曹云泰，牛天昊，蓋鵬濤，徐戊矯

(1.重慶大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，重慶，400044；2.中國(guó)航空制造技術(shù)研究院，北京，100024)

噴丸是應(yīng)用最廣泛的表面處理工藝之一，其利用大量高速運(yùn)動(dòng)的彈丸撞擊材料表面，使材料表面發(fā)生塑性變形、表層晶粒細(xì)化和表面硬度提升，從而抑制裂紋萌生和發(fā)展，提高受?chē)姽ぜ哪湍バ院推趬勖?。通常認(rèn)為，噴丸的強(qiáng)化方式分為組織強(qiáng)化和應(yīng)力強(qiáng)化2種。噴丸撞擊靶材表面產(chǎn)生的局部塑性變形會(huì)使受?chē)姽ぜ慕M織結(jié)構(gòu)得到優(yōu)化從而提高材料表面硬度、屈服強(qiáng)度和磨損性能，此為組織強(qiáng)化。而應(yīng)力強(qiáng)化又分為2個(gè)方面：一方面，噴丸引入的殘余壓應(yīng)力場(chǎng)可以避免因零件表面存在拉應(yīng)力而導(dǎo)致的應(yīng)力腐蝕；另一方面，引入的殘余壓應(yīng)力會(huì)抑制裂紋的擴(kuò)展從而顯著提高零件的疲勞性能[1-2]。但噴丸過(guò)程也會(huì)導(dǎo)致零件表面粗糙度下降，零件表面糙化易形成應(yīng)力集中，從而降低零件的疲勞壽命，弱化噴丸的效果[3]。因此，需要從多個(gè)角度綜合評(píng)估噴丸強(qiáng)化效果。

噴丸工藝參數(shù)較多，依據(jù)工藝參數(shù)的應(yīng)用場(chǎng)景和具體作用不同可將其分為3類(lèi)：設(shè)備參數(shù)、過(guò)程參數(shù)和執(zhí)行參數(shù)。GANGARAJ等[4]指出，噴丸模擬通常根據(jù)噴丸尺寸和速度獲得噴丸效果，而真實(shí)工況中則更關(guān)注覆蓋率和噴丸強(qiáng)度以保證噴丸效果一致性，即噴丸工藝的模擬與真實(shí)工況之間缺乏直接的術(shù)語(yǔ)聯(lián)系。在噴丸工藝中，噴口氣壓、質(zhì)量流率和噴丸時(shí)間等設(shè)備參數(shù)的變化實(shí)質(zhì)上影響的是彈丸速度、彈丸密度、彈丸個(gè)數(shù)等過(guò)程參數(shù)[5-7]。WANG等[8]提出了一種基于表面粗糙度對(duì)噴口氣壓與等效噴丸速度進(jìn)行換算的新方法，通過(guò)對(duì)噴丸設(shè)備參數(shù)進(jìn)行表征獲得了模擬仿真中所需的噴丸速度。KUBLER等[9]采用粒子跟蹤技術(shù)和數(shù)字圖像相關(guān)法對(duì)噴嘴前方彈丸粒子流進(jìn)行了表征分析，實(shí)現(xiàn)了對(duì)噴丸速度場(chǎng)的直接獲取。

過(guò)程參數(shù)可以直接便捷地被引入噴丸數(shù)值模擬模型中。MENG等[10]基于建立的噴丸數(shù)值模型研究了不同噴丸過(guò)程參數(shù)對(duì)殘余應(yīng)力分布、表面粗糙度和表面形貌的影響。QIAN等[11]建立了一種隨機(jī)多彈丸噴丸模型，分析了噴丸參數(shù)對(duì)表面殘余應(yīng)力場(chǎng)的影響，并就噴丸角度等噴丸工藝參數(shù)對(duì)于疲勞壽命的影響進(jìn)行了研究。吳少杰等[12-13]也基于隨機(jī)多彈丸噴丸有限元模型研究了噴丸速度、噴丸角度等過(guò)程參數(shù)對(duì)于噴丸強(qiáng)化后殘余應(yīng)力場(chǎng)、表面粗糙度的影響，并基于正交實(shí)驗(yàn)法或響應(yīng)面法對(duì)噴丸過(guò)程參數(shù)組合進(jìn)行了優(yōu)化。

