基于強化研磨技術仿真分析優化噴射速度

姬武勛+劉曉初+溫溢恒+何銓鵬+談世松

【摘 要】針對強化研磨技術加工過程中不同的噴射速度對鋼板表面等效應力、塑性形變、殘余壓應力等機理的影響，論文采用ANSYS/LS-DYNA進行了動力學仿真分析，綜合分析得出速度在60m/s～80m/s的速度可以獲得較好的綜合效果。

【關鍵詞】強化研磨；噴射速度；等效應力；塑性形變；殘余壓應力

0 引言

強化研磨[1]是一種基于復合加工方法的使金屬材料具有抗疲勞、抗腐蝕、抗磨損特性的精密加工技術，是由廣州大學劉曉初教授提出的一種集強化塑性加工和研磨微切削于一體的”強化研磨加工”新方法。通過噴頭將混有高強度噴丸、研磨粉的強化研磨液在高壓氣體的作用下噴射到軸承（以下簡稱工件）表面，對表面進行隨機等概率的碰撞，其中研磨液中的鋼丸先使工件表面層發生塑性變形，并產生殘余壓應力[2]，同時噴丸對工件表面進行初次磨削；隨后研磨粉于軸承表面發生橫向作用力，對工件表面進行微切削[3]；并伴隨有強化研磨液在高溫高壓作用下與工件表面發生一系列復雜的作用，從而實現工件表面的強化和研磨的效果。

工件的強度，粗糙度與工件加工后的殘余壓應力，塑性形變，最大應力有關，因此，開展對工件表面殘余壓應力，塑性形變，最大的研究對提高工件的使用壽命和穩定性具有重要意義。

1 模型建立

強化研磨加工過程中，強化研磨料（由強化鋼丸、研磨粉、強化研磨液組成）與高壓氣體混合[4]，在高壓噴射系統作用下形成氣、液、固三相混合噴射流，與工件表面產生隨機、等概率的碰撞。由于強化鋼丸的作用使加工初期的工件表面發生塑性變形，并且加工后工件表面的殘余壓應力主要有噴丸的作用形成，故須首先考慮單顆粒噴丸對工件表面作用的效果。其次假設對軸承套圈進行微分，單個體積為3mm×5mm×3mm，上下表面視為平面，這樣可以簡化計算過程。

利用ANSYS對工件進行網格劃分，假設鋼丸在到工件表面之前做勻速運動，現在假設其它影響因素都相同，分別設定鋼丸的噴射速度（分別為40m/s、60m/s、80m/s、100m/s、120m/s），通過ANSYS后處理觀察工件的殘余壓應力在不同速度下的大小。

2 仿真分析

本文主要采用ANSYS程序計算出不同速度時的等效應力，對噴射速度與殘余壓應力的關系進行分析。其在不同速度下的仿真分析結果如表1所示。

根據工件在Y方向產生的應力圖，以主要變形單元為分析對象，目標鋼板被噴表面y=0為起點，沿-Y方向依次選取相關單元（，取單元格為殘層深度間隔尺寸，將計算得到的殘余應力值匯總于表2。

2.1 噴射速度對等效應力的影響

根據表1中的等效應力值，繪制噴射速度對等效應力的影響曲線，如圖1所示。由此可見：噴射速度由40m/s到80m/s等效應力逐漸增大，80m/s到100m/s時有下降趨勢。

2.2 速度對塑性應變的影響

根據表中的塑性應變值，繪制噴射速度對塑性應變的影響曲線[6]，如圖2所示。由此可見：塑性應變隨著速度的增大明顯加快。速度在60m/s～80m/s時增加平緩，而80m/s～100m/s時加快。

2.3 速度對殘余應力的影響

1）速度對最大殘余應力的影響

根據表2-1中Y方向的最大殘余應力值，繪制噴射速度對最大殘余壓應力的影響曲線[7]，如圖3所示，由此可見：最大殘余壓應力值隨著速度的增大而增大。速度大于60m/s后增大趨勢變緩。

2）速度對殘余應力分布的影響

根據表2中不同速度下在Y方向產生的殘余應力，繪制速度對殘余應力的影響曲線，如圖3所示。可見：速度大，殘層深度大。超過80m/s時，最大壓應力不在最表面且有深的強化層。

3 分析與結論

綜上所述：對于彈丸直徑為Φ1mm，噴射角度為90°，選60m/s～80m/s的速度可以獲得較好的綜合效果。

該文在強化研磨加工方法基礎上闡述了強化研磨加工時的最優噴射速度，該研究進一步完善了強化研磨加工技術。此外，文中對噴射速度的分析方法為接下來的其它影響機理（如噴射角度、噴射距離）的研究提供了很好的借鑒，對促進強化研磨加工技術的發展有深遠的意義。

【參考文獻】

[1]劉曉初，陳志斌，何銓鵬，等.強化研磨加工的仿真及試驗[J].軸承，2014（07）.

[2]陳志斌，劉曉初，李文雄，等.軸承套圈強化研磨表面殘余應力試驗研究[J].機電工程技術，2013（12）.

[3]劉曉初，軸承硬態精密切削的理論研究及應用[J].現代制造工程，2005（12）.

[4]王豪.深溝球軸承強化研磨機優化設計及摩擦化學實驗研究[D].畢業生論文，2013（07）.

[5]劉傳劍，劉曉初，李文雄，等.軸承套圈溝道強化研磨加工中碰撞數值模擬分析[J].軸承，2010（12）.

[6]劉曉初，黃駿，肖蘇華.噴射時間對GCr15鋼軸承套圈表面粗糙度的影響[J].金屬熱處理，2014（07）.

[7]謝碧洪，劉曉初，梁忠偉.軸承強化研磨加工時間對溝道表面殘余壓應力的影響[J].機電工程技術，2014（03）.

[責任編輯：侯天宇]