凯发国际娱乐官网入口 齒輪鋼噴丸后殘余應力的有限元模擬

摘 要：利用 ＡＮＳ ＹＳ１０．０軟件建立了１８ＣｒＮｉＭｏ７－６齒輪鋼的４層噴丸模型，在考慮彈丸彈塑性變形條件下模擬了不同強度彈丸噴丸后齒輪鋼的殘余應力分布，并進行了試驗驗證。結果表明：噴丸之后齒輪鋼表層形成了０．４ｍｍ 的殘余壓應力層，較大殘余應力為８００～１２００ ＭＰａ，較大殘余壓應力位置距表面０．１２ｍｍ；隨著彈丸強度的增大，殘余壓應力也相應增大；齒輪鋼殘余應力分布的模擬結果與試驗結果比較吻合。
關鍵詞：齒輪鋼；有限元模擬；噴丸強化；殘余應力

０ 引 言
噴丸強化處理（以下簡稱噴丸處理）是*個形變處理過程，當彈丸重復撞擊金屬零件表面時，金屬表面會發生塑性變形。金屬表層以下區域被壓縮的晶粒由于要恢復到原來的形狀，從而產生殘余壓應力層［１］，形成很高的宏觀殘余壓應力。經過噴丸 處 理之后，金屬表層的組織結構發生了變化，晶粒細化，位錯密度增高，晶格畸變增大。金屬表層所發生的這些變化，將明顯地提高其抗疲勞性能，并使材料表面得到強化［２］。本文由 吊鉤式拋丸機 整理
齒輪鋼是*種常用的高強度鋼，主要用于制造汽車、鐵路、船舶、工程機械中的齒輪，是要求較高的關鍵材料之*。研究表明噴丸處理可以提高齒輪的疲勞強度以及表面耐磨性能，并能顯著提高其使用壽命，因此噴丸處理工藝在齒輪行業得到了廣泛應用［３－４］。
目前噴丸工藝參數的選擇多依靠試驗或經驗，而對噴丸強化進行數值模擬，可以簡化試驗，縮短噴丸試驗的周期，較快地確定合理的噴丸工藝參數，因此對噴丸強化進行數值模擬非常重要，對此國內外學者也進行了很多研究［５－６］。目前對材料噴丸強化數值模擬的研究方法主要是單個彈丸與材料表面接觸的單胞模型，然后再進行力學性能的模擬研究，并沒有考慮彈丸間的相互作用與變形，因此模擬結果并不精確。作者在這*基礎上加以改進，考慮了彈丸的彈塑性變形，即彈丸隨著基體材料變形的同時也發生彈塑性變形，因此模擬的噴丸過程更加符合實際，使得結果更加可靠。
為了確定 齒 輪 鋼 的 噴 丸 參 數，作 者 利 用 ＡＮ－ＳＹＳ１０．０有限元分析軟件建立了１８ＣｒＮｉＭｏ７－６ 齒輪鋼的噴丸模型，采用了可以模擬１００％ 噴 丸覆蓋率的４層彈丸模型，然后用 ＬＳ－ＤＹＮＡＳｏｌｖｅｒ求 解器進行求解，得到了不同強度的彈丸噴丸后齒輪鋼變形層內的殘余應力隨層深的變化分布情況，并進行了試驗驗證。
１ 有限元模型的建立
噴丸試驗采用１８ＣｒＮｉＭｏ７－６齒輪鋼，其表面硬度為６２ＨＲＣ，熱處理狀態為滲碳淬火，硬化層深度為２．０～２．４ｍｍ，屈服強度是１５００ ＭＰａ。所采用的彈丸是鋼絲切制彈丸，其半徑為０．６ｍｍ，硬度與齒輪鋼的相當，５ 種彈丸材料的強度分別是１２００，１４００，１５００，１６００，１８００ＭＰａ。有限元模擬所用齒輪鋼、彈丸的材料與試驗所用相同，均采用分段線性塑性模型，由試驗得到不同強度彈丸材料的壓縮應力－應變曲線，通過變換得到其真應力－直 應變曲線作為彈丸發生彈性變形的判斷，代入模型。
用 ＭＰ命令輸入各材料的彈性模量、密度和泊松比，用 ＴＢ，ＰＬＡＷ，，，，８ 和 ＴＢＤＡＴＡ 命 令 輸 入其它參數，齒輪鋼噴丸模型的材料參數如表１所示。
表１ 齒輪鋼噴丸模型的材料參數


