CN118036402A - 基于仿真与试验的喷丸覆盖率计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于仿真与试验的喷丸覆盖率计算方法，将喷丸强度确定后的参数作为喷丸强化设备输入参数，以基于喷丸流量、喷枪移动速度和喷丸面积，结合弹坑直径可计算不同喷丸参数下钛合金试件喷丸处理后的覆盖率，其中最小覆盖率应保证小于或等于100％，并以喷丸标准83％和98％覆盖率标准图片进行验证，以此为基准计算其他组喷丸参数下的覆盖率。本发明公开了一种基于仿真与试验的喷丸覆盖率计算方法，可快速计算特定喷丸加工参数下喷丸覆盖率，且喷丸覆盖率可精确到个位数的数量级，而不是以往的大于100％等描述性表述。对喷丸强化工艺效果及工艺优化研究提供了精确的表述方式及技术支持。

Description

基于仿真与试验的喷丸覆盖率计算方法

技术领域

本发明涉及机械制造强化加工领域。更具体地说，本发明涉及一种基于仿真与试验的喷丸覆盖率计算。

背景技术

喷丸覆盖率即喷丸表面覆盖率是受喷零件表面上弹丸坑占据的面积与受喷表面总面积之比值，以百分数表示。通常以达到98％的覆盖率作为100％的判定准则，在此基础上将喷丸时间乘以1.25倍，作为喷丸完全覆盖时间，即覆盖率为100％。

现有技术的客观缺点：喷丸强化加工通用参数为喷丸强度和覆盖率，喷丸强度可基于阿尔门试片以喷丸强化加工设备输入量确定；而确定喷丸强度后喷丸覆盖率却无法简单确定。

目前以目视法确定试样或零件的小于100％的表面覆盖率，即采用10倍以上(含10倍)的放大镜、内窥镜、荧光液或荧光笔、聚氯乙烯覆膜等方法检测表面覆盖率图样，并与图4中所示的喷丸试样不同表面覆盖率形貌标准图样进行对比，以判断其覆盖率。若覆盖率大于100％，弹丸坑相互叠加，则采用目视法无法判断具体覆盖率值，只能以经验进行估算，准确率较低。

即使确定了100％的覆盖率，也只能通过调节喷丸强化时间实现不同的覆盖率；若改变其他的喷丸设备输入参数(如气压、流量等)，则需要重新确定覆盖率为100％的具体参数，再进一步迭代以获得需要的覆盖率值，程序繁琐复杂。

发明内容

本发明的一个目的是解决至少上述问题和/或缺陷，并提供至少后面将说明的优点。

为了实现本发明的这些目的和其它优点，提供了一种基于仿真与试验的喷丸覆盖率计算方法，将喷丸强度确定后的参数作为喷丸强化设备输入参数，以基于喷丸流量、喷枪移动速度和喷丸面积，结合弹坑直径可计算不同喷丸参数下钛合金试件喷丸处理后的覆盖率，其中最小覆盖率应保证小于或等于100％，并以喷丸标准83％和98％覆盖率标准图片进行验证，以此为基准计算其他组喷丸参数下的覆盖率。

优选的是，设定参数下的喷丸覆盖率C通过下式中的喷枪经过时间段内弹丸冲击弹坑面积总和与试片加工面面积的比值计算得到：

上式中，S为全部弹丸质量，V为单个弹丸质量，r为弹坑半径，k为有效系数，所述有效系数指弹丸击打到试件加工表面的比例，Ft为修正系数，所述修正系数是与HB/Z 26-2011中的83％、98％覆盖率标准图片对比拟合的系数；

所述弹坑半径r通过有限元分析软件建立喷丸强化过程的三维有限元模型获得。

优选的是，全部弹丸质量S通过下式得到：

上式中，q为弹丸流量，v为喷枪移动速度；

所述单个弹丸质量V通过下式得到：

上式中，R为弹丸半径，ρ为弹丸密度。

优选的是，所述三维有限元模型用于对单弹丸进行仿真验证，在验证时通过将下式获得的弹丸平均速度Vs加载到弹丸上来完成冲击仿真：

上式中，所述p为喷丸压力，d为弹丸直径，q为弹丸流量。

优选的是，基于三维有限元模型计算得到的弹坑半径r，可对通过喷丸覆盖率C计算公式得到的喷丸覆盖率进行验证；

优选的是，所述验证方式为：

S1、通过规划两组能够获得饱和喷丸强度的喷丸强化设备输入参数作为输入量，对试片进行喷丸强化加工；

S2、对试件喷丸后的表面使用电子放大镜进行观察，以得到对应将覆盖率电子照片；

S3、将覆盖率电子照片与HB/Z 26-2011中的83％、98％覆盖率标准图片进行比较；

S4、根据喷丸覆盖率C计算公式覆盖率，将计算得到的覆盖率图片、覆盖率电子照片分别与HB/Z 26-2011中的83％、98％覆盖率标准图片进行比较，以对计算得到的覆盖率图片准确性进行验证。

