噴丸試件表面粗糙度與殘余應(yīng)力相關(guān)性研究*

邱欽宇，王建明，鄭林彬

(山東大學(xué) 機械工程學(xué)院 CAD/CAM研究所，濟南 250061)

0 引言

2024鋁合金是一種高強度硬鋁，具有良好的疲勞強度，被廣泛應(yīng)用到航空制造業(yè)，通過噴丸對其進行強化處理，可以進一步提高抗疲勞性能。噴丸利用丸粒對材料表面的撞擊，引起材料表層的塑性變形，產(chǎn)生相應(yīng)的殘余壓應(yīng)力層，通常被認為是提升材料疲勞壽命的主要原因，而噴丸處理不可避免的造成工件表面粗糙度的增加則是影響材料疲勞壽命的不利因素，對此國內(nèi)外學(xué)者已做了大量的實驗與仿真研究，高玉魁研究發(fā)現(xiàn)不同的丸粒尺寸和種類會造成304奧氏體不銹鋼不同程度的結(jié)構(gòu)變化和不同相位的殘余應(yīng)力[1],同年高玉魁又針對鈦合金TC18材料進行噴丸實驗研究，得出不同的噴丸強度下TC18殘余壓應(yīng)力最大值具有一定的穩(wěn)定性，而交變載荷與熱處理會造成殘余應(yīng)力的松弛[2]；倪紅芳等針對304不銹鋼焊接頭進行噴丸處理，結(jié)果表明噴丸降低了焊接件的應(yīng)力腐蝕開裂程度[3]；楊磊等針對純鈦材料進行噴丸表面粗糙度實驗研究，結(jié)果表明表明粗糙度隨著噴丸時間先增大后減小最終趨于穩(wěn)定[4]；王欣等針對鈦合金TC4材料進行噴丸殘余應(yīng)力實驗研究，發(fā)現(xiàn)增大覆蓋率能使最大殘余壓應(yīng)力值有所增大[5]； Llaneza等研究了淬火與回火鋼表面噴丸粗糙度效果，發(fā)現(xiàn)丸粒尺寸減少能使粗糙度下降明顯[6]。Meguid等 建立單丸粒有限元模型，得到了壓應(yīng)力層深度，表層與次表層殘余應(yīng)力受丸粒速度和尺寸的影響關(guān)系[7]；Majzoobi等利用LS-DYNA建立多丸粒數(shù)值模型，仿真得到殘余壓應(yīng)力輪廓與噴丸速度及覆蓋率的相關(guān)關(guān)系[8]。凌祥等使用ABAQUS建立三維有限元模型對噴丸殘余應(yīng)力進行仿真，通過改變噴丸參數(shù)得出相應(yīng)參數(shù)的影響結(jié)果[9]； Dai等采用多丸粒有限元模型模擬噴丸過程中表面形貌的峰谷變形[10]；張建榮等建立單丸粒噴丸模型，基于該模型提出了預(yù)測粗糙度特征值Ra的一種算法，得出Ra值與丸粒直徑、噴射氣壓以及噴嘴距離的相關(guān)性[11]。

上述學(xué)者的研究大多僅涉及噴丸處理對工件表面殘余應(yīng)力或表面粗糙度單方面的影響，未討論噴丸殘余應(yīng)力與表面粗糙度兩者的相關(guān)性。本文擬通過實驗和數(shù)值仿真的方法研究不同噴丸參數(shù)對噴丸試件表面粗糙度和殘余應(yīng)力的影響，進而探究噴丸表面粗糙度與殘余應(yīng)力之間的相關(guān)性，為選擇合理的噴丸參數(shù)以達到既能增強噴丸殘余應(yīng)力又可有效抑制其表面粗糙度增加的噴丸方案提供依據(jù)。

1 噴丸實驗

1.1 噴丸鋁合金試樣

試件材料為2024鋁合金,尺寸為76mm×19mm×2.5mm，單面噴丸，其力學(xué)性能參數(shù)見表1。σb—抗拉強度，MPa；σs—屈服強度，MPa；布氏硬度 (Brinell Hardness，HBS)。彈丸材料為410不銹鋼，靶材與彈丸硬度差距較大，可產(chǎn)生較為明顯的噴丸結(jié)果。

