CN111651921A - 一种基于材料真实状态的喷丸强化表面完整性参数预测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于材料真实状态的喷丸强化表面完整性参数预测方法，包括以下步骤：1、根据材料实测的表面粗糙度数据点进行三维表面重构；2、依据硬度与屈服强度转化公式，将实测的硬度梯度转化为屈服强度梯度；3、依据X射线进行残余应力检测，将初始残余应力进行添加；4、利用赫兹接触理论计算单个弹丸撞击后的弹坑半径；5、依据覆盖率计算所需要的弹丸数目；6、以计算好的弹丸数目和重构好的材料真实状态的模型利用ABAQUS进行计算。本发明的技术效果是：在考虑材料真实状态下，预测不同喷丸覆盖率下的表面完整性参数，所获得的结果准确可靠，为不同弹丸直径、弹丸流量等工艺情况下的喷丸覆盖率的选择、使用提供依据。
Description
技术领域
本发明属于机械加工领域，具体涉及一种基于材料真实状态的喷丸强化表面完整性参数预测方法。
背景技术
喷丸强化能细化零件表层材料的晶粒，并引入一定深度残余压应力层，使已加工好的零件表面形貌发生改变，这些因素会综合影响零件疲劳寿命。对零件进行表面喷丸强化处理，可以显著提高其抗疲劳性能，延长零部件的使用寿命。广泛应用于高速列车、航天航空、风电、船舶等领域关键零部件表面强化。
喷丸强化工艺中零件的表面完整性参数是指零件的表面粗糙度、残余应力、晶粒尺寸、位错密度等，在工程实际中常用的两个参数为表面粗糙度和残余应力。零件喷丸强化的工艺参数有弹丸直径、喷射角度、喷射速度、覆盖率、喷射压力和弹丸流量，目前，研究这些工艺参数影响残余应力、表面粗糙度的规律不够深入，在实际喷丸强化工艺中，若要得到工程中所要求的残余应力及表面粗糙度，一般是凭借操作者的经验定好丸料的材料和硬度、喷射压力、喷丸流量等参数，只改变喷嘴移动速度及喷丸时间，然后进行大量的喷丸强化试验，根据试验结果来确定喷丸工艺参数。喷丸试验过程耗时耗力，使喷丸工艺效率较低，而且经喷丸后的零件的性能也难以满足实际要求。因此需要一种快速、准确预测残余应力等表面完整性指标的方法，以指导或替代喷丸强化工艺过程中的物理试验。
随着计算机性能的显著提升和数值模拟技术的迅速发展，使用有限元等方法进行喷丸研究逐渐开展起来，充分运用有限元软件的强大计算能力，能用来表示喷丸强化工艺参数与表面完整性参数的关系。但由于靶体形状的多样性及喷丸工艺参数的广泛性，需要对靶体材料的初始状态进行考虑，以提高预测精度和准确性。
中国专利文献CN 104866652A公开了一种基于ABAQUS的喷丸强化变形的有限元模拟方法，它是利用弹丸撞击法得到不同喷丸工艺参数下的残余应力分布，将应力分布为结果，建立喷丸强化残余应力有限元模型，为工艺参数优化奠定基础。其缺点是残余压应力场与喷丸强化工艺参数的关系模型建立过程较复杂，且未能考虑模型的初始表面形貌及硬度等参数。
中国专利文献CN 109359365A公开了一种考虑弹丸随机效应的喷丸工艺数值模拟，它利用ABAQUS的Python脚本语言进行编程，确定弹丸参数，建立喷丸强度计算方法，其缺点是没有考虑喷丸之后的表面完整性参数，它以残余应力、粗糙度结果为考核区来预测的喷丸强度，不能预测残余应力和粗糙度。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明所要解决的技术问题就是提供一种基于材料真实状态的喷丸强化表面完整性参数预测方法，它能预测不同喷丸覆盖率条件下获得的喷丸后工件表面完整性参数，且建立模型过程简单实用。
本发明所要解决的技术问题是通过这样的技术方案实现的，它包括
步骤1、根据材料实测的表面粗糙度数据点进行三维表面重构；
步骤2、依据硬度与屈服强度转化公式，将实测的硬度梯度转化为屈服强度梯度，利用Python编程语言和所得的材料局部屈服强度，为喷丸添加材料属性；
步骤3、依据X射线进行残余应力检测，将初始残余应力进行添加；
步骤4、根据喷丸过程中弹丸撞击靶体的过程，利用赫兹接触理论计算单个弹丸撞击后的弹坑半径；
