軸承鋼強(qiáng)化研磨的仿真及實(shí)驗(yàn)

郝曉斌，劉 鎮(zhèn)，康軍輝，梁忠偉

（廣州大學(xué)機(jī)械與電氣工程學(xué)院，廣州 510006）

0 引言

強(qiáng)化研磨是廣州大學(xué)劉曉初教授團(tuán)隊(duì)提出的一種新型的金屬材料強(qiáng)化加工方法。在強(qiáng)化加工過程中，主要將儲物罐中的高硬度鋼球、研磨粉以及研磨液以10∶2∶1 的比例混合，形成氣、液、固三相混合，通過高壓氣體加速噴向金屬材料表面。在這個過程中，鋼球外表面會由于研磨液的黏性作用吸附顆粒小的研磨粉，從而形成鋼球+研磨粉的結(jié)構(gòu)。由于使用的鋼球直徑在0.8～1.5 mm，研磨粉在80 目以上（粒度直徑d0≥0.18 mm），兩者以一定的傾斜角度與加工工件以高速撞擊接觸后在工件表面產(chǎn)生一些微凹坑，這些微凹坑起到儲油的功能，能夠提高工件的潤滑效果。通過改變氣體壓力、靶射距離、靶射角度、工件運(yùn)動速度等工藝參數(shù)后，使得微凹坑呈一定的規(guī)律排布，形成“油囊”微織構(gòu)，進(jìn)一步提高工件使用性能。

近年來，對于強(qiáng)化研磨的研究逐漸深入。單士印等[1-2]通過對磨粒運(yùn)動學(xué)的分析，得出靶射角度在45°～70°能使強(qiáng)化后的材料有較高的殘余應(yīng)力；姜引[3]通過不斷調(diào)整實(shí)驗(yàn)參數(shù)，將實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行曲線擬合，得到30～50 cm的靶射距離，能夠使材料有較高強(qiáng)化層厚度；趙傳等[4]通過實(shí)驗(yàn)的方法得到能夠提高材料硬度的最佳工件轉(zhuǎn)速。但這些研究都未能建立鋼球+研磨粉的結(jié)構(gòu)，對于強(qiáng)化研磨中微凹坑的成形仿真以及實(shí)驗(yàn)研究，目前還未見到相應(yīng)的文獻(xiàn)，本文將對這方面進(jìn)行研究。

1 強(qiáng)化研磨有限元模型

本文研究對象為軸承鋼（GCR15），在仿真過程中，建立鋼球+研磨粉（合稱為研磨料，下同）的結(jié)構(gòu)，由于主要的研究對象為受噴材料（即板材），且實(shí)際強(qiáng)化研磨過程中彈丸的硬度、強(qiáng)度都要遠(yuǎn)高于目標(biāo)板材，因此為提高運(yùn)算效率，在仿真中將研磨料定義成剛體，材料為軸承鋼。受噴板材與彈丸材料的基本材料參數(shù)如表1 所示。在噴丸過程中，材料表層會發(fā)生高速塑性變形，材料的屈服應(yīng)力和屈服極限在不同的應(yīng)變速率下將發(fā)生改變，因而GCR15 材料的塑性參數(shù)采用Johnson-Cook[4]模型。該模型適用于大多數(shù)發(fā)生高應(yīng)變速率變形的材料，材料的屈服極限表示為：

式中：δ為材料屈服極限；A為材料屈服應(yīng)力；B為材料應(yīng)變冪指系數(shù)；ε為材料等效塑性應(yīng)變；n 為應(yīng)變硬化指數(shù)；C 為應(yīng)變率敏感系數(shù)；ε*為應(yīng)變影響因子；T*為溫度影響因子；m為溫度敏感性系數(shù)。

表1 軸承鋼的基本材料參數(shù)

表2 GCR15材料本構(gòu)模型參數(shù)

同時在ABAQUS 中要設(shè)置材料熔點(diǎn)和參考溫度（一般取室溫），其他參數(shù)如表2 所示[5]。考慮到計(jì)算時長，同時強(qiáng)化研磨強(qiáng)化層深一般在1 mm 之內(nèi)，為了減小模型邊界反射作用的影響，板料模型尺寸取為5 mm×5 mm×3 mm。設(shè)定研磨料單元類型為C3D10M，板材單元C3D8，強(qiáng)化研磨影響區(qū)采用局部細(xì)化網(wǎng)格方式劃分單元，且網(wǎng)格尺寸小于研磨料直徑的1/10，考慮到研磨料最小直徑為0.18 mm，板材及研磨粉網(wǎng)格最小尺寸設(shè)置為0.015 mm，設(shè)置彈丸與板表面之間的摩擦模型為罰函數(shù)摩擦模型，摩擦因數(shù)取為0.2，設(shè)置好邊界條件與約束，將研磨料初始速度方向設(shè)置為60°，只將速度大小作為單一變量進(jìn)行研究，在ABAQUS 中運(yùn)用顯式動力學(xué)分析步求解模擬研磨料對板材表面的撞擊過程，求解時間設(shè)置為4×10-5s。查看器中在板材上表面撞擊點(diǎn)畫條沿Z 軸的路徑，路徑節(jié)點(diǎn)的起點(diǎn)與終點(diǎn)編號分別為53 950、53 984，上述板料、研磨料模型、網(wǎng)格劃分、路徑信息如圖1所示。分別模擬30 m/s、50 m/s、70 m/s、90 m/s研磨料速度的撞擊情況，繪制路徑上沿Y軸方向變形的二維圖，如圖2所示。

