微粒子喷丸工艺参数对低碳合金钢表面性能影响研究

摘要

低碳合金钢由于优异的综合性能，广泛应用于机械结构。随着机械构件日益增长的长寿命和轻量化需求，各种表面强化处理工艺被开发和应用，其中，喷丸处理是一种应用广泛的表面处理方法，而微粒子喷丸是近年被开发的新型喷丸处理工艺。为了研究微粒子喷丸工艺参数对低碳合金钢表面性能的影响，本文建立了随机多丸粒喷丸仿真模型，仿真分析了单一喷丸参数变化对低碳合金钢表层残余应力场和表面粗糙度的影响，并利用正交试验法研究了不同喷丸参数对残余应力层深度、最大残余压应力和表面粗糙度的影响权重，最后通过微粒子喷丸实验分析了仿真中单一喷丸工艺参数变化对表面性能影响规律的合理性。　　首先，本文利用残余应力场的预测方法进行了丸粒撞击试样的速度计算，并通过ABAQUS/PYTHON二次开发功能建立了随机多丸粒喷丸仿真模型，实现模拟大量弹丸随机撞击试样的喷丸过程，且用户可通过自定义参数来建模仿真。　　然后，研究了单一喷丸参数变化对低碳合金钢表层残余应力场影响，仿真研究中，设置喷丸速度、弹丸直径、喷射角度和喷丸覆盖率为单一变化参数，关于残余应力的研究结果表明：速度的增加并不会影响最大残余压应力的位置深度；随着弹丸直径的增加，残余应力层深度与最大残余压应力也随之增大；喷射角度对于残余应力场深度与最大残余压应力的位置深度影响不大，但随着喷射角度的变小，最大残余压应力明显变小；喷丸覆盖率的增大，有利于最大残余压应力的增加，喷丸覆盖率达到300%以上时，残余应力场基本不再变化。同时，设置单一变化参数时，关于表面粗糙度的研究结果表明：丸粒直径为50μm时，弹丸的速度对表面粗糙度的影响较小；弹丸直径越大，靶材的表面粗糙度也越大；喷射角度越靠近60°，表面粗糙度Ra的值越大；喷丸覆盖率小于200%时，覆盖率越大，Ra值越大，当覆盖率在200%以上时，Ra值基本不再变化。　　最后，对喷丸速度、弹丸直径和喷射角度三种喷丸参数采用正交试验法进行仿真分析，基于仿真获取的残余应力场分布和表面粗糙度发现，弹丸直径对于残余应力层深度、最大残余压应力和表面粗糙度影响最大。此外，通过微粒子喷丸实验验证了仿真中喷丸工艺参数变化对低碳合金钢表面性能影响规律的合理性。本文的研究成果可以为低碳合金钢微粒子喷丸工艺参数的选择提供指导，也可为喷丸试验机的开发提供参考。

目录

声明

第 1 章 绪 论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 喷丸强化工艺

1.2.1 喷丸工艺类型

1.2.2 喷丸强化机理

1.2.3 喷丸残余应力场的研究现状

1.2.4 喷丸表面粗糙度的研究现状

1.3 喷丸强化解析模型与数值仿真研究现状

1.3.1 喷丸强化解析模型

1.3.2 喷丸强化数值仿真模型

1.4 研究主要内容

第2章 微粒子喷丸残余应力场预测和仿真建模

2.1 残余应力预测方法

2.1.1 弹性弹丸与半无限大基体之间的 Hertz 弹性接触分析

2.1.2 弹塑性分析

2.1.3 单丸粒冲击后的横向残余应力预测

2.2 残余应力预测方法的应用

2.3 喷丸速度预测与分析

2.4 随机多丸粒喷丸仿真模型

2.4.1 随机弹丸流的建立

2.4.2 材料本构模型和力学性能参数

2.4.3 材料阻尼

2.4.4 喷丸覆盖率

2.4.5 弹丸与靶材实体

2.5 本章小结

第 3 章 微粒子喷丸低碳合金钢残余应力与粗糙度仿真研究

3.1 单一喷丸参数变化对残余应力场的影响

3.1.1 残余应力场概述和仿真模拟

3.1.2 喷丸速度变化的影响

3.1.3 弹丸直径变化的影响

3.1.4 喷射角度变化的影响

3.1.5 喷丸覆盖率变化的影响

3.2 单一喷丸参数变化对表面粗糙度的影响

3.2.1 表面粗糙度概述和仿真模拟

3.2.2 喷丸速度变化的影响

3.2.3 弹丸直径变化的影响

3.2.4 喷射角度变化的影响

3.2.5 喷丸覆盖率变化的影响

3.3 本章小结

第 4 章 微粒子喷丸低碳合金钢正交试验分析与实验验证

4.1 正交试验法仿真

4.1.1 残余应力正交试验

4.1.2 表面粗糙度正交试验

4.2 微粒子喷丸实验

4.2.1 材料和喷丸条件

4.2.2 粗糙度测量

4.2.3 残余应力测量

4.2.4 实验结果及分析

4.3 本章小结

结 论 与 展 望

结 论

展 望

致 谢

参 考 文 献

攻读硕士期间发表的论文及参加的科研项目和学术会议

1 攻读硕士期间发表的论文

2 攻读硕士期间参加的科研项目

学位论文数据集