本发明至少包括以下有益效果：本发明可快速计算特定喷丸加工参数下喷丸覆盖率，且喷丸覆盖率可精确到个位数的数量级，而不是以往的大于100％等描述性表述。对喷丸强化工艺效果及工艺优化研究提供了精确的表述方式及技术支持。

本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明

图1为直喷枪覆盖率计算示意图；

图2为旋转喷枪覆盖率计算示意图；

图3为本发明的覆盖率验证示意图；

图4为现有技术中喷丸试样不同表面覆盖率形貌标准图样。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

为了克服现有喷丸覆盖率计算准确率低及程序繁琐复杂的不足，本项目结合喷丸仿真和试验，提出了一种快速准确计算喷丸覆盖率的方法，并通过了试验验证，为喷丸强化研究提供了技术支持。

1.覆盖率计算

喷丸覆盖率是指喷丸强化后零件表面弹痕所占面积与总面积的百分比。通常情况下，金属表面喷丸强化表面覆盖率应达到或超100％，即喷丸强化必须至少要达到饱和状态。

本项目中所采用喷丸强化设备输入参数都是喷丸强度确定后的参数。根据喷丸流量、喷枪移动速度和喷丸面积，结合弹坑直径可计算不同喷丸参数下钛合金试件喷丸处理后的覆盖率，其中最小覆盖率应保证小于或等于100％，并以喷丸标准HB/Z 26-2011中的83％和98％覆盖率标准图片进行验证，以此为基准计算其他组喷丸参数下的覆盖率。

喷丸强化加工设备为非标设备，为了对各种零件进行强化加工，喷枪也被设计成不同的类型，其中具有典型代表性的为直喷枪和旋转喷枪。

对于直喷枪，如图1所示，喷枪A与阿尔门试片B保持固定距离，喷枪以一定速度从试片加工面C一侧移动通过，弹丸流D从喷枪口冲出击打到阿尔门试片上，图1中红色箭头所示为喷枪移动方向。

对于旋转喷枪，如图2所示，喷枪E与阿尔门试片F保持固定距离，喷枪自转的同时以一定速度从试片加工面G一侧移动通过，弹丸流H以喷枪切线方向冲击到阿尔门试片上，图2中红色箭头所示为喷枪移动方向。

通过计算喷枪经过时间段内弹丸冲击弹坑面积总和与试片加工面面积的比值，即可获得设定参数下的覆盖率。计算方法如公式(1)所示。

其中，全部弹丸质量为

单个弹丸质量为

式中：C—喷丸覆盖率；

q—弹丸流量；

v—喷枪移动速度；

r—弹坑半径；

k—有效系数，指弹丸击打到试件加工表面的比例，与喷枪枪口和加工表面的举例h有关；

Ft—修正系数，与83％和98％覆盖率标准图片对比拟合的系数；

R—弹丸半径；

ρ—弹丸密度。

基于覆盖率计算公式(1)，结合弹坑半径r即可将各喷丸强化设备输入参数下的覆盖率计算得到。

2.单弹丸仿真

本项目利用大型有限元分析软件Abaqus建立喷丸强化过程的三维有限元模型，以获得喷丸覆盖率计算所需要的弹坑半径r。喷丸时在一定的射流速度下弹丸撞击试样表面时，在Abaqus中通过定义弹丸初速度来模拟弹丸在冲击载荷作用下试样表面的喷射过程，从而对试样表面产生冲击载荷。实际喷丸试验中采用气动式喷丸设备，弹丸的喷射速度主要受弹丸直径、弹丸流量、喷丸压力及弹丸材料等因素的影响。因此，需要将实际喷丸过程中的各相关系数转化为有限元模拟中所需的弹丸平均速度。本项目采用式(4)所示的弹丸平均速度经验公式，该公式可以通过弹丸直径、弹丸流量、和喷丸压力三个参数来计算弹丸平均速度。

