噴丸強(qiáng)化作為一種簡(jiǎn)單有效的表面處理方法,能顯著提升部件的疲勞性能。在計(jì)算機(jī)技術(shù)不夠成熟的以前,往往需要做大量的試驗(yàn)或者根據(jù)工程師的經(jīng)驗(yàn)來(lái)確定噴丸工藝參數(shù),這樣就需要大量的人力物力財(cái)力。為了提高效率和節(jié)約成本,同時(shí)更好的對(duì)噴丸機(jī)理展開(kāi)研究,合理運(yùn)用不同的模擬仿真方法來(lái)預(yù)測(cè)噴丸強(qiáng)化參數(shù)對(duì)殘余應(yīng)力場(chǎng)的影響并得到一個(gè)最佳的噴丸強(qiáng)化參數(shù)顯得格外重要。42CrMo鋼是一種超高強(qiáng)度調(diào)質(zhì)鋼,由于其優(yōu)異的特性在汽車(chē)后軸中得到了廣泛的應(yīng)用。本文選取42CrMo鋼作為研究對(duì)象,運(yùn)用有限元分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的方法,在噴丸仿真過(guò)程中通過(guò)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(duì)殘余應(yīng)力分布的影響規(guī)律,并通過(guò)響應(yīng)面法對(duì)42CrMo鋼噴丸仿真參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化求解,最后通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)最優(yōu)噴丸參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證,分析比較了不同噴丸參數(shù)對(duì)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(shí)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(duì)于殘余應(yīng)力分布評(píng)估的準(zhǔn)確性非常重要。在噴丸過(guò)程中,適當(dāng)?shù)脑黾訌椡璧乃俣�、直徑和覆蓋率,同時(shí)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(duì)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(huì)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(guò)響應(yīng)面模型能夠準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)噴丸響應(yīng)值,同時(shí)進(jìn)行最優(yōu)化求解。通過(guò)賦予三個(gè)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(duì)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(shí)驗(yàn)驗(yàn)證中,噴丸強(qiáng)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(yàn)結(jié)果表明,未經(jīng)過(guò)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(duì)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(shí),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(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果,最終確定42CrMo鋼試件的最優(yōu)噴丸強(qiáng)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(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類(lèi)】：U466
【部分圖文】：

運(yùn)用有限元分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的方法，通過(guò)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(duì)殘余應(yīng)力分布的影響規(guī)律。運(yùn)用響應(yīng)面法對(duì) 42CrMo 鋼噴丸參數(shù)進(jìn)行了最優(yōu)化求解，最后通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)最優(yōu)噴丸參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證，分析比較了不同噴丸強(qiáng)化參數(shù)條件下試樣疲勞性能的改善情況。希望對(duì)今后噴丸的模擬和實(shí)驗(yàn)工作或汽車(chē)零部件的設(shè)計(jì)有一定的參考價(jià)值和指導(dǎo)作用。1.2 噴丸強(qiáng)化技術(shù)1.2.1 噴丸強(qiáng)化機(jī)制噴丸強(qiáng)化是通過(guò)高速運(yùn)動(dòng)的彈丸流沖擊靶材，使其表層發(fā)生隨機(jī)的循環(huán)彈塑性變形來(lái)引入殘余壓應(yīng)力場(chǎng)，并引發(fā)組織微觀結(jié)構(gòu)變化的表面強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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(duì)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(qiáng)化技術(shù)機(jī)制、技術(shù)特點(diǎn)、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(jiǎn)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(guò)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(jì)算方法，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證章噴丸模型的驗(yàn)證與優(yōu)化，研究了不同噴丸強(qiáng)化參數(shù)對(duì)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(jìn)行最優(yōu)化求解；第 5 章將第 4 章得到的優(yōu)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，包括殘余應(yīng)力分布、顯微硬度、表面形貌和疲勞實(shí)總結(jié)結(jié)論，并對(duì)噴丸參數(shù)優(yōu)化研究進(jìn)行下一步展望。

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本文編號(hào)：2810516