利用 ＡＮＳＹＳ１０．０有限元分析軟件建立了齒輪鋼噴丸模型，采用４ 層彈丸、１００％ 覆蓋率的噴丸模型，單元選用ＳＯＬＩＤ１６４三維顯示結構實體單元，如圖１所示，由于模型具有對稱性，只建立１／２對稱模型。彈丸 的 半 徑 為 ０．６ ｍｍ，初 始 速 度 為 ８０ ｍ·ｓ－１。為了提高計算效率，采用 Ｓｗｅｅｐ方法網格化，使模型邊界和下半部分網格單元尺寸逐漸增大，模型單元數量為１２００００個。底面和側面所施加的邊界條件均為非反射邊界條件，以模擬無限大邊界條件。ｙ＝０面為對稱面。

圖１ １８ＣｒＮｉＭｏ７－６齒輪鋼噴丸有限元模型

２ 試驗方法
采用數控噴丸設備對齒輪鋼進行噴丸處理，彈丸速度為８０ｍ·ｓ－１，噴丸強度為０．４ｍｍ（Ａ）。噴丸之后采用電化學腐蝕剝層技術對材料表面進行剝層處理，然后采用 Ｐｒｏｔｏ－ＬＸＲＤ 型 Ｘ 射線應力分析儀測試殘余應力，應力儀管電壓為３０ｋＶ，管電流為２５ｍＡ，采用鉻靶 Ｋα 輻射，Ｆｅ（２１１）衍射面，衍射角２θ范 圍 為 ２９°，Ｘ 射 線 彈 性 常 數 Ｓ２／２＝５．９２×１０－６ＭＰａ－１，Ｓ１＝ －１．２８×１０－６ＭＰａ－１。
３ 結果與討論
利用 ＬＳ－ＤＹＮＡＳｏｌｖｅｒ求解器進行求解運算，模擬計算了 在 齒 輪 鋼 和 彈 丸 其 它參數相同的情況下，采用不同強度彈丸進行噴丸后齒輪鋼的殘余應力。噴丸之后材料表層形成彈坑，彈坑下方及周邊發生了塑性變形，在彈坑凹陷處受擠壓的區域形成了壓應力區，彈坑周圍拉伸區域形成了拉應力區。對比各應力分布圖可以發現，噴丸之后彈坑周圍的塑性變形量都比較大，而且隨著彈丸強度的增大，變形量及殘余應力都增大。由模擬數據知殘余壓應力層層深０．４ｍｍ，較 大殘余壓應力位于距材料表層０．１２ｍｍ 處。噴丸之后球形彈丸沿ｚ 向 的應力分布σｘｘ 彈丸 采 用 層 狀 交 錯 分 布，由于模型采用ｘｚ平面１／２模型，從上往下奇數層為彈丸過球心的截面應力分布圖，偶數層為彈丸的球形輪廓應力分布。
由圖中可以看出彈丸靠近噴丸接觸面沿ｚ 向以上的區域形成了壓應力區，兩邊的輪廓形成了拉應力區。
彈丸上部和下部受到壓縮，均出現壓應力區。而且隨著彈丸強度的增大，壓應力區的面積也相應增大。
不同強度彈丸噴丸后在齒輪鋼表層形成了較大壓應力為８００～１２００ ＭＰａ的殘 余 壓 應 力 區，較 大 壓 應 力 位 置 距 表 面 均 在０．１２ｍｍ；隨著彈丸強度的增大，齒輪鋼噴丸之后的較大殘余壓應力增大；但是殘余壓應力層深基本保持 不 變 ，為０．４ｍｍ。這 主 要 是 因 為 齒 輪 鋼 的 屈 服強度較大，不易發生塑性變形，盡管彈丸強度發生了變化，但是由于彈丸的能量不變，因此塑性變形的層深基本不變。彈丸強度為１８００ＭＰａ時，齒輪鋼殘余應力分布的模擬結果與試驗結果比較吻合，證明了模擬結果的準確性。
４ 結 論
（１）利用有限元法方法模擬得到了齒輪鋼經不同強度彈丸噴丸后殘余應力沿層深的分布；齒輪鋼在噴丸后較大殘余壓應力為８００～１２００ ＭＰａ，壓應力層深為０．４ｍｍ，較 大殘余壓應力位于距材料表層０．１２ｍｍ 處；隨著彈丸強度的增大，較大殘余應力逐漸增大，而殘余應力層深基本保持不變。
（２）噴丸后齒輪鋼殘余應力分布的模擬結果與試驗結果相符合，證明了模擬結果的準確性