表1 2024鋁合金力學(xué)性能參數(shù)

1.2 噴丸實驗

實驗噴丸裝置為離心式歐文噴丸機，丸粒拋出速度為61m/s。分別使用直徑為0.3mm、0.5mm、0.6mm的彈丸對試件進行覆蓋率為100%的噴丸。噴丸后的試件表面如圖1所示。

圖1 受噴試件表面

1.3 粗糙度測量

試件表面粗糙度采用Wyko-NT9300光學(xué)輪廓儀測量，如圖2所示。通過該光學(xué)輪廓儀可直接得到試件表面粗糙度Ra實測結(jié)果，圖3、圖4分別為某試件噴丸前、后表面輪廓二維云圖，圖5、圖6為該試件噴丸前、后三維云圖。3組試件表面粗糙度Ra實測結(jié)果見表2(彈丸直徑為r，mm；粗糙度平均值為Raavg，μm)。

圖2 Wyko-NT9300光學(xué)輪廓儀

圖3 噴丸前試件表面輪廓二維云圖

圖4 噴丸后試件表面輪廓二維圖

圖5 噴丸前試件表面輪廓三維圖

圖6 噴丸后試件表面輪廓三維圖

r/mmRa/μmRa1Ra2Ra3Raavg/μm0.38.037.778.007.9330.59.9910.0210.6210.2030.612.3212.4811.4112.070

由表2數(shù)據(jù)可以看出，丸粒直徑越大，試件表面粗糙度Ra越高。另外對試件噴丸前的表面粗糙度也進行了測量，相應(yīng)的表面粗糙度Ra僅為0.534μm，由此可知，相對于未噴丸試件，噴丸試件的表面粗糙度顯著增加。

1.4 殘余應(yīng)力測量

使用X-350A型X射線應(yīng)力分析儀測量噴丸試件的殘余應(yīng)力，由于X射線對試件的穿透能力有限，只能測量最表層殘余應(yīng)力，故使用XF-1型電解拋光機對試件進行剝層處理，以25μm作為一個層深進行電解剝層，剝層厚度分別取0μm、25μm、50μm…500μm，分別針對上述丸粒直徑0.3mm、0.5mm、0.6mm的三組噴丸試件進行殘余應(yīng)力測量，做出散點圖，進行曲線擬合，從而得到噴丸殘余應(yīng)力沿深度的分布，如圖7所示。圖7的3條殘余應(yīng)力曲線均呈“勾”形，其中表層為殘余壓應(yīng)力，壓應(yīng)力值隨深度的增加而增加，達到峰值后隨深度的增加而減少并由逐漸由壓應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)槔瓚?yīng)力，深度繼續(xù)增加，應(yīng)力值趨于零。

圖7 噴丸殘余應(yīng)力分布實驗結(jié)果

圖7中，對應(yīng)丸粒直徑為0.3mm、0.5mm、0.6mm的殘余壓應(yīng)力最大值分別為173MPa、198MPa、216MPa，其殘余壓應(yīng)力最大深度分別位于75μm、100μm、125μm處，即噴丸殘余壓應(yīng)力最大值隨丸粒直徑的增大而增加；殘余壓應(yīng)力最大值深度也隨丸粒直徑的增大而加深。

2 數(shù)值模擬及模型驗證

2.1 噴丸數(shù)值模擬建模

根據(jù)上述實驗工況，采用ABAQUS進行有限元建模。對丸粒采用偏置建模法，建立9丸粒對稱3D有限元模型，定義彈丸沖擊順序為1+4+4，其第2～9丸粒與第1丸粒的圓心平面距離均為丸粒半徑(d/2)，搭接率為1/2，使得彈丸撞擊區(qū)內(nèi)噴丸覆蓋率達到100%，彈丸單元類型采用C3D4線性四面體單元。對靶材建立六面體有限元模型，其底面使用固定約束，單元類型為C3D8R減縮積分六面體單元。為保證噴丸數(shù)值模擬精度，噴丸區(qū)內(nèi)靶材單元尺寸小于彈丸直徑的1/15。定義彈丸與靶材為面—面接觸類型，使用罰函數(shù)算法，摩擦因數(shù)設(shè)為0.2，丸粒沖擊速度為61m/s，與實驗相同。丸粒和靶材參數(shù)設(shè)置見表3。

