9310钢螺旋锥齿轮喷丸强化残余应力场计算仿真研究

喷丸加工诱导零件表面产生残余压应力场以提高零件疲劳寿命,是螺旋锥齿轮的关键强化工艺。为准确计算喷丸后齿面残余应力场,基于离散元与有限元耦合的方法提出一种螺旋锥齿轮喷丸工艺计算仿真模型。模型计算结果与试验结果误差在10%以内,表明模型可准确预测齿面残余应力分布。基于该模型,以AISI 9310材料螺旋锥齿轮为研究对象,探讨了喷丸工艺参数与残余应力场特征参数的关联规律。研究发现,本文所用工艺参数加工：（1）喷丸工艺主要影响轮齿表层50μm内的残余应力场;（2）喷丸覆盖率为200%时,弹丸直径和速度的改变,对表面残余压应力影响较小;（3）当弹丸速度和直径提高时,靶板表层最大残余压应力值和最大残余压应力深度都得到明显提高,其中最大残余压应力值可提高到–1251.5 MPa,最大残余压应力深度可提高到40μm。本文建立的残余应力计算模型为螺旋锥齿轮的喷丸工艺参数优选提供了计算工具与方法,把依赖试错迭代的工艺方法上升到可计算、可预测的层面。     

喷丸强化残余应力场三维数值仿真分析

建立了喷丸强化三维有限元模型,实现了喷丸强化处理残余应力场的数值仿真。根据显式动力分析各种能量变化过程,确定了显式分析求解时间选择方法;研究了喷丸速度、弹丸直径、入射角度及摩擦力等因素对喷丸残余应力场影响的一般规律,并与现有相关文献试验结论进行对比;分析了单次和多次冲击下材料内部的残余应力场分布及塑性应变分布特点;建立了不同数目的多丸粒喷丸强化三维有限元模型,研究不同覆盖率对残余应力场分布的影响规律。数值分析结果表明,喷丸速度、弹丸大小、入射角度对残余应力场分布有显著影响。冲击次数对残余应力幅值影响小,但等效塑性应变增加明显。喷丸覆盖率的增加会显著改变残余应力场,并使残余应力场分布更加均匀,但残余压应力幅值与喷丸覆盖率没有必然相关性。     

喷丸强化残余应力场三维数值分析

建立了喷丸强化三维有限元模型,实现了喷丸强化处理残余应力场的数值模拟.根据显式动力分析各种能量变化过程,确定了显式分析求解时间选择方法;研究了喷丸速度、弹丸直径、入射角度及摩擦力等因素对喷丸残余应力场影响的一般规律,并与现有相关文献试验结论进行对比;分析了单次和多次冲击下材料内部的残余应力场分布及塑性应变分布特点;建立了不同数目的多丸粒喷丸强化三维有限元模型,研究了不同覆盖率对残余应力场分布的影响规律.      

单边缺口拉伸试样喷丸强化残余应力及其三维应力强度因子分析

采用有限元计算软件ABAQUS/Explicit建立40Cr钢单边缺口拉伸(SENT)试样喷丸强化的三维有限元模型,分析各喷丸参数与强化后残余应力场的关系。用三维裂纹权函数法求解了三维表面裂纹在喷丸残余应力场下的应力强度因子,并分析各喷丸参数对残余压缩应力强度因子K_res的影响。计算结果表明:当裂纹尺寸较小时,表面残余压缩应力越大,残余压缩应力强度因子绝对值-K_res越大;随着裂纹尺寸的增加,残余压应力层越深,-K_res最大值的发生位置也越深;当裂纹达到一定尺寸时,-K_res受残余压应力场深度变化规律的影响,即残余压应力场的深度越大,-K_res越大。     

铝锂合金喷丸强化数值模拟及试验

根据喷丸强化工艺过程的特点,利用ABAQUS有限元计算软件建立了模拟喷丸残余应力场的三维有限元模型.在此模型基础上研究了喷丸速度、弹丸直径及弹丸数量等因素对铝锂合金喷丸残余应力场的影响规律,进而对比了单弹丸模型、均布式阵列弹丸模型和随机弹丸模型下残余应力场的分布规律.采用X射线残余应力仪和电解抛光法得到喷丸强化后沿铝锂合金试件厚度方向的残余应力分布规律.残余应力层深度约为0.24mm,最大残余应力出现在距表面深度为0.08mm处,验证了有限元模型的有效性.      

