汽车轴用42CrMo钢喷丸工艺参数优化及疲劳性能研究

摘要

喷丸强化作为一种简单有效的表面处理方法，能显著提升部件的疲劳性能。在计算机技术不够成熟的以前，往往需要做大量的试验或者根据工程师的经验来确定喷丸工艺参数，这样就需要大量的人力物力财力。为了提高效率和节约成本，同时更好的对喷丸机理展开研究，合理运用不同的模拟仿真方法来预测喷丸强化参数对残余应力场的影响并得到一个最佳的喷丸强化参数显得格外重要。42CrMo钢是一种超高强度调质钢，由于其优异的特性在汽车后轴中得到了广泛的应用。本文选取42CrMo钢作为研究对象，运用有限元分析和实验验证相结合的方法，在喷丸仿真过程中通过考虑网格密度、摩擦系数和弹丸硬度等因素优化了喷丸模型，研究了喷丸参数包括弹丸速度、直径、撞击角度和覆盖率对残余应力分布的影响规律，并通过响应面法对42CrMo钢喷丸仿真参数进行了优化求解，最后通过实验对最优喷丸参数进行验证，分析比较了不同喷丸参数对疲劳性能的改善情况。 在弹丸速度和直径一定的情况下，将表面网格尺寸的大小调整为该条件下单弹坑直径的1/16，能够得到最优的网格划分方案同时残余应力分布具有收敛性。弹丸与目标工件之间的摩擦系数大于0.2和硬度差大于200HV对于残余应力分布评估的准确性非常重要。在喷丸过程中，适当的增加弹丸的速度、直径和覆盖率，同时保持弹丸冲击角度为90°，能够有效的改善42CrMo钢表层残余应力分布，这是对疲劳性能有利的。然而由于弹丸速度、直径和覆盖率的增加会导致表面粗糙度增加，因而这些喷丸参数的值并非越大越好。 通过响应面模型能够准确的预测喷丸响应值，同时进行最优化求解。通过赋予三个响应值最大残余压应力，残余压应力层深和应力集中系数不同的权重比(从前到后权重分别为5∶4∶3)∶(1)ζRSmax，δ0，K；(2)δ0，ζRSmax，K；(3)K，σRSmax，δ0。得到了三组对应的最优喷丸参数分别为：(1)v=88m/s，d=0.8mm，cr=170%；(2)v=85m/s，d=1.0mm，cr=150%；(3)v=92m/s，d=0.8mm，cr=130%。实验验证中，喷丸强化能有效改善试件的表面硬度，表面微观形貌和残余应力分布。疲劳试验结果表明，未经过喷丸处理的42CrMo钢试样的平均疲劳寿命为116773次，经以上三组最优化喷丸参数处理后的42CrMo试样的平均疲劳寿命分别为238444次，231766次和211286次，相对于未喷丸处理试样疲劳寿命提高比例分别为1.04倍，0.98倍和0.81倍。 在选择喷丸参数时，应优先考虑最大残余应力值和残余压应力层深，其次为应力集中系数。本文根据响应面法优化和实验验证结果，最终确定42CrMo钢试件的最优喷丸强化参数为弹丸速度v=88m/s，直径d=0.8mm，覆盖率cr=170%。

目录

声明

第1章 引言

1.1 研究背景

1.2 喷丸强化技术

1.2.1 喷丸强化机制

1.2.2 喷丸强化技术特点

1.2.3 喷丸强化技术发展状况

1.2.4 喷丸强化技术在汽车工业上的应用现状

1.3 喷丸有限元模拟技术

1.3.1 喷丸有限元模拟技术简介

1.3.2 喷丸有限元模拟技术发展状况

1.4 喷丸参数优化研究发展状况

1.5 本文研究意义和主要内容

1.5.1 课题来源和研究意义

1.5.2 本文研究思路和主要内容

第2章 喷丸有限元建模及实验验证方法

2.1 材料选取

2.2 喷丸有限元模型

2.2.1 模型建立

2.2.2 材料本构模型

2.2.3 计算覆盖率

2.2.4 残余应力计算方法

2.3 实验验证方法

2.3.1 计算喷丸平均速度

2.3.2 残余应力检测

2.3.3 显微硬度测量方法

2.3.4 表面微观形貌测量方法

2.3.5 疲劳性能测量方法

2.4 本章小结

第3章 42CrMo钢喷丸过程模拟及实验验证

3.1 喷丸模型验证与优化

3.1.1 网格优化

3.1.2 摩擦系数优化

3.1.3 弹丸硬度对残余应力分布的影响

3.2 弹丸速度对残余应力分布的影响

3.3 弹丸直径对残余应力分布的影响

3.4 弹丸撞击角度对残余应力分布的影响

3.5 弹丸覆盖率对残余应力分布的影响

3.6 本章小结

第4章 基于响应面法的42CrMo钢喷丸参数优化

4.1 响应面法

4.1.1 响应面法原理

4.1.2 响应面的试验设计

4.2 喷丸参数响应面法优化设计

4.2.1 构建模型

4.2.2 试验过程

4.3 喷丸参数响应面法优化结果与讨论

4.3.1 最大残余压应力

4.3.2 残余压应力层深

4.3.3 应力集中系数

4.3.4 喷丸参数最优化求解

4.4 本章小结

第5章 42CrMo钢喷丸实验验证及疲劳性能分析

5.1 实验方法

5.2 实验结果与讨论

5.2.1 不同喷丸参数条件下硬度测试结果

5.2.2 不同喷丸参数条件下表面微观形貌

5.2.3 不同喷丸参数条件下残余应力分布

5.2.4 不同喷丸参数条件下试样的疲劳性能

5.3 本章小结

第6章 结论

6.1 研究总结

6.2 研究展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表论文