步骤5、依据全覆盖率计算公式计算不同弹丸直径、弹丸流量等情况下达到全覆盖率所需要的弹丸数目；
步骤6、用步骤5计算的弹丸数目和步骤1重构的材料真实状态的材料属性，使用ABAQUS软件计算喷丸强化表面完整性参数。
本发明的技术效果是：
在考虑材料真实状态下，预测不同喷丸覆盖率下的表面完整性参数，所获得的结果准确可靠，为不同弹丸直径、弹丸流量等工艺情况下的喷丸覆盖率的选择、使用提供依据。
附图说明
本发明的附图说明如下：
图1为发明一个实施例实测的表面形貌进行的表面重构图；
图2为实施例的材料表面硬度及屈服强度随浅层深度变化的曲线图；
图3为实施例测量的残余应力随深度变化的曲线图；
图4为利用赫兹接触理论计算单个弹丸撞击后的弹坑半径计算简化示意图；
图5为实施例的有限元模型示意图；
图6为实施例以不同喷丸覆盖率计算所得的轴向残余应力分布曲线
图7为实施例以不同喷丸覆盖率计算所得的表面粗糙度；
图8为实施例以部分不同覆盖率计算残余应力与试验数据的对比图；
图9为实施例以部分不同覆盖率计算表面粗糙度与试验数据的对比图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：
实施例
本实施例以进行渗碳淬火后的18CrNiMo7-6的圆盘辊子为例，预测不同喷丸覆盖率对其表面粗糙度和残余应力的影响，包括以下步骤：
步骤1、根据表面形貌实际测量仪器，例如白光干涉仪，超景深三维探测仪等测量的表面数据，导入到Matlab软件中进行坐标变化，然后利用三维绘图软件Creo进行三维表面重构，再导入到ABAQUS软件中获得有限元模型。
如图1所示，根据白光干涉仪测量的表面粗糙度数据点，将数据点导入到Matlab中进行坐标变化，再将获得的数据点在三维绘图软件Creo中进行连接成表面，从而进行表面重构得到含真实微观形貌的靶体材料三维模型。
步骤2、依据硬度与屈服强度转化公式，将实测的硬度梯度转化为屈服强度梯度，利用Python编程语言和所得的材料局部屈服强度进行分层对靶体不同深度添加屈服强度属性。
使用维氏硬度测试法得到的硬度曲线如图2所示，纵坐标为维氏硬度值，横坐标为距离齿面的深度值，单位为毫米(mm)，总测量深度为1mm，测量值为一系列数据点，根据“Correlation of Yield Strength and Tensile Strength with Hardness forSteels”,E.J.Pavlina and C.J.V.Tyne,Journal of Materials Engineering&Performance,vol.17,pp.888-893,2008.(“钢的抗拉强度与屈服强度之间的关系”，E.J.Pavlina and C.J.V.Tyne，材料工程与性能，第888-893页，2008年)记载了维氏硬度与屈服极限的线性关系为：
σYS(y)＝-90.7+2.876HV(y)
式中，y代表齿轮深度，σYS为局部屈服强度，HV为沿深度y分布的维氏硬度值。
硬度值对于不同的材料硬度需要重新测量，因为该值与材料和热处理工艺等有关，而测量硬度值的方法众多，其他方法所获得的硬度值也可以用于本方法发明进行初始硬度添加，这里不再赘述。
步骤3、依据X射线进行残余应力检测，将初始残余应力进行添加；
用X射线衍射法得到的残余应力曲线如图3所示，纵坐标为残余应力值，单位为兆帕(MPa)；横坐标为距离齿面的深度值，单位为毫米(mm)，总测量深度为0.4mm，测量值为一系列数据点。将测量得到的残余应力数据在预应力场中使用Python编程语言进行分层对靶体不同深度添加初始残余应力，从而使得靶体获得初始残余应力。
残余应力值对于不同的材料及加工工艺需要重新测量，因为该值与材料、热处理及磨削等加工工艺有关，而测量残余应力的方法众多，这里只提供一个参考的实施例，其他方法所获得的残余应力值也可以用于本方法发明进行初始硬度添加，这里不再赘述。
步骤4、根据喷丸过程中弹丸撞击靶体的过程，利用赫兹接触理论计算单个弹丸撞击后的弹坑半径。
