USP強化工藝對金屬材料表面性能影響研究

王洪波 楊天南 劉迎春 王 征 郝永剛

（1.中國人民解放軍95952部隊，酒泉 735018；2.海軍駐沈陽地區發動機專業軍事代表室，沈陽 110043；3.中國人民解放軍93010部隊，沈陽 110000；4.中國航發沈陽黎明航空發動機有限責任公司，沈陽 110043）

近年來，噴丸強化工藝被認為是一種使金屬表面產生晶粒細化的過程，其中細化顆粒在表面區域中從表面向內部逐漸增加到一定深度，在材料表面區域至一定深度處引入殘余壓應力，使材料對疲勞裂紋延伸產生高抵抗力，以改善疲勞強度和總體壽命[1]。噴丸強化屬于冷加工表面改性技術，即在外力驅動下，噴丸介質以一定的速度撞擊靶材，使靶材表面發生塑性變形，在靶材表面形成凹坑，無數凹坑重疊形成均勻的殘余壓應力層[2]。大多數的材料失效（如疲勞斷裂、微動疲勞、磨損和腐蝕）都源自工件的外層，而噴丸強化工藝可以抑制工件表面裂紋萌生及抵抗工件表面已出現的微裂紋延伸，它對提高工件結構承載能力和改善結構總體性能非常有效。由于噴丸強化工藝與受噴靶材表面壓縮殘余應力之間存在緊密聯系，影響噴丸強化效果的因素也非常多，因此，無論是在理論研究方面，還是實際工程應用方面，噴丸強化工藝都值得人們深入研究。

本文以超聲噴丸強化機理為基礎，建立單彈丸超聲噴丸強化有限元模型，選擇不同的工藝參數進行噴丸強化仿真，利用優化模型，分析受噴靶材的應力應變值，尋找最佳工藝參數，對超聲噴丸強化工藝理論研究作進一步的探索。

1 強化機理

超聲噴丸強化工藝屬于一種將靶材表面晶粒細化到納米級的過程，并在靶材表面區域引入壓縮殘余應力，以增加材料抗裂紋起裂能力和提高零件疲勞強度的強化工藝[3]。超聲噴丸強化原理是利用超聲波作為激振源，驅動彈丸以高速撞擊靶材表面，使表面在瞬間產生塑性變形，形成由正壓力和剪切力組成的應力系統，從而在受噴靶材的表面至一定深度處形成壓縮殘余應力場，達到提高靶材疲勞強度的目的。

超聲噴丸強化過程使靶材表層區域發生塑性變形，在靶材的表面至一定深度處誘發壓縮殘余壓應力場[4]。噴丸強化引起的塑性變形區域僅為200 300μm，因此產生極高的應力（應變）梯度，形成一定厚度的強化層，從而達到提高零件疲勞強度、改善零件疲勞壽命的目的。

2 算例和討論

本文基于有限元軟件ANSYS，利用CATIA軟件建立噴丸強化模型，利用ANSYS/WORKBEACH軟件進行單彈丸強化模型前處理，利用LS-DYNA Slover進行數值求解，利用LSPREPOST軟件提取仿真結果，并對仿真結果進行分析[5-7]。劃分網格后的噴丸強化模型如圖1所示。

圖1 劃分網格后的噴丸強化模型

2.1 幾何建模

利用CATIA軟件建立單彈丸強化幾何模型，其中受噴靶材的基本尺寸為2mm×2mm×2mm，控制彈丸直徑為0.6mm，彈丸距離靶材受噴面4mm。

2.2 載荷與邊界條件

2.2.1 施加載荷

靶材選用Q235鋼，彈丸模型被視為剛性體，均選擇SOLID164六面體單元。根據影響彈丸強化工藝過程的主要因素，制定施加載荷條件如下：噴丸角度為90°保持恒定，分別用速度為40m/s、60m/s、80m/s、100m/s的彈丸強化靶材；控制彈丸速度為60m/s，分別用噴射角度為30°、60°、90°的彈丸強化靶材。

2.2.2 邊界條件

為了模擬大尺寸噴丸強化工件，靶材非受噴5個側面采用非反射邊界，從而避免應力波在邊界處反射對模擬結果的影響，提高噴丸強化數值模擬的精確度。

2.3 數值求解

數值求解利用求解器ANSYS/LS-DYNA Slover，步長為100mm。本文計算受噴部位各深度處殘余應力采用的方法是：劃分網格后的靶材，可以將靶材看成若干層，抽取每層受噴部位的4個元素，取其殘余應力平均值，視為該深度處殘余應力值，從而可得到受噴靶材各深度處殘余應力具體數值，進而研究各個工藝參數對強化效果的影響。