過(guò)程參數(shù)的改變?cè)趪娡枭a(chǎn)中被綜合反映為執(zhí)行參數(shù)的變化，包含覆蓋率和噴丸強(qiáng)度在內(nèi)的執(zhí)行參數(shù)是噴丸生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化的重要參數(shù)。如何實(shí)現(xiàn)對(duì)覆蓋率和噴丸強(qiáng)度的計(jì)算和控制，是噴丸數(shù)值模擬仿真需要面對(duì)的重要挑戰(zhàn)。為了模擬覆蓋率，已有的研究大多基于Avrami方程建立覆蓋率與彈丸個(gè)數(shù)之間的關(guān)系，通過(guò)改變彈丸個(gè)數(shù)來(lái)控制覆蓋率[14-15]。此外，ZHAO等[16]用離散元方法建立了隨機(jī)彈丸流，并調(diào)整彈丸個(gè)數(shù)以改變覆蓋率。噴丸強(qiáng)度在生產(chǎn)中通常由標(biāo)準(zhǔn)阿爾門(mén)試驗(yàn)測(cè)量得到，試驗(yàn)中試片的回彈量主要取決于殘余應(yīng)力。至于噴丸強(qiáng)度的計(jì)算，目前主要有2種方式：其一是采用有限元模擬和解析計(jì)算相結(jié)合的方法，通過(guò)有限元計(jì)算提取撞擊后的殘余應(yīng)力分布，將引起回彈的應(yīng)力場(chǎng)等效為對(duì)力和力矩的作用，建立弧高和等效力矩之間的數(shù)學(xué)聯(lián)系，從而計(jì)算噴丸強(qiáng)度；其二是完全基于有限元模擬來(lái)計(jì)算噴丸強(qiáng)度，如BHUVARAGHAN等[17]對(duì)完整試片尺寸進(jìn)行簡(jiǎn)化，建立了長(zhǎng)度為試片的1/2、厚度與其相等、寬度等于彈丸半徑的試片模型，采用半球彈丸撞擊試片并提取回彈量，進(jìn)而確定噴丸強(qiáng)度。這種計(jì)算的不足之處在于，在寬度方向上，撞擊點(diǎn)并非隨機(jī)分布而只能在試片邊緣，雖然彈丸的幾何結(jié)構(gòu)尺寸和質(zhì)量都為球形彈丸的一半，仍可能為殘余應(yīng)力和噴丸強(qiáng)度的計(jì)算引入較大誤差。

本文旨在建立噴丸工藝數(shù)值模擬仿真與真實(shí)工況之間的連接，在保持較高精度的前提下將覆蓋率和噴丸強(qiáng)度納入噴丸數(shù)值模擬仿真體系中，以期實(shí)現(xiàn)噴丸工藝標(biāo)準(zhǔn)化。首先，基于Avrami方程和單彈丸模型獲取彈坑半徑及等效塑性應(yīng)變(PEEQ)閾值，利用Python程序在Abaqus平臺(tái)上開(kāi)發(fā)建立考慮覆蓋率的多彈丸隨機(jī)噴丸模型；其次，采用DEM-FEM耦合方法，借助粒子生成器建立簡(jiǎn)化阿爾門(mén)試片模型，以實(shí)現(xiàn)對(duì)噴丸強(qiáng)度的計(jì)算和控制；開(kāi)展噴丸實(shí)驗(yàn)，對(duì)比實(shí)驗(yàn)和模擬得到的噴丸強(qiáng)度、受?chē)姽ぜ臍堄鄳?yīng)力和表面粗糙度，驗(yàn)證噴丸仿真體系的有效性；最后，進(jìn)一步探究影響噴丸效果的因素。

1 噴丸數(shù)值模擬仿真體系的建立

圖1所示為建立的噴丸工藝數(shù)值模擬仿真計(jì)算體系(其中U3為位移分量)，該體系包含多彈丸模型和簡(jiǎn)化阿爾門(mén)試片模型；基于建立的仿真體系，可以實(shí)現(xiàn)覆蓋率和噴丸強(qiáng)度的計(jì)算和控制，評(píng)估包含受?chē)姽ぜ谋砻嫘蚊埠蜌堄鄳?yīng)力場(chǎng)在內(nèi)的噴丸強(qiáng)化效果。