喷丸强化的综合效应理论

 对几种钢材进行了喷丸强化,疲劳试验,测定了残余应力场和表面粗糙度。提出了表面粗糙度应力集中系数的计算模型和公式,以及疲劳源萌生于表面时表达疲劳极限规律的修正Goodman方程。根据断口分析和应力计算,提出了材料的内部疲劳极限概念及相应的强化机制。在上述研究基础上,建立了喷丸强化的综合效应理论。     

喷丸产生的残余拉应力场及材料的内部疲劳极限

 本文采用大型弹塑性分析有限元程序ADINA-84计算了40Cr钢9种规范的喷丸残余应力场,获得了残余拉应力场的计算表达式,并根据疲劳试验结果,提出了内部疲劳极限概念及喷丸强化的内部疲劳极限理论。     

超声喷丸与传统喷丸对TC4 钛合金残余应力影响的仿真分析

为了预测喷丸TC4钛合金试件的残余压应力层深度及值的分布和冲击面凹坑的直径、深度特征曲线及表面形貌的变化,采用ABAQUS/Explicit软件建立2个3D模型。通过超声喷丸与传统喷丸2种工艺过程数值仿真对比了表面残余应力场差异,分析了TC4钛合金弹丸直径、速度和冲击次数等喷丸参数对残余应力分布的影响。结果表明:当动能相同时,2种强化过程表面所产生的残余压应力是可比较的,超声喷丸模型亚表层残余应力深度为0.16 mm,约为传统喷丸模型深度的2倍;传统喷丸产生的残余压应力最大值约-800 MPa,约为超声喷丸的1.6倍。与传统喷丸相比,超声喷丸具有较低的表面粗糙度以及较深的残余压应力层。残余压应力层深度与弹丸直径呈正相关,但过大的弹丸尺寸会引起薄壁件另一侧残余拉应力区域的增大。     

TB6钛合金激光喷丸与机械喷丸残余应力场有限元模拟

利用有限元软件建立了TB6钛合金激光喷丸以及机械喷丸的三维数值分析模型,研究了不同工艺参数对残余应力场的影响;对比了两种喷丸工艺所形成的应力波和各自的衰减规律;研究了两种喷丸工艺的复合强化工艺对残余应力场的影响。结果表明:激光喷丸形成的平面波造成较深的应力影响层,深度可达1.5mm;机械喷丸形成的球面波产生较大的残余应力,最大残余压应力可以达到屈服强度的1.1倍。塑性应变越大残余应力越大,塑性应变层与残余应力影响层深度相近;在两者复合强化工艺中,残余应力影响层深度与激光喷丸的相近,最大残余压应力可达屈服强度的1.2倍。     

TC17钛合金超声喷丸强化残余应力场分析

为探究TC17钛合金超声喷丸强化残余应力场分布状态,基于ABAQUS/Explicit建立了超声喷丸振动系统,结合仿真与试验结果分别探究了0.15 A与0.25 A喷丸强度下TC17钛合金试样的应力场、表面形貌和应变层分布状态。两种喷丸强度下,残余压应力最大值均处于次表面区域。在表面残余应力均值、次表面残余压应力最大值、残余应力层深度方面仿真数值与试验结果差异较小,整体偏差小于15%。随着喷丸强度增加,施密特因子集中分布范围有降低的趋势。0.25 A喷丸强度下应变层与残余压应力层深度分布相近,分别较0.15 A喷丸强度下的深度值提升57.1%与53.3%。高周疲劳结果表明,相比0.15 A喷丸强度,0.25 A喷丸强度下疲劳极限提高4.7%,两种喷丸强度下疲劳寿命均达到10⁷次循环。残余压应力层深度在高载荷低循环下作用较小,在低载荷高循环下对裂纹萌生的抑制作用增加,较高的表面残余压应力及较深的残余压应力层深度对抑制残余拉应力引起的疲劳失效效果更显著。     