2.4 強化效果分析

2.4.1 噴丸速度對殘余應力的影響

本節設置彈丸直徑為0.6mm，分別以噴射速度為40m/s、60m/s、80m/s、100m/s的彈丸垂直噴射靶材，其中100m/s彈丸噴射靶材產生的殘余應力分布云圖如圖2所示。通過速度研究不同彈丸速度對靶材殘余應力場的影響規律，為實際噴丸強化過程彈丸速度的取值提供理論依據，合理設置實際噴丸強化過程的彈丸速度，以求達到最佳噴丸強化效果。

圖2 100m/s彈丸噴射靶材表層殘余應力分布云圖

由圖3可以得出，隨著彈丸速度增大，曲線有整體右移的趨勢，靶材沿深度方向，殘余壓應力先增大后減小，靶材表層殘余應力值與最大殘余應力值持續增大，增幅較明顯，殘余壓應力場持續增厚，最大殘余應力所在層深在持續變深，但二者變化幅度并不明顯。隨著彈丸速度增大，彈丸能量增加，彈丸傳遞給靶材的能量增加，致使靶材發生的塑性變形程度增大。因此，在不考慮靶材表面粗糙度的情況下，增大彈丸速度有利于提高靶材的抗疲勞性能[8]。

圖3 不同速度彈丸噴射靶材殘余應力隨深度變化曲線

實際噴丸強化過程中，理論上可以通過增大彈丸速度得到較厚的殘余壓應力場。但是，增大彈丸速度，受處理靶材表面的粗糙度也會相應增加。因此，在對靶材進行噴丸強化處理時，應找出一個最佳彈丸速度，在使靶材滿足強化要求和粗糙度要求的前提下，滿足經濟性要求。

2.4.2 噴丸角度對殘余應力的影響

本節設置彈丸速度60m/s，彈丸直徑為0.6mm，分別以30°、60°、90°的角度噴射靶材，90°角度噴射受噴靶材產生的殘余應力分布云圖如圖4所示。研究不同噴丸角度對受噴靶材殘余應力場的影響規律，為實際噴丸強化過程噴丸的取值提供理論依據，合理設置實際噴丸強化過程的噴丸角度，以求達到最佳噴丸強化效果。

圖4 90°的角度彈丸噴射靶材表層殘余應力分布云圖

從圖5可以看出，隨著彈丸噴射角度增大，曲線有整體右移的趨勢，靶材沿深度方向，殘余壓應力先增大后減小，靶材表層殘余應力值與最大殘余應力值持續增大，增幅均很小，殘余壓應力場厚度從30°到60°變化明顯，而從60°到90°則幾乎沒有變化，最大殘余應力所在層深在噴射角度為60°處最大。隨著噴射角度的增大，表面殘余壓應力與最大殘余壓應力均增大，理論上可選擇90°噴丸角度進行噴丸處理。但是，在實際噴丸強化過程中，相同速度的彈丸對同種靶材進行強化時，以90°噴射的彈丸攜帶的能量過大，容易對靶材表面質量造成一定的損傷，增大靶材表面粗糙度。因此，在對靶材進行強化處理時，可以選用60°噴丸角度，在滿足強化要求的同時滿足表面質量要求。

圖5 不同角度彈丸噴射靶材殘余應力隨深度變化曲線

3 結論

本文利用ANSYS軟件建立噴丸過程的單彈丸模型，研究彈丸速度、噴丸角度對靶材強化效果的影響，得出以下結論。

（1）隨著彈丸速度增大，曲線有整體右移的趨勢，曲線的特征參量均增大，靶材表層殘余應力值與最大殘余應力值持續增大，增幅較明顯，殘余壓應力場持續增厚，最大殘余應力所在層深持續變深，但二者變化幅度并不明顯。

（2）隨著彈丸噴射角度增大，曲線有整體右移的趨勢，靶材表層殘余應力值與最大殘余應力值持續增大，增幅均很小，殘余壓應力場厚度從30°到60°變化明顯，而從60°到90°則幾乎沒有變化，最大殘余應力所在層深在噴射角度為60°處最大。彈丸速度的切向分量驅使彈丸擠壓彈坑前表面，使靶材表層產生更大的壓應力區域，彈丸速度的垂直分量驅使彈丸向下噴射，使靶材沿深度方向產生更厚的壓應力區域。

總之，彈丸速度、噴丸角度的變化與受噴靶材內部殘余應力的變化屬于非線性關系，各個工藝參量改變，均會引起靶材內部殘余應力場的改變，但靶材內部殘余應力場曲線的變化趨勢是一致的。

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