圖1 噴丸數(shù)值模擬仿真體系的建立Fig.1 Establishment of the numerical simulation system for shot peening

1.1 多彈丸模型

1.1.1 靶材模型

實(shí)際噴丸是大量彈丸隨機(jī)撞擊工件表面的過(guò)程，為了縮短計(jì)算時(shí)間、提高模擬可行性，本文建立代表性體積模型，分別模擬單彈丸和多彈丸隨機(jī)噴丸過(guò)程。在多彈丸模型中，靶材模型邊長(zhǎng)為2 mm，撞擊面共分為3個(gè)區(qū)域。區(qū)域1是厚度為0.2 mm的單層無(wú)限元網(wǎng)格(CIN3D8)，以防止應(yīng)力波的反射和振蕩。區(qū)域3為檢驗(yàn)噴丸效果的細(xì)密網(wǎng)格區(qū)域，網(wǎng)格邊長(zhǎng)為0.02 mm，在最小彈丸直徑(0.3 mm)的1/10以下，可以保證模型能計(jì)算出較為準(zhǔn)確的殘余應(yīng)力分布。由于在噴丸過(guò)程中靶材表面會(huì)產(chǎn)生較大的塑性變形，因此，區(qū)域3采用8節(jié)點(diǎn)線性減縮積分單元(C3D8R)。實(shí)際噴丸有效殘余應(yīng)力深度為0.3 mm左右，為了兼顧模型計(jì)算效率與精度，在厚度方向上對(duì)RVM進(jìn)行了網(wǎng)格分層處理。在0～0.4 mm深度和0.4～0.6 mm深度內(nèi)網(wǎng)格邊長(zhǎng)分別為0.02 mm和0.05 mm，1.0～2.0 mm深度內(nèi)網(wǎng)格邊長(zhǎng)為0.10 mm。區(qū)域2為非均勻網(wǎng)格區(qū)域，越靠近外圍網(wǎng)格較粗，越接近中心區(qū)域網(wǎng)格尺寸越細(xì)，直至與區(qū)域3的相同。采用高斯表面模型作為代表性體積模型中的表面模型，如圖2(a)所示。高斯表面模型基于正態(tài)分布在工件表面構(gòu)建大量微凸體，以獲得模型初始表面粗糙度。

圖2 靶材模型Fig.2 Target models

1.1.2 材料模型

噴丸撞擊過(guò)程速度快、時(shí)間短，需要考慮應(yīng)變率效應(yīng)，選用Johnson-Cook本構(gòu)表征單彈丸和多彈丸模型中靶材的應(yīng)變硬化和應(yīng)變速率硬化行為。Johnson-Cook本構(gòu)方程表達(dá)式[18]如下：

式中：為流動(dòng)應(yīng)力；ε為等效塑性應(yīng)變(PEEQ)；為應(yīng)變速率；為參考應(yīng)變率(=1)；T、Tr和Tm分別為實(shí)際溫度、參考溫度和熔點(diǎn)。由于噴丸是冷塑性成形工藝，可以忽略熱軟化行為，即(TTr)/(Tm-Tr)=0。A、B、n、m、C是由實(shí)驗(yàn)確定的材料常數(shù)。根據(jù)噴丸強(qiáng)度測(cè)試要求，標(biāo)準(zhǔn)試片的材質(zhì)為SAE1070；而在驗(yàn)證噴丸數(shù)值模擬仿真體系精度的噴丸實(shí)驗(yàn)中，靶材材質(zhì)選用TC4鈦合金。在后續(xù)進(jìn)一步探究影響噴丸效果因素的仿真實(shí)驗(yàn)中，分別采用鋼丸、陶瓷丸和玻璃丸3種材質(zhì)。靶材和彈丸的材料本構(gòu)及性能參數(shù)如表1所示。彈丸與靶材表面的接觸采用罰函數(shù)接觸模型，摩擦因數(shù)μ=0.3。

表1 靶材和彈丸的材料本構(gòu)及性能參數(shù)Table 1 Parameters of constitutive equation and properties for target and shot

