凯发国际娱乐官网入口拋丸機拋丸強化結果分析及最佳工藝參數選

拋丸強化過程動態顯示：拋丸強化中，鋼丸撞擊靶材經歷了撞擊前、撞擊開始、撞擊中、撞擊后四個動態過程，在這四個過程中，撞擊開始到撞擊中的階段，靶材的應力應變不斷增大，鋼丸回彈到最后離開靶材的過程中，靶材應力應變逐漸趨于穩定狀態。圖 4.6 為截取的任意一組拋丸工藝參數下（鋼丸拋射速度、鋼丸直徑）四個動態過程應力云圖的變化情況。

圖 4.6 拋丸強化時不同時刻的動態效果

拋丸強化中模型能量的變化：

圖 4.7 為任意一組拋丸工藝參數（鋼丸拋射速度、鋼丸直徑）下，拋丸強化過程中模型總能量、動能、內能、沙漏能隨拋丸時間變化的曲線圖。

圖 4.7 模型中能量的變化過程

圖示曲線可以看出，在碰撞開始之前，模型總能量為 7.050m J，約等于鋼丸動能和靶材內能總和，碰撞開始后，鋼丸動能逐漸降低，靶材內能逐漸增加，鋼丸的動能逐漸轉化為靶材的內能。在 1.17us 時，鋼丸的動能達到了最低值 0.018m J，靶材的內能達到了最高值 6.790m J，隨著時間的增加，鋼丸的動能變得越來越大，而靶材的內能變得越來越小。在1.57us 時鋼丸的動能和靶材的內能開始趨于平穩，說明此時碰撞已經結束，碰撞完成后鋼丸的動能為 0.689m J，靶材的內能為 6.32m J，二者總和約等于模型總能量，模擬過程中要求沙漏能小于內能的 5%時，計算結果才是可信的。本文針對單元存在沙漏的問題采用細化接觸區單元網格的方式進行控制，從圖 4.7 中的結果可以看出在整個拋丸強化過程中，鋼丸的動能和靶材的內能之和約等于模型總能量，其中沙漏能約占內能的 0.65%，遠遠小于 5%的最大值，因此網格細化方式達到了控制沙漏的目的。

鋼丸直徑對拋丸工件應力場分布的影響：

拋丸強化中，鋼丸直徑的選用是一項重要工藝參數，對于具體的拋丸強化要求，正確選用鋼丸的直徑，能夠在保證拋丸強化效果的前提下節約生產成本。本文在對拋丸過程進行數值模擬時，分別選用 Φ0.6mm、Φ1.0mm、Φ1.4mm、Φ1.8mm、Φ2.0mm 五種常用直徑的鋼丸，進行拋丸強化的模擬。

圖 4.8 是任意一組拋丸工藝參數（鋼丸拋射速度、鋼丸直徑）下有限元模擬后的拋丸殘余應力場，模擬結果選取 x 方向主應力σxx。從應力場的分布來看，靶材表層的應力場趨于穩定狀態后，材料表層出現塑性變形，即一定深度的鋼丸壓痕，同時鋼丸正下方呈現一定深度的殘余壓應力層，應力層內壓應力的分布表現出不均勻的狀態，材料表面出現一定大小的壓應力，壓應力隨著應力層深度的增加逐漸增大且在一定層深上出現最大殘余壓應力，當應力層的深度繼續增大時，壓應力開始減小，并在一定層深上產生了很小的拉應力，模擬結果基本符合圖 2.7 中拋丸強化機理分析時拋丸殘余應力場的分布趨勢。

