噴丸強化作為一種簡單有效的表面處理方法,能顯著提升部件的疲勞性能。在計算機技術(shù)不夠成熟的以前,往往需要做大量的試驗或者根據(jù)工程師的經(jīng)驗來確定噴丸工藝參數(shù),這樣就需要大量的人力物力財力。為了提高效率和節(jié)約成本,同時更好的對噴丸機理展開研究,合理運用不同的模擬仿真方法來預(yù)測噴丸強化參數(shù)對殘余應(yīng)力場的影響并得到一個最佳的噴丸強化參數(shù)顯得格外重要。42CrMo鋼是一種超高強度調(diào)質(zhì)鋼,由于其優(yōu)異的特性在汽車后軸中得到了廣泛的應(yīng)用。本文選取42CrMo鋼作為研究對象,運用有限元分析和實驗驗證相結(jié)合的方法,在噴丸仿真過程中通過考慮網(wǎng)格密度、摩擦系數(shù)和彈丸硬度等因素優(yōu)化了噴丸模型,研究了噴丸參數(shù)包括彈丸速度、直徑、撞擊角度和覆蓋率對殘余應(yīng)力分布的影響規(guī)律,并通過響應(yīng)面法對42CrMo鋼噴丸仿真參數(shù)進行了優(yōu)化求解,最后通過實驗對最優(yōu)噴丸參數(shù)進行驗證,分析比較了不同噴丸參數(shù)對疲勞性能的改善情況。在彈丸速度和直徑一定的情況下,將表面網(wǎng)格尺寸的大小調(diào)整為該條件下單彈坑直徑的1/16,能夠得到最優(yōu)的網(wǎng)格劃分方案同時殘余應(yīng)力分布具有收斂性。彈丸與目標(biāo)工件之間的摩擦系數(shù)大于0.2和硬度差大于200 HV對于殘余應(yīng)力分布評估的準(zhǔn)確性非常重要。在噴丸過程中,適當(dāng)?shù)脑黾訌椡璧乃俣�、直徑和覆蓋率,同時保持彈丸沖擊角度為90°,能夠有效的改善42CrMo鋼表層殘余應(yīng)力分布,這是對疲勞性能有利的。然而由于彈丸速度、直徑和覆蓋率的增加會導(dǎo)致表面粗糙度增加,因而這些噴丸參數(shù)的值并非越大越好。通過響應(yīng)面模型能夠準(zhǔn)確的預(yù)測噴丸響應(yīng)值,同時進行最優(yōu)化求解。通過賦予三個響應(yīng)值最大殘余壓應(yīng)力,殘余壓應(yīng)力層深和應(yīng)力集中系數(shù)不同的權(quán)重比(從前到后權(quán)重分別為5:4:3):(1)σ_(ma)~(RS) _x,δ_0,K;(2)δ_0,σ_(ma)~(RS) _x,K;(3)K,σ_(ma)~(RS) _x,δ_0。得到了三組對應(yīng)的最優(yōu)噴丸參數(shù)分別為:(1)v=88 m/s,d=0.8 mm,cr=170%;(2)v=85 m/s,d=1.0 mm,cr=150%;(3)v=92 m/s,d=0.8 mm,cr=130%。實驗驗證中,噴丸強化能有效改善試件的表面硬度,表面微觀形貌和殘余應(yīng)力分布。疲勞試驗結(jié)果表明,未經(jīng)過噴丸處理的42CrMo鋼試樣的平均疲勞壽命為116773次,經(jīng)以上三組最優(yōu)化噴丸參數(shù)處理后的42CrMo試樣的平均疲勞壽命分別為238444次,231766次和211286次,相對于未噴丸處理試樣疲勞壽命提高比例分別為1.04倍,0.98倍和0.81倍。在選擇噴丸參數(shù)時,應(yīng)優(yōu)先考慮最大殘余應(yīng)力值和殘余壓應(yīng)力層深,其次為應(yīng)力集中系數(shù)。本文根據(jù)響應(yīng)面法優(yōu)化和實驗驗證結(jié)果,最終確定42CrMo鋼試件的最優(yōu)噴丸強化參數(shù)為彈丸速度v=88 m/s,直徑d=0.8 mm,覆蓋率cr=170%。
【學(xué)位單位】：武漢理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：U466
【部分圖文】：

運用有限元分析和實驗驗證相結(jié)合的方法，通過考慮網(wǎng)格密度、摩擦系數(shù)和彈丸硬度等因素優(yōu)化了噴丸模型，研究了噴丸參數(shù)包括彈丸速度、直徑、撞擊角度和覆蓋率對殘余應(yīng)力分布的影響規(guī)律。運用響應(yīng)面法對 42CrMo 鋼噴丸參數(shù)進行了最優(yōu)化求解，最后通過實驗對最優(yōu)噴丸參數(shù)進行驗證，分析比較了不同噴丸強化參數(shù)條件下試樣疲勞性能的改善情況。希望對今后噴丸的模擬和實驗工作或汽車零部件的設(shè)計有一定的參考價值和指導(dǎo)作用。1.2 噴丸強化技術(shù)1.2.1 噴丸強化機制噴丸強化是通過高速運動的彈丸流沖擊靶材，使其表層發(fā)生隨機的循環(huán)彈塑性變形來引入殘余壓應(yīng)力場，并引發(fā)組織微觀結(jié)構(gòu)變化的表面強化工藝，可以大大提升靶材的疲勞壽命及抗應(yīng)力腐蝕性能。彈丸撞擊金屬表面示意圖和噴丸強化后金屬表層殘余應(yīng)力分布圖如圖 1-1 所示。

圖 1-2 噴丸強化工藝影響因素[38].2 噴丸有限元模擬技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r噴丸模擬技術(shù)最早要追溯到 1881 年，Hertz[39]提出了一種準(zhǔn)靜態(tài)方法材料為線彈性或理想的彈塑性的力學(xué)行為，后面的科研工作者在此基礎(chǔ)噴丸解析型模型。最早在 1971 年，Hardy 等人[40]提出了 2D 軸對稱有，研究了在理想彈塑性材料行為下 Hertz 彈性模型的接觸力分布。

圖 1-3 42CrMo 鋼噴丸參數(shù)優(yōu)化技術(shù)路線圖 1 章主要介紹了噴丸強化技術(shù)機制、技術(shù)特點、發(fā)展概況及噴丸工業(yè)上的應(yīng)用，噴丸有限元模擬技術(shù)的簡介和發(fā)展?fàn)顩r，噴丸參數(shù)展?fàn)顩r；第 2 章主要介紹了噴丸模型的建模過程，包括幾何模型型兩大部分，模型中彈丸覆蓋率和殘余應(yīng)力的計算方法，實驗驗證章噴丸模型的驗證與優(yōu)化，研究了不同噴丸強化參數(shù)對殘余應(yīng)力分（包括彈丸硬度、速度、直徑、撞擊角度和覆蓋率等）；第 4 章通 42CrMo 鋼的噴丸參數(shù)進行最優(yōu)化求解；第 5 章將第 4 章得到的優(yōu)進行實驗研究，包括殘余應(yīng)力分布、顯微硬度、表面形貌和疲勞實總結(jié)結(jié)論，并對噴丸參數(shù)優(yōu)化研究進行下一步展望。

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本文編號：2810516