本發(fā)明涉及噴丸加工技術(shù)領(lǐng)域，尤其是涉及一種高錳鋼拋丸機(jī)葉片噴丸強(qiáng)化工藝參數(shù)的確定方法。

背景技術(shù)：

目前國內(nèi)外拋丸機(jī)的應(yīng)用日益廣泛，不再局限于傳統(tǒng)的零件表面處理，更廣泛應(yīng)用于維護(hù)和修復(fù)高速公路、鋼橋和機(jī)場路面等。拋丸器作為拋丸機(jī)的關(guān)鍵部件，其質(zhì)量與使用壽命直接取決于葉片，而葉片工作時(shí)因要承受磨料對其表面的磨損，從而成為拋丸機(jī)中最易損壞的部位。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，每年國內(nèi)僅因葉片磨損而消耗的材料價(jià)值上千萬。而噴丸工藝使工件表面發(fā)生塑性變形，形成一層具有加工硬化效果的表面強(qiáng)化層。研究認(rèn)為，表面強(qiáng)化層的存在不僅提高了工件表面的硬度和耐磨性，更重要的是在工件的表層形成了殘余壓應(yīng)力層，殘余壓應(yīng)力層能夠阻礙疲勞微裂紋的生成和擴(kuò)展，從而極大地提高零件的表面疲勞抗力。

高錳鋼作為一種傳統(tǒng)的耐磨材料,在重載、大沖擊磨損條件下,韌性高、耐磨性好,廣泛應(yīng)用于冶金、礦山、建材、鐵路、電子、煤炭等機(jī)械裝備中,如破碎機(jī)錘頭、齒板、軋臼壁、挖掘機(jī)斗齒、球磨機(jī)襯板和鐵路轍叉等。高錳鋼屬于奧氏體組織的鋼種，在高沖擊載荷下使用，耐磨性好，安全可靠，它不僅可用較低價(jià)的原材料制成且易冶煉，并有較好的鑄造性能。因此，高錳鋼一直是承受高沖擊負(fù)荷或者金屬與金屬直接接觸下要求具有高抗磨性的理想材料。

目前，噴丸工程應(yīng)用主要依靠經(jīng)驗(yàn)和試噴，存在工藝參數(shù)選擇不合理、強(qiáng)化效果不理想的問題，并且采用目前的殘余應(yīng)力測試手段和方法，特別是無損檢測方法，難以完全掌握三維殘余應(yīng)力場，且經(jīng)驗(yàn)和試噴需耗費(fèi)大量的時(shí)間和人力，這些因素都極大制約了噴丸技術(shù)的發(fā)展。

對于噴丸強(qiáng)化這一高度非線性的動態(tài)沖擊過程，需要借助于數(shù)值仿真手段進(jìn)行分析，近年來相關(guān)學(xué)者開展了數(shù)值模擬研究取得了較大進(jìn)展。但由于噴丸強(qiáng)化作用過程復(fù)雜且影響因素眾多，目前仍然缺乏相關(guān)的方法來對噴丸過程的參數(shù)進(jìn)行最優(yōu)設(shè)計(jì)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺點(diǎn)，提供一種基于abaqus有限元分析的噴丸強(qiáng)化處理工藝參數(shù)確定方法，該模擬方法根據(jù)應(yīng)力等效原理，通過彈丸撞擊法建立噴丸強(qiáng)化殘余應(yīng)力有限元模型，模擬得到不同噴丸工藝參數(shù)下的殘余應(yīng)力分布，從而確定高錳鋼葉片最佳噴丸工藝參數(shù)，以提高高錳鋼葉片的使用壽命，且還可以實(shí)現(xiàn)根據(jù)高錳鋼工件表層最大殘余應(yīng)力的需要，定制合適的噴丸強(qiáng)化工藝參數(shù)。采用的技術(shù)方案是：一種高錳鋼拋丸機(jī)葉片噴丸強(qiáng)化工藝參數(shù)的確定方法，其特征是：所述方法按照以下步驟進(jìn)行：