圖 4.8 拋丸殘余應力場分布圖

（1）鋼丸直徑對殘余應力及殘余應力層深分布的影響 首先用鋼丸拋射速度 60m/s 撞擊靶材，鋼丸直徑分別為 Φ0.6mm、Φ1.0mm、Φ1.4mm、Φ1.8mm、Φ2.0mm，殘余應力及應力層深的變化趨勢如圖 4.9 所示。從圖中來看，最大殘余應力層和總體殘余應力層隨著鋼丸直徑的增大依次為 0.15mm、0.25mm、0.30mm、0.30mm、0.30mm 左右，0.35mm、0.45mm、0.50mm、0.52mm、0.53mm 左右，最大殘余應力層逐漸增大并從鋼丸直徑 Φ1.4mm 時開始不再變化，而且在鋼丸直徑 Φ0.6mm~Φ1.0mm 之間的增速 最 快 ， 而 總 體 殘 余 應 力 層 一 直 保 持 增 大 的 趨 勢 ， 且 其 增 幅 最 大 的 區 間 也 在Φ0.6mm~Φ1.0mm 之間，這是因為鋼丸直徑越大，鋼丸的動能也越大，撞擊靶材后產生的塑性變形也就越大，但是當鋼丸直徑增大到一定值后二者或者保持不變或者增幅變緩，由此可見盲目的增大鋼丸直徑并不能取得更加合適的拋丸強化效果，反而會因此造成更多的能耗。表面殘余應力從鋼丸直徑 Φ0.6mm 時的-119.3MPa 減小到鋼丸直徑 Φ1.0mm 時的-70.2MPa，并在鋼丸直徑 Φ1.4mm 時開始出現拉應力，大小為 10.9MPa，在鋼丸直徑 Φ2.0mm時表面拉應力達到了 85.4MPa 左右，這說明鋼丸直徑越大，雖然殘余應力會增大，但是過大的鋼丸直徑會使材料表面產生拉應力，而材料表面的拉應力會大大減弱拋丸強化效果。在鋼丸直徑增大的過程中，最大殘余應力并非簡單的線性增大或者減小，鋼丸直徑在Φ0.6mm~Φ2.0mm 時最大殘余應力依次為-494.9MPa、-558.3MPa、-564.6MPa、-535.4MPa、-498.3.4MPa，最大殘余應力呈現先增大后減小的趨勢，且在鋼丸直徑 Φ0.6mm~Φ1.0mm 之間增幅最大。

圖 4.9 鋼丸直徑不同時的拋丸殘余應力場（鋼丸速度為 60m/s）

如圖 4.10 所示，鋼丸拋射速度為 65m/s 時，總體殘余應力層和最大殘余應力層的變化趨勢和圖 4.9 中一樣，二者增幅最大的區間也在鋼丸直徑 Φ0.6mm~Φ1.0mm 之間，從總體值來看，對比圖 4.9，總體殘余應力層有增大的趨勢但是增幅不大，而最大殘余應力層則和圖 4.9 中比較沒有明顯的變化。表面殘余應力和最大殘余應力變化趨勢和圖 4.9 中一樣，且二者從總體值上來看均有增大趨勢，但是增幅不大，且表面殘余應力在鋼丸直徑 Φ2.0mm時出現拉應力。綜上所述，鋼丸拋射速度為 65m/s 時不同鋼丸直徑下的殘余應力場變化趨勢基本與鋼丸拋射速度為 60m/s 時的一致。

圖 4.10 鋼丸直徑不同時的拋丸殘余應力場（鋼丸速度為 v=65m/s）

如圖 4.11 所示，鋼丸拋射速度為 70m/s 時隨著鋼丸直徑的增大，最大殘余應力層與圖4.10 中的變化趨勢保持一致，依次為 0.25mm、0.35mm、0.40mm、0.40mm、0.40mm。總體殘余應力層深度從鋼丸直徑 Φ0.6mm 時的 0.52mm 左右增大到鋼丸直徑 Φ1.8mm 時的0.75mm 左右，且在鋼丸直徑 Φ2.0mm 時保持不變，對比圖 4.10，最大殘余應力層和總體殘余應力層深度在總體值有了較大幅度的上升，并且還要注意到 二者在鋼丸直徑Φ0.6mm~Φ1.0mm 之間的增幅要比圖 4.9、4.10 中的增幅大。表面殘余應力從鋼丸直徑Φ0.6mm 時的-185.4MPa 增大到鋼丸直徑 Φ1.0mm 時的-245.3MPa，此后隨著鋼丸直徑的增大表面殘余應力逐漸減小并在鋼丸直徑 Φ2.0mm 時減小到-32.9MPa，最大殘余應力從鋼丸直徑 Φ0.6mm 時的-655.2MPa 增大到 Φ1.4mm 時的-775.9MPa，然后又減小到 Φ2.0mm 時的-645.9MPa，無論是從總體值上的增幅還是從鋼丸直徑 Φ0.6mm~Φ1.0mm 之間的增幅來看，表面殘余應力和最大殘余應力均比圖 4.10 中變化更快。

