TC4鈦合金噴丸強(qiáng)化過(guò)程數(shù)值模擬

楊天南，劉建邦，崔 旭

（1.海軍駐沈陽(yáng)地區(qū)發(fā)動(dòng)機(jī)專業(yè)軍事代表室，遼寧 沈陽(yáng) 110043；2.沈陽(yáng)航空航天大學(xué) 民用航空學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110136）

1 引言

噴丸強(qiáng)化是最為有效的表面強(qiáng)化技術(shù)之一[1]。高速?gòu)椡柙诠ぜ戏磸?fù)沖擊，并將殘余壓應(yīng)力引入零件表面，可以有效抑制循環(huán)載荷下的裂紋擴(kuò)展，從而提高疲勞壽命[2,3]。TC4鈦合金材料是航空工業(yè)廣泛使用的零件材料，噴丸強(qiáng)化是提高此類零件疲勞壽命的有效工藝方法。影響噴丸強(qiáng)化效果的工藝參包括彈丸材料、彈丸直徑、彈丸速度、噴丸時(shí)間以及零件表面形貌特征、熱表處理，噴丸路徑規(guī)劃等因素[4,5]，因此，對(duì)于噴丸參數(shù)的選擇和工藝過(guò)程優(yōu)化是工程師關(guān)注和研究的重點(diǎn)。

利用有限元分析方法，對(duì)噴丸沖擊強(qiáng)化過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，可以降低試驗(yàn)成本，縮短研究時(shí)間。S.Bagherifard等人開(kāi)發(fā)了重度噴丸強(qiáng)化（SSP）的有限元模型，用來(lái)預(yù)測(cè)表面納米晶粒的形成[6]。Dorian Delbergue等運(yùn)用離散元模型（DEM）和有限元模型（FEM）來(lái)預(yù)測(cè)噴丸對(duì)殘余應(yīng)力和粗糙度方面的影響[7]。Mahmoudi等人用實(shí)驗(yàn)和數(shù)值綜合研究的方法研究了噴丸強(qiáng)化的殘余壓應(yīng)力再分配的問(wèn)題，驗(yàn)證了通過(guò)引入殘余壓應(yīng)力點(diǎn)消除初始應(yīng)力場(chǎng)的可行性[8]。Frija等人提出了一個(gè)三維有限元模型來(lái)預(yù)測(cè)殘余壓應(yīng)力場(chǎng)[9]，Kim等人提出了一種三維有限元噴丸模型[10]，可以預(yù)測(cè)多重碰撞引起的殘余壓應(yīng)力場(chǎng)。通過(guò)這些有限元分析模型，預(yù)測(cè)噴丸強(qiáng)化所引起的最初塑性形變過(guò)程。本文結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)研究方法，運(yùn)用有限元分析軟件ANSYS對(duì)沖擊強(qiáng)化進(jìn)行數(shù)值模擬，研究彈丸沖擊速度，以及連續(xù)沖擊，對(duì)于TC4鈦合金靶材表面殘余應(yīng)力場(chǎng)和表面形貌的影響。

2 建立仿真模型

2.1 材料選擇

彈丸采用鑄鋼丸，直徑0.4mm。靶材本文采用TC4鈦合金。材料的基本力學(xué)性能見(jiàn)表1。由于噴丸過(guò)程中彈丸沖擊靶材時(shí)靶材屬于高應(yīng)變率狀態(tài)，所以采用一般的材料屬性不能準(zhǔn)確描述噴丸過(guò)程中靶材變化屬性。本文中靶材采用Johnson-Cook本構(gòu)模型。Johnson-Cook本構(gòu)模型的基本表達(dá)式如下：

式中：A為屈服應(yīng)力，B和n是應(yīng)變強(qiáng)化參數(shù)，C為應(yīng)變率敏感系數(shù)，m為溫度軟化效應(yīng)[7]。

2.2 幾何模型建立

噴丸強(qiáng)化過(guò)程中彈丸對(duì)靶材同一區(qū)域多次沖擊，噴丸期間彈丸隨機(jī)碰撞靶材，分布不規(guī)則。在仿真中對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，本文中假設(shè)彈丸分布均勻，且速度方向都垂直于靶材表面。分別建立單彈丸和多彈丸的噴丸沖擊強(qiáng)化模型，單彈丸模型如圖1所示。在研究多彈丸連續(xù)沖擊的影響時(shí)，采用3彈丸模型進(jìn)行模擬。本文中幾何模型是在CATIA V5中建立的，其中彈丸直徑為0.4mm，靶材尺寸為 4mm×4mm×4mm。幾何模型建立完成后導(dǎo)入Workbench，劃分網(wǎng)格，網(wǎng)格密度對(duì)分析結(jié)果有顯著影響，為提高計(jì)算結(jié)果的精度，在噴丸碰撞區(qū)域，應(yīng)將網(wǎng)格足夠細(xì)化，以準(zhǔn)確獲得殘余應(yīng)力場(chǎng)；本文中靶材采用六面體網(wǎng)格，彈丸采用四面體網(wǎng)格，靶材網(wǎng)格單元尺寸設(shè)置為0.08mm，彈丸的網(wǎng)格單元尺寸設(shè)置為0.1mm，完成網(wǎng)格劃分后，靶材有125000個(gè)六面體單元，每個(gè)彈丸有447個(gè)四面體單元。

