超声喷丸强化机理的研究

随着现代工业技术的发展,人们对机械装备的安全可靠性能和寿命要求越来越高。机械装备,如飞机、装甲车、船舶、机车、汽车、内燃机、汽轮机、冶金机械、石油机械、采煤机械、矿山机械等,其中凡是承受循环载荷的重要承力件随时可能出现疲劳断裂失效,其后果不仅造成财产损失还会导致人员伤亡,因此提高机械零部件的疲劳强度和寿命具有重大意义。喷丸形变强化工艺是通过对零件表层实施冷挤压而使表层冷作硬化和产生残余压应力,目前该技术已被证明能显著提高零件抗疲劳性能和抗应力腐蚀能力,延长零件使用寿命。时至今日,喷丸形变强化工艺已经成为现代零部件不可缺少的加工制造工艺,是衡量和评价一个国家的机器制造工艺技术水平的标志之一。 传统的喷丸工艺由于自身存在一些难以解决的缺点,导致新的喷丸方式不断涌现。利用超声波能量进行喷丸强化的工艺技术目前已经显示具有很多优点,例如工作过程中丸粒几乎无破损,无粉尘污染,且可重复利用多次;设备体积小,耗能低,甚至可以做成便携式,因此可以投入生产线或进行现场作业;可以用简单的设备处理各种复杂形状,如带有复杂型腔的工件等。 本文以验证超声喷丸强化能力和研究超声喷丸强化机理为出发点,进行了超声喷丸实验设备的设计、制造和喷丸能力实验,对超声喷丸强化机理进行理论探讨,并通过有限元软件ANSYS/LS-DYNA对超声喷丸过程进行仿真分析。主要研究内容有: 1.根据弹塑性力学、接触力学和塑性动力学理论对超声喷丸强化机理进行理论探讨,按理论公式推导了固定喷丸参数前提条件下对应的试件内部的残余压应力分布状况。理论计算结果与实际的应力分布趋势相同,数值也十分相近。 2.将超声喷丸过程简化为1、2、9和13个丸粒撞击试件的模型,应用ANASYS/LS-DYNA软件对过程进行有限元仿真。得出了丸粒直径增加或丸粒密度增大,可以使残余应力层和最大残余压应力值增加;当两丸粒中心距小于丸粒直径时,撞击区域相互作用不可忽略;喷丸覆盖率对强化效果有重要影响,覆盖率低于100%时,会在相邻撞击区域之间产生特定方向的拉应力,降低喷丸强化效果。 3.运用变幅杆设计的理论,根据变幅杆两个端面的直径,设计出超声喷丸实验设备用阶梯形变幅杆。根据振动理论和有限元方法,借助于有限元软件ANSYS进行变幅杆的模态分析和谐响应分析。同时设计了超声喷丸实验设备的外部支架,以及试验用喷丸室。 4.建立了一套喷丸冲击力实验测量系统。关键组成部分包括超声波发生器、换能器、变幅杆和喷丸室。在受喷件表面中心处安装压电式冲击力传感器,测量喷丸冲击力,用电荷放大器把信号放大,由数字示波器采集和记录喷丸冲击力信号。将理论计算、有限元分析和实验测量结果三者相比较,得出了有限元分析和理论计算结果都很接近实验测量的结果。 5.利用试验装置进行超声喷丸实验,对喷丸前后的试件进行表面残余压应力、表面粗糙度精度和表面形态检测。结果显示,超声喷丸强化工艺可以极大提高金属试件表层的残余压应力,而仅会导致表面粗糙度参数的微小升高,但同时会使表面粗糙度状况更趋均匀。