1.1.3 彈丸流模型的建立和覆蓋率的控制

通過(guò)單彈丸模擬可以確定不同彈丸的彈坑半徑d以及彈丸撞擊靶材所產(chǎn)生的PEEQ閾值εp，如圖3所示。

圖3 彈坑半徑和ε的關(guān)系Fig.3 Relationship between crater radius and ε

由單彈丸模擬確定彈坑半徑之后，即可根據(jù)Avrami方程建立彈丸個(gè)數(shù)與覆蓋率之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系：

②http：//tv.cctv.com/2016/11/01/VIDEUkD2nUHPLa19Wy2Q3H1O161101.shtml。旅游消費(fèi)，警惕陷阱(二)云南這樣“低價(jià)游”。

其中：c為覆蓋率；N為彈坑半徑為r時(shí)單位面積上覆蓋率對(duì)應(yīng)的彈丸數(shù)。為模擬彈丸撞擊時(shí)的隨機(jī)性，用Python程序在邊長(zhǎng)為0.5 mm的方形區(qū)域內(nèi)生成隨機(jī)分布的彈丸球心，球心坐標(biāo)如式(3)所示。

其中，i為每個(gè)彈丸的序號(hào)，i=1, 2, ···,N。彈丸在z軸方向上均勻分布，間隔為1個(gè)彈丸的直徑。之后根據(jù)球心坐標(biāo)依次建立彈丸模型，生成彈丸流。

基于噴丸工況定義目標(biāo)覆蓋率，得到所需彈丸數(shù)N，并進(jìn)行多彈丸噴丸模擬，隨后根據(jù)靶材表面的εp核算噴丸區(qū)域內(nèi)的覆蓋率。若覆蓋率達(dá)到目標(biāo)覆蓋率，則可評(píng)估噴丸效果；否則需要更改彈丸數(shù)N，直至覆蓋率滿(mǎn)足要求。彈丸流模型的建立流程如圖4所示。

圖4 彈丸流模型的建立流程Fig.4 Establishment process of shot stream model

1.1.4 噴丸模擬后殘余應(yīng)力和表面粗糙度獲取

采用平均應(yīng)力法[19]獲取噴丸數(shù)值模擬仿真后噴丸區(qū)域的殘余應(yīng)力，如圖5所示。噴丸導(dǎo)致靶材上靠近表面的數(shù)層網(wǎng)格產(chǎn)生明顯的殘余應(yīng)力。提取表層所有網(wǎng)格上的殘余應(yīng)力分量并計(jì)算其平均值，即得到靶材表面的殘余應(yīng)力；依此類(lèi)推，可得到噴丸后殘余應(yīng)力在深度方向上的分布。

圖5 數(shù)值模擬后噴丸區(qū)域的殘余應(yīng)力提取Fig.5 Residual stress extraction in the shot peening area after numerical simulation

采用三維粗糙度參數(shù)Sq來(lái)表征受?chē)姽ぜ谋砻娲植诙龋琒q的計(jì)算公式如下：

其中：z(x,y)為表面輪廓方程；f(x,y)為基準(zhǔn)平面方程；E(x,y)為表面粗糙度方程；lx、ly分別表示取樣區(qū)域內(nèi)x、y方向上離散取樣點(diǎn)數(shù)。

1.2 阿爾門(mén)試片模型

1.2.1 條狀阿爾門(mén)試片模型的建立

條狀試片模型由條狀靶材和粒子生成器組成。圖6(a)所示為標(biāo)準(zhǔn)試片與條狀試片的關(guān)系。從完整試片上截取長(zhǎng)度為標(biāo)準(zhǔn)試片的1/2、寬度為0.7 mm的條帶建立條狀試片模型；將模型分為2個(gè)部分，其中，中間層寬度為0.1 mm，用于提取殘余應(yīng)力并計(jì)算噴丸強(qiáng)度；邊緣層位于中間層的兩側(cè)，寬度為0.3 mm。條狀試片模型中邊緣層的設(shè)置可避免部分彈丸撞擊到中間層邊緣而引起過(guò)大的殘余應(yīng)力，影響計(jì)算噴丸強(qiáng)度的準(zhǔn)確度。噴丸實(shí)驗(yàn)所采用的是A型標(biāo)準(zhǔn)阿爾門(mén)試片，因此，所建立的條狀試片模型靶材長(zhǎng)×寬×厚為38.00 mm×0.70 mm×1.29 mm。

