碾壓強化有限元建模及分析研究

魯 宏，戴魏魏，楊 焜，權國政

（1.中遠海運集團 南京國際船舶設備配件有限公司，江蘇 南京211121；2.重慶大學 材料科學與工程學院，重慶400044）

在世界工業(yè)飛速發(fā)展的背景下，裝備構件本身工作環(huán)境的惡劣和實際生產中的需求，對構件的使用性能及各項力學性能的要求愈加嚴格，這都要求更進一步改善構件材料性能。提高構件材料的性能、產品質量和成品率是迫在眉睫的重要問題。而其中構件表層性能的強化又是非常重要的一環(huán)[1～6]。

目前，在我國對于構件表層強化方法的研究很多，強化方法也很多，有激光沖擊強化、噴丸沖擊強化、固溶處理等等。但我國構件制造行業(yè)缺乏對碾壓工藝系統(tǒng)而全面的研究，缺乏對碾壓工藝數(shù)據(jù)模擬系統(tǒng)的研究，同時對碾壓成形的控制比較落后[7]。強化構件表層的方法多種多樣，常見的就是激光沖擊強化、噴丸沖擊強化、固溶處理、滲碳處理等等。但這些方法都有一定的缺點，例如，采用普通噴丸強化工藝進行表面處理時，很容易產生變形過大或粗糙度過大問題導致工件報廢。碾壓作為局部連續(xù)塑性成形工藝的一種，適合對構件表層實現(xiàn)強化[8]。工件焊接后采用表層碾壓處理，可在一定程度上消除焊縫處的殘余應力，提高焊接接頭性能。對工件進行表層碾壓工藝，可使工件表層發(fā)生加工硬化，起到表層強化的效果。此外，碾壓能夠根據(jù)需求修整工件的表面光潔度，提升其尺寸精度，碾壓工藝的應用范圍十分廣泛[9～10]。基于上述問題，設計碾壓關鍵參數(shù)組合方案，探究構件碾壓變形強化的規(guī)律顯得尤為重要。

1 碾壓強化有限元模型構建

碾壓強化有限元模型示意圖如圖1 所示，碾輪與工件有一個水平相對速度，工件不動，碾輪向右移動，碾輪本身隨著水平移動產生從動碾轉。碾輪與工件在碾輪徑向有一定閉合距離。最后，碾輪在工件表面碾出一道槽實現(xiàn)強化效果。

圖1 碾壓強化過程示意

2 碾壓強化有限元模擬分析

通過有限元模擬仿真碾壓過程，可以看到表面碾壓是一種對成形后的工件進行表層強化的工藝，它不會使材料的化學成分發(fā)生變化，僅僅使材料表層組織狀態(tài)發(fā)生變化。本次模擬溫度條件設置在室溫下，碾輪與板相對速度為125m/min，下壓量為2.4mm。本文主要分析板經(jīng)碾壓后表層等效應力產生情況，從而判斷工件表層碾壓強化效果。經(jīng)ABAQUS分析計算后，此次實驗工件經(jīng)碾壓后表層米塞斯應力分布圖如圖2 所示。

由圖2 可知，工件經(jīng)碾壓強化后，表層應力分布狀況關于碾壓形成的槽大致呈對稱狀態(tài)，而且就碾壓過程中某一瞬時時刻來看，米塞斯應力的峰值總是出現(xiàn)在碾出的槽兩側的對稱的區(qū)域，這是由于碾輪碾壓的碾轉對稱性所致，在這一區(qū)域材料變形最嚴重，所以應力值最大。在工件與碾輪兩側接觸的變形區(qū)，其應力分布狀態(tài)十分復雜，兩個對稱的區(qū)域向槽底的應力分布逐漸降低，產生了槽底應力最小，而沿槽壁應力逐漸增大的應力分布現(xiàn)象，這是由于碾壓槽底兩側的接觸區(qū)應變較大，變形抗力較大所致。本文探討碾壓參數(shù)對表層強化效果的影響，選擇槽底穩(wěn)定碾壓出的最大應力為指標來判斷強化效果。

