鋼丸噴出，鑄鋼丸高速撞擊至鋁合金試樣表面，取噴丸工藝參數(shù)為：噴射壓力0.2 MPa，噴射距離50 mm，彈丸直徑0.2 mm進(jìn)行試驗(yàn)，在噴丸試驗(yàn)之前，在鋁合金試樣的受噴面涂抹一層黃色顏料，噴丸時(shí)，待試樣受噴面顏色基本消失，視作完整覆蓋1次。圖6為噴丸設(shè)備與試樣表面噴丸前后對(duì)比圖，噴丸前鋁合金試樣表面光滑，噴完后鋁合金試樣表面呈磨砂狀。

圖6 試樣噴丸前后對(duì)比

2.2 應(yīng)力測(cè)試

利用Proto iXRD應(yīng)力測(cè)試儀測(cè)量噴丸后試樣的表面應(yīng)力，XRD靶材采用的是Co_K-Alpha，衍射角度為162°，衍射晶面為(420)，儀器功率設(shè)為20 kV/4 mA。XRD應(yīng)力測(cè)試法是無(wú)損的應(yīng)力檢測(cè)方法，所測(cè)得的數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)有良好的可對(duì)比性，使用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的NaOH溶液在試樣上同一位置逐步腐蝕出應(yīng)力采集點(diǎn)，步長(zhǎng)為20 μm，以采集不同深度的殘余應(yīng)力值，每次測(cè)試前用酒精將試樣擦拭干凈，減小試驗(yàn)誤差。

表面應(yīng)力的仿真計(jì)算值與試驗(yàn)測(cè)量值對(duì)比如圖7所示，兩者基本吻合，殘余應(yīng)力沿深度方向的變化趨勢(shì)相近，最大偏差值出現(xiàn)在40 μm處，約為21 MPa。殘余壓應(yīng)力分布在120 μm深度內(nèi)，近似代表噴丸強(qiáng)化層的深度，120 μm以下呈現(xiàn)殘余拉引力狀態(tài)，殘余拉應(yīng)力值較小，逐漸趨近于零。

圖7 噴丸后表面應(yīng)力沿深度方向的分布情況

2.3 誤差分析

有限元模型的計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)存在偏差，主要原因有3個(gè)：首先是加工后的試樣存在初始應(yīng)力(一般在20 MPa以內(nèi)，難以測(cè)量和消減，而有限元模型的初始應(yīng)力為0 MPa)，會(huì)影響實(shí)際噴丸殘余應(yīng)力結(jié)果；其次是噴丸過(guò)程中，空氣壓縮機(jī)提供的輸入壓力會(huì)有小幅度的波動(dòng)，這一因素會(huì)導(dǎo)致彈丸的噴射壓力也隨之波動(dòng)，與設(shè)定噴丸壓力間存在偏移量，影響噴丸效果；最后是應(yīng)力測(cè)試設(shè)備也存在一定范圍的測(cè)量偏差(因曝光時(shí)間、曝光數(shù)量與光柵縫隙等參數(shù)設(shè)置的不同而產(chǎn)生誤差)[25]。上述因素使殘余應(yīng)力的計(jì)算值和實(shí)測(cè)值之間存在一定偏差，但只要這個(gè)偏差在合理范圍內(nèi)，即在20 MPa左右，則表明有限元模型的計(jì)算結(jié)果具有較高的準(zhǔn)確性。

2.4 可重復(fù)性試驗(yàn)

任取3組噴丸工藝組合進(jìn)行試驗(yàn)，將其應(yīng)力仿真計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)測(cè)試值進(jìn)行比較，具體噴丸工藝參數(shù)和結(jié)果如表2所示，其中應(yīng)力計(jì)算值和實(shí)測(cè)值的最大偏差為(10.0±12.5)MPa，最小偏差為(16.0±4.3)MPa，偏差率小于6.9%，這一結(jié)果表明仿真模型有良好的可重復(fù)性。

與Pham等[16]的工作對(duì)比，本工作的研究在仿真模擬基礎(chǔ)上，更加注重結(jié)合試驗(yàn)來(lái)檢驗(yàn)仿真模型的可靠性與準(zhǔn)確性；與Liu等[17]的成果比較，本工作更加側(cè)重工程實(shí)際，有更豐富的應(yīng)用價(jià)值；與李源等[18]的研究?jī)?nèi)容相比，本工作補(bǔ)充了噴丸工藝的研究種類和范圍，探討了噴射距離對(duì)噴丸殘余壓應(yīng)力的影響。

3 結(jié) 果

本工作主要研究了彈丸直徑、噴射壓力、噴射距離對(duì)材料噴丸殘余壓應(yīng)力分布的影響情況，結(jié)果顯示各工藝參數(shù)和殘余壓應(yīng)力之間并非呈正相關(guān)變化。實(shí)際上，除了主要因素，其他例如噴射角度、持續(xù)時(shí)間等噴丸工藝參數(shù)也會(huì)對(duì)應(yīng)力分布產(chǎn)生影響，材料表面應(yīng)力形成與分布應(yīng)該是這種綜合影響下的結(jié)果，試驗(yàn)與仿真計(jì)算的誤差恰恰說(shuō)明了這一點(diǎn)?？梢?jiàn)，運(yùn)用主要因素分析法闡述材料噴丸應(yīng)力分布特點(diǎn)，能將試驗(yàn)偏差控制在合理范圍內(nèi)。本工作的研究成果為實(shí)際工程應(yīng)用決策提供了依據(jù)，對(duì)噴丸處理工藝制定具有一定的指導(dǎo)意義，結(jié)果如下：

(1)隨彈丸直徑的增大，最大殘余壓應(yīng)力值和殘余壓應(yīng)力影響深度均會(huì)增大，當(dāng)彈丸直徑為1.0 mm時(shí)，近表面殘余壓應(yīng)力值反而減??；隨著噴射距離的增大，最大殘余壓應(yīng)力值和殘余壓應(yīng)力層深度先增大后減小，即存在一個(gè)恰當(dāng)?shù)膰娡杈嚯x范圍；隨著噴射壓力的增大，最大殘余壓應(yīng)力值和殘余壓應(yīng)力層深度均增大，當(dāng)噴射壓力達(dá)到0.5 MPa時(shí)，發(fā)生過(guò)噴現(xiàn)象，使靶材近表層殘余壓應(yīng)力值減小。

(2)根據(jù)材料特性和試驗(yàn)環(huán)境，利用ANSYS/LS-DYNA軟件建立了噴丸有限元模型，結(jié)合試驗(yàn)檢驗(yàn)與修正，殘余應(yīng)力最大偏差不超過(guò)(10.0±12.5)MPa，可以高效準(zhǔn)確地獲取噴丸后殘余應(yīng)力的分布情況，有助于開(kāi)展噴丸工藝對(duì)金屬材料表面特征影響的研究。