表3 丸粒和靶材參數(shù)設(shè)置

由于噴丸為高速撞擊過程，其靶材表層將發(fā)生塑性變形，且應(yīng)變速率高，故選用Johnson-Cook材料本構(gòu)模型，與靶材的應(yīng)變過程相適應(yīng)。噴丸有限元模型見圖8。

圖8 丸粒噴丸數(shù)值模擬模型

2.2 粗糙度數(shù)值模擬及模型驗證

(1)丸粒直徑對粗糙度的影響

為獲得準確的Ra，針對不同粒徑的仿真均定義4條采樣路徑，其中路徑1如圖9所示，路徑2～4均過靶件表面中心點，與路徑1分別成90°、45°、-45°角。

圖9 靶材受噴區(qū)表面塑性變形云圖

仿真得到5種丸粒噴丸后靶材表面粗糙度Ra的模擬值，將Ra的模擬值和實驗值均列于表4(r表示彈丸直徑，mm；Raavg為4條路徑粗糙度的平均值，μm；δ表示相對誤差)。比較表4 的模擬值和實驗值可以看出，隨著丸粒直徑的增加，兩者對應(yīng)靶材表面粗糙度Ra值均增大，其數(shù)值相對誤差分別為16.7%、2.5%、4.3%，說明兩者的變化趨勢相一致，對應(yīng)的數(shù)值也相差不大。此結(jié)果驗證了上述有限元模型及粗糙度模擬值的正確性及有效性，可利用該模型進一步開展噴丸表面粗糙度的數(shù)值研究。

表4 5種粒徑下粗糙度Ra模擬值及實驗值

(2)噴丸速度對粗糙度的影響

由于上述噴丸實驗中所使用的離心式歐文噴丸機的噴丸速度不便調(diào)節(jié)，其噴丸速度設(shè)置為61m/s，故在此采用經(jīng)實驗驗證過的上述仿真模型開展不同噴丸速度對粗糙度影響的研究。由表4可以看出，丸粒直徑為0.5mm時的模擬值與實驗值最為接近，故模型中的丸粒直徑設(shè)為0.5mm，噴丸速度分別取40m/s、50m/s、61m/s、75m/s、90m/s，上述噴丸速度的選取與現(xiàn)有噴丸機的常規(guī)工作范圍相適應(yīng)。

5種噴丸速度對應(yīng)的靶材表面粗糙度模擬數(shù)值如表5所示。

表5 噴丸速度對粗糙度值的影響

由表5可知，隨著噴丸速度的增加，靶材表面粗糙度增大。

2.3 殘余應(yīng)力數(shù)值模擬及模型驗證

(1)丸粒直徑對殘余應(yīng)力的影響

利用上述圖7所示數(shù)值模型進一步開展噴丸殘余應(yīng)力數(shù)值模擬。

為得到殘余應(yīng)力沿深度的分布結(jié)果，殘余應(yīng)力采集路徑沿靶材厚度方向選取，所選路徑截面如圖10所示，分別沿靶材表面橫、縱方向選取7個截面，共形成49條殘余應(yīng)力路徑陣列，對相同深度所有路徑上的殘余應(yīng)力取平均值，從而得到殘余應(yīng)力沿深度的分布曲線。

為了驗證噴丸殘余應(yīng)力分布數(shù)值模擬結(jié)果的有效性，分別建立了0.3mm、0.5mm、0.6mm直徑有限元模型，丸粒撞擊速度為61m/s，與實驗相同。