圖6 條狀試片模型Fig.6 Standard test piece model

為實(shí)現(xiàn)計(jì)算精度和計(jì)算效率的匹配，條狀試片模型仍然采用分層劃分網(wǎng)格的方法。中間層為網(wǎng)格細(xì)密區(qū)，從中間層到邊緣層網(wǎng)格尺寸逐漸增大，從表面到底部網(wǎng)格尺寸先增大后不變，模型最小網(wǎng)格邊長(zhǎng)為0.02 mm，網(wǎng)格類(lèi)型均為C3D8R。如圖6(b)所示，條狀試片模型在長(zhǎng)度和寬度方向上都施加對(duì)稱(chēng)邊界條件，條狀試片模型底面施加完全固定約束，使條狀試片在噴丸過(guò)程中的受力狀態(tài)與實(shí)際情況相符。

彈丸粒子流(PD3D)通過(guò)Abaqus軟件的粒子生成器生成。噴丸過(guò)程中彈丸的最大個(gè)數(shù)、密度、粒度分布、質(zhì)量流率等屬性均可以通過(guò)粒子生成面(Inlet面)進(jìn)行定義以適應(yīng)不同的工況條件。彈丸與靶材之間的摩擦因數(shù)為0.3，忽略彈丸與彈丸之間的接觸。Inlet面與靶材的距離為0.7 mm。Inlet面、條狀試片和生成的彈丸流如圖1(c)所示。條狀試片模型的材料參數(shù)見(jiàn)表1。

1.2.2 噴丸強(qiáng)度的獲取

噴丸模擬完成后，需要進(jìn)行回彈模擬。另建立條狀試片模型，該模型的幾何尺寸和網(wǎng)格分布與噴丸過(guò)程模型中間層的完全一致。提取中間層的殘余應(yīng)力場(chǎng)，用預(yù)應(yīng)力法將其映射到本模型上。在邊界條件上，為模型施加與中間層模型一致的對(duì)稱(chēng)約束，并固定左側(cè)端面的z軸自由度，底面不添加約束，條狀試片模型回彈過(guò)程模擬所設(shè)置的邊界條件如圖6(c)所示。根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中測(cè)量噴丸強(qiáng)度的測(cè)量器具尺寸，結(jié)合圖6所示的工業(yè)用標(biāo)準(zhǔn)試片和模擬用條狀試片之間的關(guān)系，提取距離左側(cè)端面15.9 mm處的位移分量U3，即為回彈量。根據(jù)不同的噴丸時(shí)間對(duì)應(yīng)的回彈量繪制飽和弧高曲線，即可確定參數(shù)條件下的噴丸強(qiáng)度。

2 噴丸數(shù)值模擬仿真體系的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

針對(duì)受?chē)姽ぜ谋砻嫘蚊病堄鄳?yīng)力以及噴丸強(qiáng)度開(kāi)展噴丸實(shí)驗(yàn)，將所得結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，以驗(yàn)證所建立的噴丸數(shù)值模擬仿真體系的精度。噴丸實(shí)驗(yàn)工藝參數(shù)見(jiàn)表2，噴丸實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證過(guò)程如圖7所示。

表2 噴丸實(shí)驗(yàn)工藝參數(shù)Table 2 Process parameters of shot peening experiment

圖7 噴丸實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證過(guò)程Fig.7 Verification processes by shot peening experiment

采用KX3500氣動(dòng)噴丸機(jī)對(duì)TC4試樣進(jìn)行噴丸，用放大鏡觀察法檢測(cè)覆蓋率，用A型阿爾門(mén)試片統(tǒng)計(jì)噴丸強(qiáng)度。在噴丸過(guò)程中，采用X213型高速攝像機(jī)拍攝彈丸流的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，拍攝位置距離噴口約200 mm，并用設(shè)備配套軟件自動(dòng)計(jì)算彈丸速度。噴丸過(guò)程完成后，首先采用奧林巴斯OLS4500激光共聚焦顯微鏡測(cè)量TC4試樣的表面粗糙度，再用Proto X射線應(yīng)力分析儀進(jìn)行殘余應(yīng)力表征。由于X射線穿透能力差，僅能測(cè)量材料表面的殘余應(yīng)力，因此，需要結(jié)合電解拋光去層方法，獲取受?chē)姽ぜ煌瑢由顚?duì)應(yīng)的殘余應(yīng)力。

