微粒喷丸:微粒子喷丸对靶材残余应力场的影响
发布日期:2021/7/23 9:25:33

1.1  微粒子速度对残余应力场的影响

为了研究微粒子冲击速度对残余应力场的影响,本文选取微粒子直径 d = 50 μm,粒子运动方向垂直于工件表面,冲击速度 V = 150、160、170、180、190 和200 m/ s,采用 7 粒子模型,搭接率 ζ = 0.75,仿真得到了中心弹坑圆心处的残余应力分布曲线,如图 11 所示。

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由图 11 可以看出,搭接率 ζ = 0.75 时,7 粒子模型中心点的 4 个特征值随着冲击速度的增大而变化。为了便于分析,将 6 条曲线的最大残余压应力 SM 和表面残余压应力 SS 与冲击速度的关系曲线绘制出来,如图 12 所示。

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在图 12 中,当 V = 170 m / s 时,SM 和 SS 均小于V < 170 m / s 时的值,二者较 V = 150 m / s 时分别减小了 4.6% 和 25% 。其中,对于 SM 来说,当 V 在 150 ~190 m / s 范围内变化时,SM 的变化在9%以内,从860 MPa到937 MPa;当V 增大到200 m/ s 时,SM 增大到1014 MPa,较 V = 190 m / s 时增大了 8% 。对于 SS 来说,当 V 在170 ~ 190 m / s 范围内变化时,SS 的变化范围约 14%;而当 V≤160 m / s 或 V = 200 m / s 时,SS > 266 MPa,且变化范围只有约 8% 。因此为了增大表面和最大残余压应力,应选择 V = 200 m / s。

图 13 为图 11 中 6 条线的最大残余压应力层深HM和残余压应力层深H与冲击速度的关系曲线。其中,HM 和H随冲击速度V增大而单调增加。V 从150 m/ s 增大到 200 m/ s,HM 和 H 分别增大 35% 和17%。因此为了增大 HM 和 H,亦应选择 V = 200 m/ s。

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综上分析,为了提高微粒子喷丸对表面的综合强化效果,应该使微粒子的冲击速度在 200 m / s 左右为宜。

1.2 冲击角度对残余应力场的影响

喷嘴轴线与靶材表面之间的夹角称为冲击角度。冲击角度不同时,工件表面的形貌及其残余应力分布也不相同。因此,研究不同冲击角度对残余应力场的影响,具有工程应用价值。

设微粒子冲击速度为 200 m / s,微粒子直径为 d =50 μm,摩擦因数为 0. 2,选取 30°、45°、60°、75°、90°五个冲击角度,采用 7 粒子模型,搭接率 ζ = 0.75,进行了仿真研究,中心弹坑圆心处的残余应力分布曲线如图 14 所示。

将图 14 中 5 条曲线的最大残余压应力 SM 和表面残余压应力 SS 与冲击角度 θ 的关系曲线绘制出来,见图 15,随着冲击角度的增大,SM 和 SS 均单调增加。

其中,θ = 30°时,最大和表面残余压应力均很小, 因此,下面仅就 θ≥45°的情况进行讨论。关于最大残 余压应力:随着 θ 增大,SM 按二次曲线规律增大,且冲击角度越大,冲击角度增量引起的 SM 的变化率越小;与 θ = 45°相比,θ = 90°时,SM 由592 MPa 增大到982 MPa,增大了65. 8% 。关于表面残余压应力:随着 θ 增大,SS按近似线性的规律增大; 与 θ = 45°相比,θ = 90°时,SS由 168 MPa 增大到 266 MPa,增大了 58. 3% 。

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图 16 为图 14 中 5 条曲线的最大残余压应力层深HM和残余压应力层深 H 与冲击角度 θ 的关系曲线。与前面相同,下面仅就 θ≥45°的情况进行讨论。当 θ由 45°增加到 60°时,HM略微增大了 4.2% ,而 H则小幅降低了 4.0% 。当 θ 继续由 60°增加到 90°时,HM 单调减小而 H单调增大,且二者都是线性变化。