式中：Vs—弹丸速度(m/s)；

p—喷丸压力(MPa)；

d—弹丸直径(mm)；

q—弹丸流量(kg/min)。

喷丸强化过程的三维有限元模型是基础的冲击仿真，在建模时将求解的弹丸平均速度加载到弹丸上，此处不再对其建模过程详细说明。

结合三维有限元模型分析结果，可以在弹丸冲击区域的塑形变形区域计算其弹坑直径。

3.喷丸覆盖率计算验证

依据单弹丸仿真时计算得到的弹坑半径r，可对基于式(1)的喷丸覆盖率计算进行验证。

以旋转喷枪喷丸加工为例，规划两组能够获得饱和喷丸强度的喷丸强化设备输入参数作为输入量，对试片进行喷丸强化加工。对试件喷丸后的表面使用电子放大镜进行观察，将覆盖率电子照片与标准中的图片进行比较，同时根据公式计算其覆盖率，其对比如图4所示。可以看到覆盖率计算值与标准相似度非常高。

本发明依据计算公式，可计算针对不同金属材料的不同喷丸强化加工设备输入参数下的覆盖率，此计算方法可用于喷丸强化加工研究中参数的科学性确定

以上方案只是一种较佳实例的说明，但并不局限于此。在实施本发明时，可以根据使用者需求进行适当的替换和/或修改。

这里说明的设备数量和处理规模是用来简化本发明的说明的。对本发明的应用、修改和变化对本领域的技术人员来说是显而易见的。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用。它完全可以被适用于各种适合本发明的领域。对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改。因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (6)

1.一种基于仿真与试验的喷丸覆盖率计算方法，其特征在于，将喷丸强度确定后的参数作为喷丸强化设备输入参数，以基于喷丸流量、喷枪移动速度和喷丸面积，结合弹坑直径可计算不同喷丸参数下钛合金试件喷丸处理后的覆盖率，其中最小覆盖率应保证小于或等于100％，并以喷丸标准83％和98％覆盖率标准图片进行验证，以此为基准计算其他组喷丸参数下的覆盖率。

2.如权利要求1所述的基于仿真与试验的喷丸覆盖率计算方法，其特征在于，设定参数下的喷丸覆盖率C通过下式中的喷枪经过时间段内弹丸冲击弹坑面积总和与试片加工面面积的比值计算得到：

上式中，S为全部弹丸质量，V为单个弹丸质量，r为弹坑半径，k为有效系数，所述有效系数指弹丸击打到试件加工表面的比例，Ft为修正系数，所述修正系数是与HB/Z 26-2011中的83％、98％覆盖率标准图片对比拟合的系数；

所述弹坑半径r通过有限元分析软件建立喷丸强化过程的三维有限元模型获得。

3.如权利要求2所述的基于仿真与试验的喷丸覆盖率计算方法，其特征在于，全部弹丸质量S通过下式得到：

上式中，q为弹丸流量，v为喷枪移动速度；

所述单个弹丸质量V通过下式得到：

上式中，R为弹丸半径，ρ为弹丸密度。

4.如权利要求2所述的基于仿真与试验的喷丸覆盖率计算方法，其特征在于，所述三维有限元模型用于对单弹丸进行仿真验证，在验证时通过将下式获得的弹丸平均速度Vs加载到弹丸上来完成冲击仿真：

上式中，所述p为喷丸压力，d为弹丸直径，q为弹丸流量。

5.如权利要求2所述的基于仿真与试验的喷丸覆盖率计算方法，其特征在于，基于三维有限元模型计算得到的弹坑半径r，可对通过喷丸覆盖率C计算公式得到的喷丸覆盖率进行验证。

6.如权利要求5所述的基于仿真与试验的喷丸覆盖率计算方法，其特征在于，所述验证方式为：

S1、通过规划两组能够获得饱和喷丸强度的喷丸强化设备输入参数作为输入量，对试片进行喷丸强化加工；

S2、对试件喷丸后的表面使用电子放大镜进行观察，以得到对应将覆盖率电子照片；

S3、将覆盖率电子照片与HB/Z 26-2011中的83％、98％覆盖率标准图片进行比较；

S4、根据喷丸覆盖率C计算公式覆盖率，将计算得到的覆盖率图片、覆盖率电子照片分别与HB/Z 26-2011中的83％、98％覆盖率标准图片进行比较，以对计算得到的覆盖率图片准确性进行验证。