1)建立有限元模型：

利用彈丸及高錳鋼葉片的材料屬性及尺寸對彈丸及高錳鋼葉片建立abaqus有限元模型，以所建立有限元模型模擬高錳鋼葉片噴丸強(qiáng)化過程，所述彈丸及高錳鋼葉片的材料屬性是以材料參數(shù)進(jìn)行表征，所述材料參數(shù)是指彈丸及高錳鋼葉片的楊氏模量、泊松比、密度、屈服強(qiáng)度以及極限強(qiáng)度；

2)有限元分析：

根據(jù)工藝要求采用所述有限元軟件為所述有限元模型中的彈丸及高錳鋼的材料參數(shù)、彈丸大小及初速度進(jìn)行賦值，利用所述有限元軟件獲得高錳鋼葉片表面各節(jié)點(diǎn)的平均殘余應(yīng)力；

3)逐步回歸分析：

運(yùn)用正交實(shí)驗(yàn)法設(shè)計(jì)工藝參數(shù)組合，所述工藝參數(shù)是指彈丸直徑、彈丸速度和噴丸時(shí)間，利用2)所述的有限元分析得出不同工藝參數(shù)下拋丸機(jī)葉片的最大平均殘余應(yīng)力；

4)采用回歸分析得到最大平均殘余應(yīng)力關(guān)于所述工藝參數(shù)的最優(yōu)回歸方程，利用所述最優(yōu)回歸方程確定最佳噴丸強(qiáng)化處理工藝參數(shù)，方程為：

y＝376.272+21.793dt+0.015v²。

本發(fā)明的技術(shù)特征還有：步驟1)中所述有限元模型包括直徑為的彈丸，以及從高錳鋼葉片受噴面上截取的以受噴面為頂面的長方體，所述長方體的頂面是與水平面平行且邊長為20mm的正方形；所述長方體的高度為8mm。

本發(fā)明的技術(shù)特征還有：拋丸機(jī)葉片的網(wǎng)格劃分選用c3d8r單元，噴丸選用c3d4單元。

本發(fā)明的有益效果在于：本發(fā)明提出的一種基于有限元分析的拋丸機(jī)葉片噴丸強(qiáng)化的有限元模擬方法，利用成熟的彈丸撞擊法得到不同噴丸工藝參數(shù)下的高錳鋼葉片殘余應(yīng)力分布，避免實(shí)際生產(chǎn)中常用的噴丸試驗(yàn)方法所伴隨的成本過高，消耗大量的人力和物力的問題；本發(fā)明把多種形式的多項(xiàng)式逐步回歸方法引入噴丸工藝參數(shù)最優(yōu)方程的選取，得到更加精確的回歸方程，增加了獲得噴丸工藝參數(shù)的實(shí)用性；本發(fā)明采用正交實(shí)驗(yàn)安排噴丸工藝參數(shù)，運(yùn)用逐步回歸分析方法進(jìn)行回歸，最后得到最優(yōu)回歸方程，可以對最大平均殘余應(yīng)力進(jìn)行定量研究，根據(jù)最大平均殘余應(yīng)力的需要，可以任意定制工藝參數(shù)本發(fā)明公開的該模擬方法具有快速化、低成本、簡便易行、計(jì)算準(zhǔn)確的特點(diǎn)，工程實(shí)際應(yīng)用效果好。

附圖說明

附圖1是本發(fā)明中覆蓋率100％的有限元模型；附圖2是本發(fā)明中覆蓋率200％的有限元模型；附圖3是本發(fā)明中覆蓋率300％的有限元模型；附圖4是本發(fā)明中覆蓋率400％的有限元模型；附圖5是模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖，對本發(fā)明的具體實(shí)施方式進(jìn)行說明。