从变化幅度来看,θ 由 45°增加到 90°,HM 和 H分别变化了 7.2% 和 3. 9% 。因此,对于多粒子冲击来说,当冲击角度 θ 在 90°附近发生一定程度的改变时,对 HM 和 H 的影响不大。

7 粒子模型与微粒子喷丸的实际工况较为接近。由前述分析可知,7 粒子模型的 SM 和 SS 对 θ 的变化较为敏感。从提高微粒子喷丸综合强化效果来看,应使喷嘴尽量与受喷工件的表面垂直。

1.3微粒子直径对残余应力场的影响

微粒子喷丸过程也是高速运动的微粒子在冲击工件表面时进行能量传递的过程。在喷丸作业中,微粒子粒径不同会直接影响工件表面的形貌以及局部塑性变形后工件表面的力学性能。因此,微粒子喷丸强化效果与微粒子直径密切相关。

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为了研究多粒子喷射时粒径对残余应力场的影响,假设冲击速度 V = 160 m / s,粒子运动方向垂直于工件表面,搭接率为 75% ,摩擦因数为 0. 2,微粒子直径 d = 40、60、80、100 μm,采用 7 粒子模型进行了仿真研究,结果如图 17 所示。

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将图 17 中 4 条曲线的最大残余压应力 SM 和表面残余压应力 SS 与粒子直径 d 的关系曲线绘制出来,如图 18 所示。显然,表面残余压应力 SS 随粒径增大呈单调减小的趋势,且当粒径 d 增大时,SS 从 302 MPa线性减小至 104 MPa,减小了 65. 6%;当 d 继续从 80 μm增大到 100 μm 时,SS 则几乎没有变化。出现上述情况的原因为粒径越大,弹坑直径越大,微粒子的弹坑重叠率( 搭接率) 也就越大,从而对中心弹坑的变形和残余应力场产生的影响也越大。

对于最大残余压应力 SM,当粒径 d 增大时,SM 先单调减小,在 d =80 μm 处最小,最小值为843 MPa;但当 d 增大到100 μm 时,SM 出现了较大幅度的反弹,较 d = 80 μm 时 反而增大了12. 3%,且略大于 d =40 μm 时的 SM。 

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综上可知,微粒子喷丸时,采用稍小的粒径有利于 提高工件的表面和最大残余压应力。 

图 19 为图 17 中 4 条线的最大残余压应力层深 HM 和残余压应力层深 H与粒径 d 的关系曲线。可知 HM 和 H 随着 d 增大均线性增加,其中,HM的斜率略 小于 H的斜率。对 d = 40 μm 和 d = 100 μm 时的数 值加以比较,HM 和 HR分别增大了 26.5% 和 67.6% 。

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综上所述,采用稍小直径的微粒子可提高工件的表面残余压应力和最大残余压应力,但稍小粒径的微粒子对应的最大残余压应力深度 HM 和残余压应力层深 H较小。因此,需考虑喷丸强化的要求,合理选择

喷丸微粒子的直径。

2 结论

1) 搭接率 ζ≤0.5 与 ζ > 0.5 时残余应力随层深的分布规律不同。当 ζ≤0.5 时,ζ 的变化对残余压应力层深没有影响。而搭接率 ζ = 0.75 是表面残余压应力 SS 变化的分界线,只有在 ζ > 0. 75 时,残余压应力场的 4 个特征值才均随着 ζ 的增大而增大。

2) 随着微粒子冲击速度的增大,残余压应力场的深度增大,而残余压应力场呈现一定的波动性,但是两者均在 V = 200 m / s 时取得最大。

3) 增大微粒子的冲击角度 θ,最大残余压应力 SM和表面残余压应力 SS 均显著增大,但最大残余压应力层深 HM 和残余压应力层深 H 整体有所减小。但整体上,7 粒子模型的 SM 和 SS 对 θ 的变化较为敏感,从提高微粒子喷丸综合强化效果来看,应使喷嘴尽量与受喷工件的表面垂直。

4) 最大残余压应力层深 HM 和残余压应力层深H 随着微粒子直径 d 的增大而增大,而且采用稍小直径的微粒子就能获得较大的 SM 和 SS


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