圖2 v=125m/min,下壓量2.4mm 時米塞斯應力分布圖

碾輪與工件相對速度（即碾輪線速度）為125m/min，下壓量2.4mm 是槽底應力分布如圖3，橫坐標為距工件碾壓開端處距離。如圖所示，碾壓開始和結束時應力反常，主要原因是因為碾壓開始和結束時并未達到穩(wěn)定碾壓狀態(tài)，有可能是應力集中，也可能是變形過小。如圖3，在ABAQUS 中，在穩(wěn)定碾壓處，查得最大應力值為1036MPa。本文以此應力值為指標，來判斷碾壓強化結果，應力值越大，表面強化效果越好。

圖3 v=125m/min、下壓量2.4mm 時槽底米塞斯應力分布圖

3 下壓量對強化效果的影響規(guī)律研究

下壓量或碾壓力、碾壓速度、碾壓次數(shù)和碾輪工作角等碾壓參數(shù)影響碾壓強化結果。探究碾壓參數(shù)的變化對強化規(guī)律的影響是非常有必要的。本文選取影響金屬表層碾壓強化結果的諸多碾壓參數(shù)中的下壓量個參數(shù)作為變量參數(shù)，通過不同情況下的組合實驗來分析下壓量對表層碾壓強化結果的影響規(guī)律。

本文中，下壓量選取了四個呈梯度變化的參數(shù)值。下壓量選取的值分別為2.4、2.6、2.8、3.0（mm）；在幾種不同的碾壓速度下測得了工件槽底最大米塞斯應力值。

工件表層被碾變形部分應力分布十分復雜，復雜的原因有：首先，受工件本身材料屬性影響；其次，碾壓為局部連續(xù)塑性變形，變形情況復雜，應力應變情況復雜；此外，還受所用模擬軟件計算方法以及網(wǎng)格劃分情況等因素的影響。而工件在經(jīng)碾壓后還需車削，最后工件表面與碾壓槽底相平。因此，分析碾壓穩(wěn)定階段的槽底最大米塞斯應力即可分析碾壓參數(shù)對工件表層的強化能力。

旋壓強化能實現(xiàn)是因為工件表層經(jīng)過旋壓后，表層產生了加工硬化和強化應力，從而提高材料表層性能和疲勞強度。鑒于曲線圖更能直觀地反映應力的變化情況，因此繪制了在不同碾壓速度下應力隨下壓量增加的變化情況曲線圖4。從圖4 中可以觀察到：在碾壓速度為125、130、135、140m/min 這四種情況下，碾壓后工件表層槽底米塞斯應力值隨著下壓量的增大而逐漸增大。這表明在一定范圍內，隨著壓下量增大碾壓強化效果越佳。隨著下壓量的增大，工件變形區(qū)的應變更大，該處材料的加工硬化現(xiàn)象越嚴重，從而表層產生的應力更大，在模擬中表現(xiàn)出來的便是碾壓后測得的米塞斯應力更大。

圖4 不同碾壓速度下應力隨下壓量變化而變化曲線圖

4 結語

本文基于ABAQUS 有限元分析軟件，進行了構件表層碾壓強化數(shù)值模擬，分析總結了構件表層經(jīng)碾壓強化后應力分布規(guī)律及下壓量碾壓參數(shù)對強化效果的影響規(guī)律。本文主要研究內容及結論如下：

（1）本文建立了工件表層碾壓模型并成功模擬，同時對下壓量和碾壓速度兩個參數(shù)設置了四個變值，并進行了全水平模擬，分析了下壓量對表層碾壓強化效果的影響。

（2）本文探討了構件表層碾壓強化的下壓量工藝參數(shù)對強化效果的影響。在一定范圍內，隨著壓下量增大碾壓強化效果越佳。所以，實際工況中在能保證表層碾壓能容易實現(xiàn)的情況下盡可能選擇大的下壓量。