表3和表4所示分別為實(shí)驗(yàn)與模擬所得表面粗糙度和噴丸強(qiáng)度對(duì)比。在2組噴丸條件下，模擬得到的表面粗糙度均略高于實(shí)驗(yàn)值，模擬值與試驗(yàn)值相對(duì)誤差分別為7.5%和7.4%。而模擬出的噴丸強(qiáng)度與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的相對(duì)誤差為6.7%和-9.6%，總體吻合較好。

表3 實(shí)驗(yàn)與模擬所得表面粗糙度對(duì)比Table 3 Comparison of surface roughness obtained by experiment and simulation

表4 實(shí)驗(yàn)與模擬所得噴丸強(qiáng)度對(duì)比Table 4 Comparison of shot peening intensity obtained by experiment and simulation

圖8所示為實(shí)驗(yàn)和模擬所得殘余應(yīng)力沿深度的變化對(duì)比，可以看出，實(shí)驗(yàn)和模擬結(jié)果都顯示出典型的“對(duì)勾形”殘余應(yīng)力分布狀態(tài)，即殘余壓應(yīng)力首先隨著深度增加而增加，在次表層達(dá)到最大值，隨后逐漸減小直至為零或轉(zhuǎn)為殘余拉應(yīng)力。對(duì)比殘余應(yīng)力沿深度變化的實(shí)驗(yàn)和模擬結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)2組噴丸模擬計(jì)算的最大殘余壓應(yīng)力深度與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本吻合，但模擬計(jì)算的表面壓應(yīng)力和最大壓應(yīng)力都比實(shí)驗(yàn)值高，模擬1和2的表面壓應(yīng)力分別比實(shí)驗(yàn)值高約140 MPa和100 MPa，最大殘余壓應(yīng)力分別比實(shí)驗(yàn)值高260 MPa和180 MPa左右。這可能是因?yàn)槟M中引用的J-C本構(gòu)參數(shù)與材料真實(shí)力學(xué)性能之間存在差異以及實(shí)驗(yàn)中切割和電解拋光過(guò)程影響了測(cè)試應(yīng)力的精確度。

圖8 實(shí)驗(yàn)和模擬所得殘余應(yīng)力沿深度的變化對(duì)比Fig.8 Comparison of residual stress along the depth of target obtained by experiment and simulation

3 影響噴丸效果的因素

覆蓋率和噴丸強(qiáng)度是噴丸工藝實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化的重要保障，然而，在實(shí)際的噴丸生產(chǎn)中，相同的覆蓋率和噴丸強(qiáng)度可能對(duì)應(yīng)不同的噴丸效果。為了探究影響噴丸效果的因素，采用不同的彈丸速度、材料和直徑進(jìn)行18組模擬實(shí)驗(yàn)，每組實(shí)驗(yàn)覆蓋率均為100%，噴丸強(qiáng)度則分成0.1、0.2和0.3 mm這3種。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案如表5所示。

表5 噴丸模擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案Table 5 Scheme of shot peening simulation

18組噴丸模擬完成后，對(duì)比不同條件下的殘余應(yīng)力和表面粗糙度。圖9所示為噴丸后的表面形貌。在每種條件下，噴丸處理都會(huì)使試樣原本平坦的表面變得粗糙。噴丸模擬后的表面粗糙度見(jiàn)圖10。從圖10可見(jiàn)：噴丸強(qiáng)度對(duì)粗糙度具有很大影響，噴丸強(qiáng)度的增加會(huì)使受?chē)娫嚰拇植诙蕊@著增大。然而，在相同覆蓋率和噴丸強(qiáng)度下，不同類(lèi)型彈丸造成的表面形貌和粗糙度存在差異?？傮w來(lái)看，在相同的覆蓋率和噴丸強(qiáng)度下，大尺寸彈丸噴丸后的表面粗糙度更小，而小尺寸彈丸噴丸后的表面粗糙度更大。這可能是因?yàn)樵谙嗤母采w率和噴丸強(qiáng)度條件下，大尺寸彈丸的個(gè)數(shù)和彈丸速度都更小，因此，其引起靶材表面的變形行為更少；而模擬結(jié)果中彈丸材質(zhì)對(duì)表面粗糙度的影響較小。