基于abaqus有限元分析的拋丸機(jī)葉片噴丸強(qiáng)化處理工藝參數(shù)確定方法是按如下步驟進(jìn)行：

噴丸強(qiáng)化殘余應(yīng)力有限元模擬

在abaqus動態(tài)顯示分析中，通過定義彈丸的初始速度來模擬彈丸與高錳鋼葉片表面撞擊過程中所產(chǎn)生的沖擊載荷，同時(shí)采用庫侖摩擦模型來描述彈丸和高錳鋼葉片之間的接觸情況，減少兩接觸面之間的切向運(yùn)動，使計(jì)算得到的結(jié)果更加穩(wěn)定；高錳鋼葉片單元類型為c3d8r，在彈丸撞擊區(qū)域采用局部細(xì)化網(wǎng)格方式劃分單元。在實(shí)際噴丸強(qiáng)化過程中，彈丸材料為鋼絲切丸，硬度較高，并且屈服強(qiáng)度及抗拉強(qiáng)度都很高，碰撞后變形很小。在有限元模擬過程中將彈丸約束成剛性體，并且忽略重力加速度的影響，接觸前假定保持勻速運(yùn)動；通過噴丸強(qiáng)化殘余應(yīng)力有限元模擬得到殘余應(yīng)力分布結(jié)果。

步驟1：建立有限元模型

利用彈丸及高錳鋼葉片的材料屬性對彈丸及拋丸機(jī)葉片建立有限元模型，以所建立有限元模型模擬整個(gè)高錳鋼葉片噴丸強(qiáng)化過程，并采用非反射邊界條件、對稱面和固定約束減小邊界對于模擬效果的影響；彈丸及高錳鋼的材料屬性以材料參數(shù)表征，材料參數(shù)是指彈丸及高錳鋼的楊氏模量、泊松比、密度、屈服強(qiáng)度以及極限強(qiáng)度，具體參數(shù)如表1所示。

表1高錳鋼及彈丸材料工藝參數(shù)

建立實(shí)體模型：葉片尺寸為20×20×8mm，彈丸直徑根據(jù)正交試驗(yàn)表設(shè)定為0.6mm、0.8mm、1.0mm和1.2mm，噴丸覆蓋分別為100％、200％、300％和400％，如圖1，圖2，圖3和圖4所示為噴丸覆蓋分別為100％、200％、300％和400％的有限元模型。覆蓋率為100％的模型為四層彈丸，以及從葉片上截取的以受噴面為頂面的六面體，六面體的頂面是與水平面平行、且邊長為20mm的正方形；六面體的高度為8mm；彈丸排列方法如圖所示交錯(cuò)排列，覆蓋率100％為9球，覆蓋率200％為18球，覆蓋率300％為27球，覆蓋率400％為36球。

考慮葉片尺寸對模擬效果的影響，在葉片側(cè)面施加非反射邊界條件；在底面施加固定約束以減小震蕩。

采用有限元軟件對接觸進(jìn)行定義，定義接觸類型為“侵蝕”。

采用有限元軟件對邊界進(jìn)行設(shè)置，為減少邊界對模擬效果的影響，設(shè)置葉片除受噴面之外的其它面為非反射邊界。

采用有限元軟件對葉片進(jìn)行固定約束。

采用有限元軟件對彈丸施加初速度；所述初速度方向與高錳鋼葉片受噴面垂直。

完成有限元模型的建立。

步驟2：有限元分析

根據(jù)工藝要求采用有限元軟件為所建立有限元模型中的彈丸及拋丸機(jī)葉片的材料參數(shù)、彈丸大小及初速度進(jìn)行賦值，利用有限元工具獲得拋丸機(jī)葉片表面受噴部位各單元的殘余應(yīng)力σ。

步驟3：逐步回歸分析

運(yùn)用正交實(shí)驗(yàn)法設(shè)計(jì)工藝參數(shù)組合，工藝參數(shù)是指彈丸直徑、彈丸速度和覆蓋率，正交實(shí)驗(yàn)法為實(shí)驗(yàn)參數(shù)安排常規(guī)方法。