圖 4.11 鋼丸直徑不同時的拋丸殘余應力場（鋼丸速度為 70m/s）

如圖 4.12 所示，當鋼丸拋射速度為 75m/s 時，隨著鋼丸直徑的增大總體殘余應力層和最大殘余應力層依次為 0.57mm、0.75mm、0.78mm、0.80mm、0.76mm 左右，0.30mm、0.40mm、0.45mm、0.45mm、0.40mm 左右，變化趨勢是先增大后減小，對比圖 4.11，它們的總體值雖然有增大的趨勢但是增幅明顯變緩。隨著鋼丸直徑的增大表面殘余應力和最大殘余應力依次為-178.6MPa、-229.7MPa、-127.5MPa、-65.4MPa、35.4MPa 左右，-673.4MPa、-769.9MPa、-780.6MPa、-729.9MPa、-660.4MPa 左右，二者對比圖 4.11，在鋼丸直徑Φ0.6mm~Φ1.0mm 之間的增幅變緩，不同的是從總體值上來看表面殘余應力有減小的趨勢而最大殘余應力依然有所增大，且鋼丸直徑 Φ2.0mm 時表面殘余應力為拉應力。 圖 4.12 鋼丸直徑不同時的拋丸殘余應力場（鋼丸速度為 75m/s）

最后圖 4.13 中鋼丸拋射速度為 80m/s 時，最大殘余應力層、總體殘余應力層、表面殘余 應 力 和 最 大 殘 余 應 力 均 呈 現 先 增 大 后 減 小 的 趨 勢 ， 而 且 四 者 在 鋼 丸 直 徑Φ0.6mm~Φ1.0mm 之間的增幅對比圖 4.12 中更加緩慢，也可以看出四者在總體值上相對于圖 4.12 中來講均表現出不同程度的下降趨勢，表面殘余應力在鋼丸直徑 Φ1.8mm 就開始出現拉應力，大小為 60.9MPa，并在 Φ2.0mm 時拉應力達到 115.2MPa。

圖 4.13 鋼丸直徑不同時的拋丸殘余應力場（鋼丸速度為 80m/s）

（2）對壓痕深度的影響 壓痕深度也是拋丸特征中的一種，壓痕深度的產生來源于拋丸強化后材料表層發生的塑性變形[68]。鋼丸的直徑越大所攜帶的動能也就越大，壓痕深度越大，材料的塑性變形也就越大，但過大的塑性變形會影響材料表層的粗糙度要求，因此在選擇拋丸工藝參數時需考慮到拋丸工藝參數對壓痕深度的影響。圖 4.14 是鋼丸拋射速度一定下不同鋼丸直徑對壓痕深度影響的曲線圖。

圖 4.14 鋼丸直徑對壓痕深度的影響

從圖中可知：

①鋼丸拋射速度為 60m/s 時，壓痕深度從鋼丸直徑 Φ0.6mm 時的 0.014mm 左右增加到了鋼丸直徑 Φ2.0mm 時的 0.068mm 左右，且在鋼丸直徑 Φ1.4mm 以后的增幅較大。

②鋼丸拋射速度為 65m/s 時，壓痕深度對比鋼丸速度 60m/s 時增加趨勢變快，增幅較大的位置同樣出現在鋼丸直徑 Φ1.4mm 以后，最大值為 0.082mm 左右。

③鋼丸拋射速度為 70m/s 時，壓痕深度增加趨勢變得更快。

④鋼丸拋射速度為 75m/s 時，對比鋼丸速度 70m/s 時，其增加趨勢開始減慢，在鋼丸直徑 Φ1.8mm 壓痕深度達到最大值 0.083mm 左右，在 Φ2.0mm 時降到 0.080mm 左右。

⑤最后鋼丸拋射速度為 80m/s 時，壓痕深度的變化趨勢在增速上變的更加緩慢。