超聲振動鋼材表面強化技術研究

廣州銀寶山新汽車零部件有限公司 廣州 511434

1 研究背景

在當今工業高速發展的時代,“工業4.0”全面展開,對零件的質量要求也達到了一個新的高度。金屬零件質量的優劣和金屬材料、加工質量有關。一般情況下,金屬材料的失效是由金屬表面逐步向金屬內部失效,所以若想通過改善金屬材料來提高金屬零件的質量,就需要根據金屬材料的失效方式來進行研究。怎樣提高鋼材的耐磨性、耐蝕性、抗疲勞性,進而能夠得到滿足使用要求的鋼材,這是我國現階段面臨的難題。我國目前的工業市場中,優質鋼材尚處于進口狀態。由此可見,對鋼材強化方法進行研究,具有十分重要的意義。

傳統的鋼材表面強化技術主要有表面涂層、表面改性和表面機械強化三種。表面涂層技術能提高鋼材的硬度、耐磨性、耐蝕性,但其缺點是涂層易脫落、設備成本高。表面改性技術能提高鋼材的耐磨性、疲勞強度、耐蝕性、抗氧化性等,但其缺點是工藝復雜、成本高、污染環境。表面機械強化技術能提高鋼材的硬度和疲勞強度,但有過硬化和表面粗糙度差等缺點。

目前,超聲振動鋼材表面強化技術在國內的研究還比較少,但超聲振動鋼材表面強化技術相比其它幾種傳統鋼材表面強化技術,強化效果比較理想。超聲振動鋼材表面強化技術集其它幾種傳統鋼材表面強化技術的優點于一身,唯一的缺點是設備成本較高。當然,超聲振動鋼材表面強化技術加工操作和加工參數的精確度要求較高。

筆者將超聲技術應用于加工鋼材表面,對如何提高鋼材的表面質量進行研究,分析在加工過程中影響鋼材表面粗糙度的參數,運用有限元方法得到受力時鋼材表面的應力分布和位移變化情況。

2 超聲擠壓加工原理

筆者選取超聲擠壓加工來進行鋼材表面強化,提高鋼材的表面質量。超聲擠壓加工能在較大程度上提高鋼材表面的硬度和耐磨性,同時減小鋼材的表面粗糙度值。

超聲擠壓加工的原理是,基于機械冷作硬化特性,擠壓工具頭對鋼材表面施加一定頻率的振動,進而發生振動接觸,同時對擠壓工具頭設置進給速度,對工件進行加工。

3 有限元分析

3.1 實體建模

應用Unigraphics軟件建立如圖1所示實體模型。圖1中,下部為厚度5 mm、外半徑30 mm、寬25 mm的圓柱滾子鋼材,上部為寬5 mm、長20 mm、半圓半徑2.5 mm的工具頭。

圖1 實體模型

圖1下部是一個典型的環形鋼材,上部工具頭的前端是半圓形,因此工具頭與鋼材的接觸區是一條直線,振動區域的振動頻率是均衡的。

3.2 有限元建模

創建理想化部件,使用NX Nastran求解器來進行求解,分析類型為結構,采用SOL.106非線性靜態全局約束。

建立有限元模型后,采用八節點六面體線性三維網格單元劃分網格,共劃分得到9 500個單元。劃分網格后有限元模型如圖2所示。

圖2 劃分網格后有限元模型

3.3 選擇工作截面

在有限元模型中,選擇一小段工作截面模擬鋼材的強化結果,如圖3所示。

圖3 工作截面

3.4 設置約束

在有限元分析時,如果沒有選擇合適的接觸類型,那么會直接導致無法分析,或者所得到的分析結果會出現極大偏差。在本次有限元分析時,選取一個工作截面,在實際工況中截面兩側是有材料的,具有防止變形的固有性質,因此將約束設置在截面的兩側,如圖4所示。

圖4 設置約束

3.5 施加載荷

超聲擠壓加工是在一定數值的壓力和擠壓速度下進行的,工具頭沿縱向施加一定的壓力來沖擊鋼材表面,因此需要對鋼材表面施加一定的壓力和沖擊載荷。工作截面受力如圖5所示。

圖5 工作截面受力

3.6 分析結果

有限元分析結果如圖6所示。

圖6 有限元分析結果

由圖6(a)可以看到,鋼材表層是藍色的,代表結構的變形比較小,結構穩定,有良好的表面質量。

由圖6(b)可以看到,紅色位置是工具頭的加工位置,應力等值線顯示應力在逐漸減小,代表鋼材表面沒有出現應力集中,應用超聲振動鋼材表面強化技術,鋼材表面的加工變形得到改善。

4 結束語

通過研究確認,超聲振動鋼材表面強化技術可以提高鋼材表面的硬度、疲勞強度、耐磨性等。與傳統鋼材表面強化技術不同,超聲振動鋼材表面強化技術通過改變鋼材表層的內部金屬晶體結構來實現表面強化,解決了傳統鋼材表面硬化中硬度與加工表面質量不能同時提高的問題。

由于加工工具能夠循環利用,因此超聲振動表面強化技術在量產時可以實現全自動化生產,進而實現智能生產,符合“工業4.0”的理念。