根据“Hertzian contact of anisotropic bodies”,J.R.Willis,Journal ofThe Mechanics and Physics of Solids,vol.14,pp.163-176,1996.(“各向异性体的赫兹接触”，J.R.Willis，固体力学与物理杂志，第163-176页，1996年)记载了等效弾性模量的计算公式为：
式中，
为等效弹性模量，Es，Et为弹丸和靶体的弹性模量，vs，vt为弹丸和靶体的泊松比。
根据“Investigation on experiments and numerical modelling of theresidual stress distribution in deformed surface layer of Ti–6Al–4V aftershot peening”,L.Xie,J.Zhang,C.Xiong,L.Wu,C.Jiang,W.Lu,Materials and Design,vol.41,pp.314-318,2012.(“Ti-6Al-4V喷丸后变形表面层残余应力分布的实验与数值模型研究”，L.Xie,J.Zhang,C.Xiong,L.Wu,C.Jiang,W，材料和设计，第314-318页，2012年)记载了弹丸的喷射速度和喷射压力、弹丸流量、弹丸直径之间的关系式为：
式中，V是弹丸的喷射速度，p是喷丸机的喷射空气压力，m是弹丸流量，D是弹丸直径。
根据“The development of a finite element model to simulate thesliding interaction between two,three-dimensional,elastoplastic”,A.Faulknerand R.D.Arnell,Wear,vol.242,pp.114-122,2000.(“开发有限元模型以模拟二维，三维弹塑性之间的滑动相互作用”，A.Faulkner and R.D.Arnell，磨损，第114-122页，2000年)记载了单个弹丸撞击靶体后的弹坑计算式为：
式中，a是弹坑半径，K是能量系数，取0.8，ρs是弹丸密度，取7.85×106kg/m3
利用赫兹接触理论确定的弹丸撞击后的弹坑直径如图4所示，图4中D为弹丸直径，a是弹坑半径，Fn是冲击力，Ff是摩擦力，通过上述公式计算不同工艺条件情况下的单个弹坑直径大小。
弹坑半径a包含有弹丸的喷射速度V和材料弹性模量E，弹丸的喷射速度V又跟喷射空气压力p、弹丸流量m、弹丸直径D有关。所以本发明是喷丸强化工艺参数的综合反映。
步骤5、利用覆盖率计算公式计算不同覆盖率情况下所需要的弹丸数目。
根据“Predicting shot peening coverage using multiphase computationalfluid dynamics simulations”,V.B.Nguyen,H.Poh,Y.W.Zhang,Powder Technology,vol.256,pp.100-112,2014.(“使用多相计算流体动力学模拟预测喷丸覆盖率”，V.B.Nguyen,H.Poh,Y.W.Zhang，粉末技术，第100-112页，2014年)记载了全覆盖率与弹丸数量之间的关系，根据计算全覆盖率下所需的弹丸数量，来推导其他覆盖率情况下所需的弹丸数量：
式中，C是全覆盖率，以98％视为全覆盖，a是单个弹丸撞击靶体的弹坑直径，N是达到全覆盖率所需的弹丸数目，其中达到200％覆盖率的弹丸数量为100％的两倍，并以此类推。
步骤6、用步骤5计算的弹丸数目和步骤1重构的材料真实状态的材料属性，使用ABAQUS软件计算喷丸强化表面完整性参数。