采用有限元軟件設(shè)計(jì)每一組工藝參數(shù)，利用步驟2的有限元分析得出不同工藝參數(shù)下高錳鋼葉片表面的最大平均殘余應(yīng)力。

采用回歸分析得到最大平均殘余應(yīng)力關(guān)于工藝參數(shù)的最優(yōu)回歸方程；利用最優(yōu)回歸方程確定噴丸強(qiáng)化處理工藝參數(shù)，回歸分析為數(shù)據(jù)處理常規(guī)方法。

選擇二次多項(xiàng)式函數(shù)進(jìn)行逐步回歸分析,求得回歸方程后進(jìn)行比較,選擇其中可信度和精度高并且簡單的回歸方程作為所求的最優(yōu)回歸方程。

為了完全因素的分析噴丸工藝參數(shù)對拋丸機(jī)葉片的影響，下面建立最大平均殘余應(yīng)力與工藝參數(shù)(彈丸直徑(0.6mm、0.8mm、1.0mm和1.2mm)、彈丸速度(50m/s、70m/s、90m/s和110m/s)和覆蓋率(100％、200％、300％和400％)之間的關(guān)系。本文采用正交試驗(yàn)法安排噴丸工藝參數(shù)，取3因素4個(gè)水平,選用l16(34)正交試驗(yàn)表,針對每一組噴丸工藝參數(shù)建立三維實(shí)體模型，在abaqus平臺上選用顯式動力求解器，進(jìn)行網(wǎng)格劃分、設(shè)置邊界條件，并進(jìn)行數(shù)值模擬，得到相應(yīng)的最大平均殘余應(yīng)力值，如表2。

表2按照正交實(shí)驗(yàn)安排的工藝參數(shù)及計(jì)算結(jié)果

高錳鋼葉片噴丸強(qiáng)化有噴丸速度、噴丸直徑、噴丸時(shí)間三個(gè)輸入變量，一個(gè)輸出變量為最大平均殘余應(yīng)力。采用表3中按正交試驗(yàn)法安排的參數(shù)和計(jì)算得到的殘余應(yīng)力計(jì)算數(shù)據(jù)，首先對回歸模型進(jìn)行了調(diào)整r方檢驗(yàn)(兩個(gè)回歸模型的調(diào)整r方值分別為0.682和0.806，選取接近1的0.806的回歸模型作為最終的回歸模型)，回歸模型選定以后，并對回歸模型中的回歸方差和回歸系數(shù)檢驗(yàn)(置信區(qū)間為95％)。

步驟4：回歸方差和回歸系數(shù)檢驗(yàn)之后得到的最優(yōu)回歸方程為：

y＝376.272+21.793dt+0.015v²

根據(jù)最優(yōu)回歸方程,可以對各自變量與最大平均殘余應(yīng)力的關(guān)系做定量的分析。從關(guān)系式可以分析任意自變量參數(shù)對噴丸強(qiáng)化后高錳鋼葉片表層殘余應(yīng)力的影響關(guān)系。

步驟5：實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了進(jìn)一步驗(yàn)證模擬結(jié)果的正確性，采用實(shí)驗(yàn)的方法對模擬結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。

采用某集團(tuán)的氣動式噴丸強(qiáng)化設(shè)備，彈丸流量為30kg/min，彈丸直徑為0.8mm，噴丸壓力為0.5mpa。噴丸之后采用美國astx2001x射線應(yīng)力儀測試噴丸后高錳鋼葉片表層的殘余應(yīng)力值，并把模擬計(jì)算數(shù)值與實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)應(yīng)力進(jìn)行比較，如圖5所示為模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較。由圖5可見，模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)所測結(jié)果曲線十分吻合，說明模擬計(jì)算模型合理，最優(yōu)回歸方程正確，因此可以實(shí)現(xiàn)根據(jù)高錳鋼工件表層最大殘余應(yīng)力的需要，利用本回歸方程定制合適的噴丸強(qiáng)化工藝參數(shù)。