圖10 殘余應(yīng)力分析路徑的選取

3種不同丸粒的噴丸殘余應(yīng)力模擬值和實驗值的對照結(jié)果分別如圖11～圖13所示。

圖11 粒徑0.3mm殘余應(yīng)力實驗值與模擬值對比

圖12 粒徑0.5mm殘余應(yīng)力實驗值與模擬值對比

圖13 粒徑0.6mm殘余應(yīng)力實驗值與模擬值對比

由圖11～圖13可以看出，對應(yīng)3種粒徑的噴丸殘余應(yīng)力模擬值與實驗值均較為吻合，對應(yīng)3粒徑的噴丸殘余壓應(yīng)力最大模擬值分別為-173.11MPa、-199.54 MPa、-226.36 MPa，與實驗值的相對誤差分別為0.063%、0.078%、4.79%，其殘余壓應(yīng)力最大值所處深度分別為64μm、91μm、107μm，與實驗值的相對誤差分別為14.6%、9%、14.4%。故利用上述噴丸數(shù)值模型進行噴丸殘余應(yīng)力數(shù)值模擬的正確性和有效性得到了驗證。

將3種粒徑的噴丸殘余應(yīng)力模擬值繪于圖14。

圖14 不同粒徑噴丸殘余應(yīng)力分布模擬結(jié)果

對照圖14和圖7可知，噴丸殘余應(yīng)力分布輪廓的模擬值與實驗值具有相似的形態(tài)與趨勢，均為“勾”形曲線，其噴丸最大殘余壓應(yīng)力值隨丸粒直徑的增大而增加，最大殘余壓應(yīng)力深度也隨粒直徑的增大而加深。

(2)噴丸速度對殘余應(yīng)力的影響

采用0.5mm直徑丸粒模型進行不同速度噴丸數(shù)值模擬分析，速度設(shè)定與粗糙度分析時一致，結(jié)果如圖15、圖16所示。

圖15 不同噴丸速度對殘余應(yīng)力的影響

圖16 不同噴丸速度對殘余應(yīng)力的影響

由圖15、圖16可以看出，隨著噴丸速度的增加，殘余應(yīng)力的最大值隨之增加，最大殘余應(yīng)力的深度也有一定程度的增加，而殘余應(yīng)力的總體深度也在增加。由圖16還可以發(fā)現(xiàn)，撞擊速度較大時，丸粒重復(fù)撞擊的疊加效應(yīng)增強，表現(xiàn)為殘余應(yīng)力的波動增大。

3 噴丸殘余應(yīng)力與粗糙度相關(guān)性分析

噴丸作為一種表面強化工藝，其產(chǎn)生的殘余壓應(yīng)力有利于改善材料的疲勞壽命，而引起粗糙度的增大將對提高疲勞壽命有著不利的影響，而分析噴丸殘余應(yīng)力與粗糙度的相關(guān)性，可以較好地評價不同噴丸參數(shù)的綜合影響，從而有助于優(yōu)化噴丸參數(shù)。

3.1 最大殘余應(yīng)力值與粗糙度的關(guān)系

不同丸粒直徑作用下最大殘余壓應(yīng)力值(σmax)與粗糙度(Ra)值如表6所示。

表6 不同丸粒直徑下最大殘余應(yīng)力值與粗糙度值

不同噴丸速度作用下最大殘余壓應(yīng)力值(σmax)與粗糙度(Ra)值如表7所示。

表7 不同噴丸速度下最大殘余應(yīng)力值與粗糙度值

分別根據(jù)表6、表7數(shù)據(jù)做出粗糙度與最大殘余應(yīng)力的散點圖和擬合曲線，如圖17所示。

圖17 粗糙度與最大殘余應(yīng)力的關(guān)系

利用Excel軟件計算出不同丸粒直徑下σmax與Ra的線性擬合方程為：

y= -9.1488x-111.37

(4)

線性相關(guān)系數(shù)R2=0.9969。

不同噴丸速度下σmax與Ra的線性擬合方程為：

y= -11.792x- 91.972

(5)

