基于強化研磨技術(shù)仿真分析優(yōu)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(shù)加工過程中不同的噴射速度對鋼板表面等效應(yīng)力、塑性形變、殘余壓應(yīng)力等機理的影響，論文采用ANSYS/LS-DYNA進行了動力學(xué)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(guān)鍵詞】強化研磨；噴射速度；等效應(yīng)力；塑性形變；殘余壓應(yīng)力

0 引言

強化研磨[1]是一種基于復(fù)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(shù)，是由廣州大學(xué)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(fā)生塑性變形，并產(chǎn)生殘余壓應(yīng)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(fā)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(fā)生一系列復(fù)雜的作用，從而實現(xiàn)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(yīng)力，塑性形變，最大應(yīng)力有關(guān)，因此，開展對工件表面殘余壓應(yīng)力，塑性形變，最大的研究對提高工件的使用壽命和穩(wěn)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(tǒng)作用下形成氣、液、固三相混合噴射流，與工件表面產(chǎn)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(fā)生塑性變形，并且加工后工件表面的殘余壓應(yīng)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(shè)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(wǎng)格劃分，假設(shè)鋼丸在到工件表面之前做勻速運動，現(xiàn)在假設(shè)其它影響因素都相同，分別設(shè)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(yīng)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(yīng)力，對噴射速度與殘余壓應(yīng)力的關(guān)系進行分析。其在不同速度下的仿真分析結(jié)果如表1所示。

根據(jù)工件在Y方向產(chǎn)生的應(yīng)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(guān)單元（，取單元格為殘層深度間隔尺寸，將計算得到的殘余應(yīng)力值匯總于表2。

2.1 噴射速度對等效應(yīng)力的影響

根據(jù)表1中的等效應(yīng)力值，繪制噴射速度對等效應(yīng)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(yīng)力逐漸增大，80m/s到100m/s時有下降趨勢。

2.2 速度對塑性應(yīng)變的影響

根據(jù)表中的塑性應(yīng)變值，繪制噴射速度對塑性應(yīng)變的影響曲線[6]，如圖2所示。由此可見：塑性應(yīng)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(yīng)力的影響

1）速度對最大殘余應(yīng)力的影響

根據(jù)表2-1中Y方向的最大殘余應(yīng)力值，繪制噴射速度對最大殘余壓應(yīng)力的影響曲線[7]，如圖3所示，由此可見：最大殘余壓應(yīng)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(yīng)力分布的影響

根據(jù)表2中不同速度下在Y方向產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，繪制速度對殘余應(yīng)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(yīng)力不在最表面且有深的強化層。

3 分析與結(jié)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(chǔ)上闡述了強化研磨加工時的最優(yōu)噴射速度，該研究進一步完善了強化研磨加工技術(shù)。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(shù)的發(fā)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(yīng)力試驗研究[J].機電工程技術(shù)，2013（12）.

[3]劉曉初，軸承硬態(tài)精密切削的理論研究及應(yīng)用[J].現(xiàn)代制造工程，2005（12）.

[4]王豪.深溝球軸承強化研磨機優(yōu)化設(shè)計及摩擦化學(xué)實驗研究[D].畢業(yè)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(shù)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(yīng)力的影響[J].機電工程技術(shù)，2014（03）.

[責任編輯：侯天宇]