34CrNiM06钢复合喷丸强化的有限元模拟

为了研究复合喷丸的工艺效果,利用ABAQUS有限元仿真软件进行模拟分析,建立了34CrNiMo6钢随机多弹丸的周期性三维有限元模型.首先对所提出的周期性有限元模型进行周期性验证和试验验证,然后利用周期性有限元模型对复合喷丸的强化效果、不同喷丸强度对残余应力场的影响进行分析.结果表明:该周期性三维有限元模型可有效模拟喷丸强化效果;复合喷丸强化使34CrNiMo6钢表面产生的残余应力和最大残余应力均高于单一喷丸产生的,且表面残余应力分布更加均匀,但最大残余应力所处深度不变;复合喷丸可得到更小的表面粗糙度.     

304奥氏体不锈钢喷丸引起的组织转变和两相残余应力测定

采用X射线衍射技术研究了304奥氏体不锈钢喷丸过程所引起的组织结构变化以及两相组织中每相的残余应力。试验结果表明,喷丸强化可使亚稳态304奥氏体材料表面发生γ→α转变,在相同的喷丸强度下转变量与喷丸弹丸种类规格关系很大,而且与喷丸时间有关;表面两相组织γ和α相各自的残余应力可采用X射线衍射应力仪进行测定,两相的残余应力数值相差很大。     

喷丸强化7475-T7351铝合金的小裂纹行为和寿命预测

对7475-T7351铝合金进行了喷丸强化和未喷丸(机械加工后抛光)单边缺口拉伸(SENT)试样的小裂纹扩展行为试验研究,利用权函数法(WFM)和叠加原理分析计算了三维表面小裂纹在外加载荷和残余应力场联合作用下的应力强度因子(SIF),并将其加入到基于裂纹闭合的小裂纹扩展分析程序FASTRAN3.9中,采用该程序预测了均布外载荷σmax=160MPa、R=0.06下,喷丸强化和未喷丸SENT试样自然萌生裂纹扩展的a-N曲线。研究发现喷丸强化残余压应力对疲劳小裂纹扩展速率的降低是疲劳寿命延长最主要的原因,采用基于裂纹闭合的小裂纹扩展分析方法能够较好地定量描述喷丸强化的疲劳延寿作用。     

喷丸强化Ti6Al4V钛合金的数值模拟

为了更加真实地模拟Ti6Al4V钛合金的喷丸强化过程,建立了一个基于概率控制多弹丸冲击靶面位置的三维喷丸有限元模型,以考虑喷丸强化过程中弹丸之间的相互作用。模拟了喷丸角度为60°和90°的两种工况,结果表明:对于相同的弹丸尺寸和初始速度,达到完全喷丸覆盖率和饱和喷丸强度,60°喷丸角度工况在单位受喷面积上需要的弹丸个数为15/D2(D是弹丸直径),90°喷丸角度工况需要的弹丸个数为35/D2;在达到完全喷丸覆盖率的过程中,随着弹丸个数的增加,喷丸强化的残余压应力逐渐增大并趋于稳定,而受喷表面粗糙度基本呈线性增大;在完全喷丸覆盖率下,相对于60°喷丸角度工况,90°喷丸角度工况的表面残余压应力较小,但最大残余压应力较大,表面粗糙度也较大。      

超高强度钢的喷丸强化

总结了航空常用超高强度钢0Cr13Ni8Mo2Al,30CrMnSiNi2,16Co14Ni10Cr2MoA和40CrNi2Si2MoVA喷丸强化所产生的残余压应力场特征,研究了喷丸所造成的表面粗糙度和表面残余应力等表面完整性变化,初步定性探讨了超高强度钢喷丸强化后表面完整性的改善及其对疲劳性能的影响.结果表明,喷丸可显著提高疲劳寿命和有效提高疲劳极限,而且对某一给定材料而言存在一个最佳的喷丸规范.     

一次预过载对铝合金喷丸前后缺口疲劳强度的影响

预过载拉伸可提高铝合金缺口疲劳寿命,但效果不及喷丸;过载量太大还使寿寿命趋于子下降。预过载压缩降低缺口疲劳寿命;喷丸后经过载压缩,寿命降低幅度更大,均与缺口残余应力及亚结构变化有关。