根据“Effect of shot peening coverage on residual stress and surfaceroughness of18CrNiMo7-6 steel”,J.Z.Wu,H.Liu,P.Wei,Q.Lin,S.Zhou,InternationalJournal of Mechanical Sciences,MS_105785,2020.(“喷丸覆盖率对18CrNiMo7-6钢残余应力和表面粗糙度的影响”，J.Z.Wu,H.Liu,P.Wei,Q.Lin,S.Zhou，国际机械科学杂志，第MS_105785)记载了随机多弹丸喷丸建模方法。图5为结合Python语言，在ABAQUS软件中建立的随机多弹丸冲击有限元模型，其中为了抵消计算过程中应力冲击波的影响，最外层网格划分为能够抵消应力波冲击影响的无限单元网格(CIN3D8)，为了节省计算精度，在中间划分C3D8R型的过渡区域网格，喷丸区域为细化的C3D8R型的六面体网格。
由于轴向、切向残余应力均能通过提取喷丸区域所以结点数据进行取平均值的方法进行提取，本实施例只提取了轴向残余应力分布，计算得出不同喷丸覆盖率的轴向残余应力的分布曲线如图6所示，由图6可以看出：计算得出的残余应力曲线和测量的趋势几乎一致，并随着覆盖率增加，表层残余应力逐渐增加。
由于各种表面粗糙度参数均能进行计算，本实施例仅使用Sa，计算得出不同喷丸覆盖率的三维表面粗糙度参数Sa大小如图7所示。
同样地，切向残余应力也能提取，其他表面粗糙度参数也能计算，这里不再赘述；
选取参数为喷丸覆盖率，本发明得到的轴向残余应力与试验得到的残余应力对比图见图8，从图8看出：本发明与实验得出的残余应力数据的差距很小，验证了本方法发明用于残余应力的预测的准确性。
选取参数为喷丸覆盖率，本发明得到的表面粗糙度Sa与试验得到的表面粗糙度Sa对比图见图9，从图9看出：本发明与实验得出的表面粗糙度数据的差距很小，验证了本方法发明用于表面粗糙度的预测的准确性。
Claims (5)
1.一种基于材料真实状态的喷丸强化表面完整性参数预测方法，其特征是，包括以下步骤：
步骤1、根据材料实测的表面粗糙度数据点进行三维表面重构；
步骤2、依据硬度与屈服强度转化公式，将实测的硬度梯度转化为屈服强度梯度，利用Python编程语言和所得的材料局部屈服强度，为喷丸添加材料属性；
步骤3、依据X射线进行残余应力检测，将初始残余应力进行添加；
步骤4、根据喷丸过程中弹丸撞击靶体的过程，利用赫兹接触理论计算单个弹丸撞击后的弹坑半径；
步骤5、依据全覆盖率计算公式计算不同弹丸直径、弹丸流量等情况下达到全覆盖率所需要的弹丸数目；
步骤6、用步骤5计算的弹丸数目和步骤1重构的材料真实状态的材料属性，使用ABAQUS软件计算喷丸强化表面完整性参数。
2.根据权利要求1所述的喷丸强化表面完整性参数预测方法，其特征是，在步骤1中，所述三维表面重构的过程是：根据表面形貌实际测量仪器测量的表面数据，导入到Matlab软件中进行坐标变化，然后利用三维绘图软件Creo进行三维表面重构，再导入到ABAQUS软件中获得有限元模型。
3.根据权利要求2所述的喷丸强化表面完整性参数预测方法，其特征是：在步骤2中，所述硬度与屈服强度转化公式为：
σYS(y)＝-90.7+2.876HV(y)
式中，y代表沿齿面向下的深度，σYS(y)为材料局部屈服强度，HV(y)为沿深度y分布的维氏硬度值。
4.根据权利要求1、2或3所述的喷丸强化表面完整性参数预测方法，其特征是：在步骤4中，等效弹性模量为：
式中，
为等效弹性模量，Es，Et为弹丸和靶体的弹性模量，vs，vt为弹丸和靶体的泊松比；
弹丸的喷射速度和喷射压力、弹丸流量、弹丸直径之间的关系式为：
式中，V是弹丸的喷射速度，p是喷丸机的喷射空气压力，m是弹丸流量，D是弹丸直径；
单个弹丸撞击靶体后的弹坑计算式为：
式中，a是弹坑半径，K是能量系数，取0.8，ρs是弹丸密度。
5.根据权利要求4所述的喷丸强化表面完整性参数预测方法，其特征是：在步骤5中，全覆盖率与弹丸数量之间的关系式为：
式中，C是全覆盖率，a是单个弹丸撞击靶体的弹坑半径，N是该覆盖率所需的弹丸数目。
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2020
- 2020-06-02 CN CN202010490817.7A patent/CN111651921A/zh active Pending
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