圖9 噴丸模擬后的表面形貌Fig.9 Surface topography after shot peening simulations

圖10 噴丸模擬后的表面粗糙度Fig.10 Surface roughness after shot peening simulations

圖11所示為不同噴丸強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的殘余應(yīng)力。由圖11可見(jiàn)：隨著噴丸強(qiáng)度的增加，最大殘余壓應(yīng)力、最大殘余壓應(yīng)力深度和殘余壓應(yīng)力層對(duì)應(yīng)的深度都有所增加，而表面殘余壓應(yīng)力幾乎不變。在相同噴丸強(qiáng)度下，不同的彈丸速度、直徑下的殘余應(yīng)力分布大致相同，這種情況在噴丸強(qiáng)度較低(0.1 mm)時(shí)更加明顯。但隨著噴丸強(qiáng)度的增加，直徑較大的彈丸獲得的最大殘余應(yīng)力深度更大，但最大殘余壓應(yīng)力略低，這與BHUVARAGHAN等[17]觀察到的現(xiàn)象一致。當(dāng)噴丸強(qiáng)度從0.1 mm增加到0.2 mm時(shí)，殘余應(yīng)力及其深度均大幅提升；而當(dāng)噴丸強(qiáng)度從0.2 mm增加到0.3 mm時(shí)，殘余應(yīng)力基本不變。這意味著近表層的殘余應(yīng)力較易達(dá)到“飽和”狀態(tài)，繼續(xù)增大噴丸強(qiáng)度會(huì)使應(yīng)力強(qiáng)化層厚度增大，提升應(yīng)力強(qiáng)化效果，但也同時(shí)會(huì)導(dǎo)致表面粗糙化程度加劇，出現(xiàn)表面損傷等風(fēng)險(xiǎn)。

圖11 不同噴丸強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的殘余應(yīng)力Fig.11 Residual stress corresponding to different shot peening intensity

整體上看，可根據(jù)彈丸速度和直徑將18組模擬分為“小彈丸+高速度”和“大彈丸+低速度”2類(lèi)。前者在噴丸過(guò)程中引起的表面粗糙化程度更高，后者獲得的最大殘余壓應(yīng)力深度更大。研究結(jié)果表明，相同的覆蓋率和噴丸強(qiáng)度并不能保證噴丸效果完全一致，應(yīng)考慮更多工藝參數(shù)如彈丸速度和直徑等，這樣才能精準(zhǔn)控制噴丸成形效果。

4 結(jié)論

1) 基于Avrami方程和單彈丸模型建立了考慮噴丸覆蓋率的多彈丸噴丸模型；對(duì)標(biāo)準(zhǔn)阿爾門(mén)試片的尺寸進(jìn)行簡(jiǎn)化，建立了考慮噴丸強(qiáng)度的條狀試片模型。

2) 開(kāi)展了噴丸工藝實(shí)驗(yàn)，比較了實(shí)驗(yàn)與模擬得到的噴丸強(qiáng)度、表面粗糙度和殘余應(yīng)力分布，驗(yàn)證了所建立的噴丸數(shù)值模擬仿真體系的可行性。

3) 在相同覆蓋率下，噴丸強(qiáng)度與靶材表面殘余壓應(yīng)力場(chǎng)和表面粗糙度都呈正比關(guān)系。噴丸強(qiáng)度越高，靶材殘余壓應(yīng)力場(chǎng)對(duì)應(yīng)的深度越大，表面糙化現(xiàn)象越嚴(yán)重。

4) 在相同的覆蓋率和噴丸強(qiáng)度下，彈丸尺寸越小，相應(yīng)的彈丸速度越大，噴丸后靶材表面的糙化現(xiàn)象就越嚴(yán)重，但會(huì)獲得較高的峰值殘余壓應(yīng)力，即相同的執(zhí)行參數(shù)并不能保證噴丸強(qiáng)化效果的一致性，為了精準(zhǔn)控制噴丸效果，需要綜合考慮噴丸執(zhí)行參數(shù)和過(guò)程參數(shù)的影響。