圖1 模型信息

圖2 不同噴射速度對于鋼板變形的影響

分別測量變形長度L，其中變形長度L 的測量方法如圖3所示，并將30 m/s、50 m/s、70 m/s、90 m/s 研磨料速度撞擊后沿路徑的變形分別編號為1、2、3、4，各自的變形長度情況如圖4 所示。由圖可知，30～50 m/s 的速度撞擊鋼板時，鋼板的最大變形量以速度每增大20 m/s，變形量以6%呈線性關(guān)系增加；當(dāng)速度從70 m/s 增大到90 m/s 時，鋼板的最大變形量以速度每增大20 m/s，變形量以8%呈線性關(guān)系增加。這是由于當(dāng)研磨粉速度達(dá)到50 m/s 后，鋼球與鋼板有了接觸，造成鋼板變形量增大，這一點(diǎn)從圖2 中可以看到。當(dāng)速度低于50 m/s時，鋼板除了有0.08 mm的凹陷外，還有0.01～0.02 mm的突起；而當(dāng)速度高于50 m/s 后，在較深凹陷的旁邊還有一個較淺的凹陷，這個較淺的凹陷就是由于鋼球與鋼板的接觸造成的。

從以上分析可知，研磨料能夠造成一定深度的微凹坑，且深度隨著研磨料速度的增大而增大，微凹坑的長度隨著研磨料速度每增大20 m/s以7%的平均增長率增大。

圖3 變形長度提取方法

圖4 靶射速度與鋼板變形長度關(guān)系

2 實(shí)驗(yàn)方案

本節(jié)對軸承鋼板強(qiáng)化研磨處理后微凹坑的“油囊”效果進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，在廣州大學(xué)金屬材料強(qiáng)化研磨高性能加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行鋼板的強(qiáng)化研磨。其中研磨料使用1 mm的高硬度鋼球+80#棕剛玉研磨粉，強(qiáng)化研磨液的配比參照文獻(xiàn)[6]。靶射距離為40 cm，靶射角度控制在60°左右，將靶射壓力作為控制研磨料速度的關(guān)鍵因素，參照文獻(xiàn)[7]。將壓力控制在0.2～0.8 MPa，可使靶射速度在30～80 m進(jìn)行波動，將壓力控制在區(qū)間0.2～0.3 MPa、0.3～0.5 MPa、0.5～0.7 MPa、0.7～0.8 MPa各做一次試驗(yàn)，強(qiáng)化后的鋼板用線切割機(jī)各切一塊，切成15×10×10的小方塊，分別編號A、B、C、D作為實(shí)驗(yàn)組，另取一塊未經(jīng)強(qiáng)化研磨處理的鋼板編號為E，作為對照組。將上述5個鋼塊用實(shí)驗(yàn)室自制的往復(fù)式摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)在油潤滑條件下進(jìn)行摩擦磨損試驗(yàn)，以C 組為例，得到的摩擦因數(shù)曲線如圖5所示。從圖中可以看出，摩擦因數(shù)在穩(wěn)定摩擦階段是在一個范圍內(nèi)上下波動。

圖5 C組摩擦因數(shù)曲線

圖6 各組摩擦因數(shù)

為了方便表達(dá)，本文取穩(wěn)定摩擦階段的平均值作為摩擦因數(shù)，則上述5 個鋼塊的摩擦因數(shù)如圖6 所示。由圖6 可知，經(jīng)強(qiáng)化研磨處理后的鋼板在油潤滑條件下摩擦因數(shù)遠(yuǎn)小于未經(jīng)強(qiáng)化研磨處理的鋼板，且隨著靶射壓力或速度的增大，摩擦因數(shù)逐漸減小，但減小速率逐漸趨于平緩，這與上述研究的仿真相照應(yīng)，隨著速度的增大，鋼板變形速率逐漸減慢，摩擦因數(shù)減小速率趨于平緩。

3 結(jié)束語

（1）通過建立強(qiáng)化研磨單顆研磨料碰撞鋼板的有限元模型，模擬強(qiáng)化研磨單顆研磨料碰撞結(jié)果，發(fā)現(xiàn)隨著研磨料速度的增加，鋼板變形的深度以及寬度逐漸增加，且增長速率逐漸放緩。

（2）通過對強(qiáng)化研磨加工后的鋼板進(jìn)行摩擦磨損試驗(yàn)，對比強(qiáng)化前后的摩擦因數(shù)。強(qiáng)化研磨后鋼板在油潤滑條件下的摩擦因數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于未經(jīng)強(qiáng)化處理的鋼板，且隨著研磨料速度的增加，在油潤滑條件下的平均摩擦因數(shù)逐漸減小，且減小速率逐漸放緩。

（3）聯(lián)系以上兩點(diǎn)，強(qiáng)化研磨過程中，研磨料與金屬材料的碰撞能夠形成微凹坑，這些微凹坑具備改善油潤滑條件下的摩擦環(huán)境，降低摩擦因數(shù)的能力。