線性相關(guān)系數(shù)R2=0.9761。

上述擬合方程的相關(guān)系數(shù)R2均大于0.9，說明最大殘余壓應(yīng)力值σmax與粗糙度Ra存在較強的線性相關(guān)性，而式(5)的自變量系數(shù)絕對值大于式(4)，表明在比較噴丸速度和丸粒直徑對最大殘余壓應(yīng)力和粗糙度的影響程度時，在相同粗糙度增量條件下，改變噴丸速度獲得的σmax的增量較大。換言之，若以σmax為目標，通過增加噴丸速度達到所需的σmax值可有效抑制粗糙度的增長。

3.2 最大殘余應(yīng)力深度與粗糙度的關(guān)系

不同丸粒直徑下最大殘余應(yīng)力深度(Zmax)與粗糙度(Ra)的數(shù)值如表8所示。

表8 不同丸粒直徑下最大殘余應(yīng)力深度與粗糙度

不同噴丸速度下最大殘余應(yīng)力深度與粗糙度的數(shù)值如表9所示。

表9 不同噴丸速度下最大殘余應(yīng)力值與粗糙度

根據(jù)表8、表9數(shù)據(jù)做出粗糙度與最大殘余應(yīng)力深度的散點圖與擬合曲線如圖18所示。

圖18 粗糙度與最大殘余應(yīng)力深度的關(guān)系

利用excel軟件計算出不同丸粒直徑下Zmax與Ra的線性擬合方程為：

y= 8.4433x+ 6.6001

(6)

線性相關(guān)系數(shù)R2=0.9749。

不同噴丸速度下Zmax與Ra的線性擬合方程為：

y= 6.1345x+ 24.038

(7)

線性相關(guān)系數(shù)R2=0.9632。

上述擬合方程的相關(guān)系數(shù)R2均大于0.9，說明最大殘余壓應(yīng)力深度Zmax與粗糙度Ra存在較強的線性相關(guān)性，而式(6)的自變量系數(shù)大于式(7)，表明在比較噴丸速度和丸粒直徑對最大殘余壓應(yīng)力深度和粗糙度的影響程度時，在相同粗糙度增量條件下，改變丸粒直徑獲得的Zmax的增量較大。換言之，若以Zmax為目標，通過增加丸粒直徑達到所需的Zmax值可有效抑制粗糙度的增長。

4 結(jié)論

本文通過實驗與數(shù)值模擬兩種方式，通過改變噴丸丸粒直徑和噴丸速度，對2024鋁合金試件的表面粗糙度和殘余應(yīng)力進行研究，并對試件表面粗糙度和殘余應(yīng)力的相關(guān)性展開分析，得到如下分析結(jié)論：

(1)利用本文所建立的噴丸有限元模型得到的數(shù)值結(jié)果與實驗結(jié)果吻合良好，可認為該噴丸有限元模型正確可靠，可為今后開展噴丸粗糙度和殘余應(yīng)力仿真研究提供有益的借鑒。

(2)實驗及仿真結(jié)果均證實，噴丸試件表面粗糙度、最大殘余壓應(yīng)力值及最大殘余壓應(yīng)力深度均隨丸粒直徑的增加而增加；噴丸試件表面粗糙度、最大殘余壓應(yīng)力值及最大殘余壓應(yīng)力深度均隨噴丸速度的增加而增加。

(3)噴丸殘余應(yīng)力與表面粗糙度相關(guān)性研究表明：①最大殘余應(yīng)力值σmax與表面粗糙度呈線性正相關(guān)，其中噴丸速度較丸粒直徑對最大殘余應(yīng)力值σmax的影響更顯著，即通過改變噴丸速度以達到所需最大殘余應(yīng)力σmax值可在一定程度上抑制粗糙度增長；②最大殘余壓應(yīng)力深度Zmax與表面粗糙度呈線性正相關(guān)，其中丸粒直徑噴丸速度較噴丸速度對最大殘余壓應(yīng)力深度Zmax的影響更顯著，即通過改變丸粒直徑以達到所需最大殘余壓應(yīng)力深度Zmax值可在一定程度上抑制粗糙度增長。據(jù)此可在實際噴丸工作中，根據(jù)不同的需要選擇優(yōu)先增大丸粒直徑或增加噴丸速度，以獲得最大殘余應(yīng)力深度或最大殘余應(yīng)力值，并盡可能抑制表面粗糙度的增加。