混合水射流冲击强化不同几何特征表面的研究

摘要

混合水射流冲击强化技术是一种表层改性技术，其利用混合射流束中的丸粒喷射到金属零部件表面，使零部件表层材料在再结晶温度下产生塑性形变，呈现理想的组织结构（组织强化）和残余应力分布（应力强化），从而提高金属零部件的疲劳寿命。与传统喷丸不同，混合水射流能够通过单丸粒实现局部强化，这为强化齿根、轴肩等复杂狭窄且存在高应力集中的不同几何特征表面提供了可能。因此，本文以具有不同几何特征表面的靶材为对象，研究混合水射流冲击工艺参数以及靶材的几何参数对冲击强化效果的影响，本文的主要工作和结论如下： （1）分别建立了混合水射流冲击强化具有不同几何特征表面（凹槽面、凹坑面、圆柱面、球面）的靶材所形成残余应力的数学模型，并通过有限元模拟对数学模型进行验证。结果表明所建数学模型能准确计算混合水射流冲击强化具有不同几何特征表面的靶材所形成的残余应力。 （2）采用 ABAQUS 软件建立了混合水射流冲击强化平面靶材的有限元模型。研究了丸粒速度、丸粒半径和丸粒搭接率对靶材残余应力场和表面形貌的影响规律。研究发现，随着丸粒速度的增大，靶材表面残余压应力σscrs、残余压应力最大值σmcrs和残余压应力层深度 z0均随着丸粒速度增大，先增大然后保持不变，最大残余压应力深度zm变化较小。随着丸粒半径增大，z0和zm增大，但σscrs和σmcrs几乎不变。可以通过设置合理的丸粒搭接率，在靶材表层获得较为均匀的残余压应力层。此外，增大丸粒速度和半径都会在靶材表面形成较大较深的弹坑，而提高丸粒搭接率，有利于减轻弹坑对靶材表面形貌的影响。 （3）采用 ABAQUS 软件分别建立了混合水射流冲击强化具有不同几何特征表面（凹槽面、凹坑面、圆柱面、球面）的靶材的有限元模型。研究了曲率半径对不同几何特征的靶材的残余应力场的影响规律。研究发现，冲击强化球面和圆柱面靶材时，随着靶材半径的增大，σscrs、σmcrs、zm和z0逐渐增大，而zm变化较小。冲击强化凹坑面和凹槽面靶材时，随着靶材半径的增大，σscrs、σmcrs、zm和z0均逐渐减小，而zm变化较小。 （4）当丸粒速度、丸粒半径和靶材的曲率半径相同时，单丸粒和多丸粒冲击强化不同几何特征靶材形成的残余应力场的σscrs、σmcrs、zm和z0大小顺序为凹坑面、凹槽面、平面、圆柱面、球面。当不同几何特征靶材的曲率半径较小时，冲击强化形成的残余应力场与冲击强化平面靶材形成的残余应力场差别较大，当靶材半径较大时二者基本相同。

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