ZGMn13喷丸强化有限元模拟

薛菲 李路鑫 鹿素芬

摘 要：喷丸工艺是一种有效提高工件表面疲劳抗力的表面处理工艺，被广泛应用在航空、汽车、动力机械等重要领域。喷丸数值模拟是制订喷丸工艺方案、评估喷丸后工件表面疲劳抗力的主要理论工具。本文运用有限元仿真软件建立了ZGMn13喷丸强化的有限元模型，利用仿真结果预测了喷丸速度、喷丸时间、喷丸覆盖率对残余应力场分布的影响。从计算结果可以看出，喷丸速度相同时，残余压应力层的深度和残余压应力的峰值随着喷丸时间的增加而增加，但是增加到一定程度后，会逐渐趨向于饱和，但残余压应力峰值深度位置并不随着喷丸时间的增加而增加，而是基本保持不变；随着喷丸速度的增加，残余压应力层的深度和残余压应力值的峰值随之增加。

关键词：ZGMn13；喷丸强化；有限元分析

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.16.010

1 绪论

喷丸强化[1-4]是利用高速弹丸流对金属零件表面进行撞击，使零件表面产生残余应力场，改变零件的表面状态并提高零件的疲劳性能，与其他表面处理工艺相比， 喷丸强化具有强化效果明显、消耗成本低、实施过程简便等特点， 广泛应用于动力机械、汽车和航空等重要领域。

喷丸强化过程是高度非线性的动态冲击过程，喷丸工艺参数对喷丸效果的影响需要借助于数值仿真手段进行分析，近年相关学者开展了喷丸数值模拟[5-8]研究取得了较大进展。但由于喷丸强化作用过程复杂且影响因素众多，至今仍有许多关键技术有待深化和解决。本文针对工业常用耐磨材料ZGMn13[9-12]的喷丸表面强化展开研究，利用Abaqus建立了多丸粒喷丸强化模型，研究喷丸覆盖率、喷丸时间和喷丸速度对喷丸强化残余应力场的影响，建立了ZGMn13多丸粒喷丸模型，研究了喷丸覆盖率、喷丸时间和喷丸速度对于ZGMn13表面喷丸强化效果的影响，为ZGMn13喷丸强化效果预测和工艺参数的优化提供依据。

2 ZGMn13抛丸强化有限元模型

由于在弹丸碰撞ZGMn13工件时，弹丸垂直于ZGMn13工件的表面撞击，弹丸接触ZGMn13工件的表面时的弹丸速度是瞬时不连续的，因此本文选择显式时间积分。

2.1 ZGMn13工件模型几何尺寸

影响喷丸效果的因素主要包括：材料本身的性能、喷丸速度、弹丸直径、喷丸覆盖率等。本文所建立几何模型如图1所示。

2.2 材料的力学性能

所采用的ZGMn13和喷丸材料工艺参数如表1所示。

2.3 载荷

当弹丸以一定的速度撞击ZGMn13工件表面时，对ZGMn13工件表面施加一定的冲击载荷。本文通过定义喷丸的初始速度来定义喷丸与ZGMn13工件表面撞击过程中所产生的载荷。

弹丸以一定的速度撞击ZGMn13工件表面时。由于喷丸垂直碰撞ZGMn13工件，因此摩擦系数设为 0。

2.4 ZGMn13单元类型和网格划分

ZGMn13工件的网格划分选用 C3D8R 单元，弹丸选用C3D4单元。

3 ZGMn13喷丸后表面残余应力

在本文中通过改变弹丸数目来模拟喷丸时间对ZGMn13工件表面喷丸后残余应力的影响。喷丸直径为1.5mm，喷丸速度分别为40 m/s、60 m/s、80 m/s和100 m/s，撞击点为工件中心点（坐标值（0，0，0）），喷丸数目 N 分别为1、2、3、4、5、6、7、8、9、10。图 2、图3、图4和图5 分别为速度40m/s、60m/s、80m/s、100 m/s时喷丸时间对残余应力分布的影响。图2、图3、图4和图5 的计算结果表明，喷丸速度相同时，残余压应力的峰值和压应力层的深度随着弹丸数量的增加而增加，但是增加到一定程度后，会逐渐趋向于饱和。图6所示为不同速度不同喷丸时间时残余压应力最大值，从图6可以看出，在相同喷丸时间下，残余压应力值是随着速度的增加而增加的，分析其原因：喷丸的冲击动能是随着喷丸速度的增加而增加，导致ZGMn13喷丸表面残余压应力峰值随之增大。

图7所示为不同速度时喷丸时间对压应力最大值层深的影响，图8所示为不同速度时喷丸时间对压应力层深的影响。从图7和图8可以看出，随着喷丸时间的增加，残余压应力峰值所在的位置基本保持不变，但是残余压应力层深是随着喷丸速度的增加而增加的，分析其原因：喷丸的冲击动能是随着喷丸速度的增加而增加，导致ZGMn13喷丸表面残余压应力层厚度随之增大。

4 结论

本文运用大型有限元软件ABAQUS 建立了喷丸强化ZGMn13的三维有限元模型，对喷丸过程进行了计算分析，得到如下结论：

喷丸速度相同时，残余压应力的峰值和压应力层的深度随着弹丸数量即喷丸时间的增加而增加，但是增加到一定程度后，会逐渐趋向于饱和，但残余压应力峰值深度位置并不随着喷丸时间的增加而增加，而是基本保持不变；喷丸速度增加时，残余压应力层深度和残余压应力峰值随之增加。

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为通讯作者