表1 模型材料的基本力學(xué)性能

圖1 單彈丸沖擊強(qiáng)化有限元模型

3 噴丸過(guò)程數(shù)值模擬研究

噴丸會(huì)對(duì)零件表面產(chǎn)生兩個(gè)方面的影響：一個(gè)是有利影響，噴丸后在材料表面產(chǎn)生一定深度的殘余壓應(yīng)力，可以有效抑制裂紋的萌生和擴(kuò)展，提高疲勞壽命；另一個(gè)是不利影響，過(guò)大的沖擊會(huì)導(dǎo)致材料的表面完整性被破壞，容易引起應(yīng)力集中，減小材料的疲勞壽命。下文的數(shù)值模擬中，將以殘余應(yīng)力分布和沖擊彈坑深度作為主要指標(biāo)，研究噴丸強(qiáng)化參數(shù)對(duì)強(qiáng)化效果的影響。

3.1 彈丸速度對(duì)噴丸效果的影響

設(shè)定約束條件，將除了沖擊表面的其余五個(gè)面都施加固定約束。參考實(shí)際噴丸工藝中彈丸的初始速度大小，將仿真的彈丸速度分別設(shè)置為40m/s、60 m/s、80m/s以及100m/s，分別進(jìn)行模擬計(jì)算?？梢缘玫讲煌俣认?，深度方向上的應(yīng)力云圖，如圖2所示。可以發(fā)現(xiàn)隨著沖擊速度的增加殘余壓應(yīng)力的影響區(qū)域明顯擴(kuò)大。

提取不同沖擊速度下靶材表面殘余壓應(yīng)力的分布，得到以下曲線，如圖3所示?？梢钥闯鲭S著噴丸速度的增大，最大殘余壓應(yīng)力值增大，40m/s時(shí)約為466MPa，60m/s 時(shí) 約 為 613MPa，80m/s 時(shí) 約 為680MPa，100m/s時(shí)約為756MPa。殘余壓應(yīng)力層的厚度也隨著噴丸速度的增大而增大。四種速度下殘余壓應(yīng)力層厚度分別為0.1mm，0.15mm，0.2mm以及0.3mm。當(dāng)深度超過(guò)0.4mm后，變化趨于平緩。

圖2 不同沖擊速度下的應(yīng)力云圖

圖3 噴丸速度對(duì)靶材殘余應(yīng)力分布的影響

圖4是不同噴丸速度下對(duì)應(yīng)的彈坑深度，由圖4可見(jiàn)噴丸速度對(duì)彈坑深度的影響比較大。雖然較大的噴丸速度能夠產(chǎn)生較好的殘余壓應(yīng)力效果，但是噴丸速度越大彈坑深度也越大，從而導(dǎo)致靶材表面粗糙度增大，而較大的表面粗糙度容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，這不利于零件疲勞強(qiáng)度的提高。因此，需要綜合考慮殘余壓應(yīng)力和表面粗糙度對(duì)噴丸強(qiáng)化效果的影響，選出合理的噴丸速度。

圖4 噴丸速度對(duì)彈坑深度的影響

3.2 連續(xù)沖擊對(duì)噴丸效果的影響

噴丸強(qiáng)化是大量彈丸沖擊作用的累積，隨噴丸時(shí)間增加，同一位置可能會(huì)受到多次沖擊。為了研究多次沖擊對(duì)于殘余壓應(yīng)力的影響，本文建立了3次連續(xù)沖擊模型。彈丸直徑選擇0.4mm，噴丸速度選為80m/s。進(jìn)行數(shù)值模擬，得到3次沖擊下，沿靶材深度方向上的應(yīng)力云圖，如圖5所示?？梢钥闯觯S著沖擊次數(shù)的增加，最大殘余壓應(yīng)力增大，但是增幅很小。殘余壓應(yīng)力層的深度也隨著沖擊次數(shù)的增加而增加。最主要的變化是殘余壓應(yīng)力的分布變得更為均勻。同時(shí)也可以看到彈坑深度隨著沖擊次數(shù)的增加而增大。

圖5 連續(xù)三次沖擊的應(yīng)力云圖

圖6是不同沖擊次數(shù)下殘余應(yīng)力的分布曲線。由圖可以看出三種情況下最大殘余壓應(yīng)力的值基本不變，可以認(rèn)為，同一區(qū)域的多次沖擊對(duì)最大殘余壓應(yīng)力影響不大，可以忽略不計(jì)。殘余壓應(yīng)力層的深度變化比較明顯，殘余壓應(yīng)力層深度隨著沖擊次數(shù)的增大而增大，但是增幅隨著沖擊次數(shù)的增加而逐漸減小。圖7是不同沖擊次數(shù)對(duì)于彈坑深度的影響，可以看出彈坑深度隨著沖擊次數(shù)的增加而增大，但是增幅也逐漸減小。

圖6 不同沖擊次數(shù)下殘余應(yīng)力的分布

圖7 不同沖擊次數(shù)對(duì)彈坑深度的影響

4 結(jié)論

（1）在其他參數(shù)相同的情況下，靶材受噴區(qū)域的最大殘余壓應(yīng)力，以及殘余壓應(yīng)力層深度都隨噴丸速度的增大而增大，這是因?yàn)閺椡杷俣鹊脑龃?，使得彈丸的?dòng)能增加，較大的沖擊能量會(huì)引起TC4鈦合金靶材更大的塑性變形。

（2）受連續(xù)沖擊的靶材的殘余壓應(yīng)力分布比受單次沖擊的靶材的殘余壓應(yīng)力的分布均勻，因此，在實(shí)際噴丸工藝中，應(yīng)盡可能保證高于100%的覆蓋率。

（3）同一區(qū)域的多次沖擊對(duì)最大殘余壓應(yīng)力影響不大，可以忽略不計(jì)。殘余壓應(yīng)力層的深度變化比較明顯，殘余壓應(yīng)力層深度隨著沖擊次數(shù)的增大而增大，但是增幅隨著沖擊次數(shù)的增加而逐漸減小。同時(shí)彈坑深度也隨著沖擊次數(shù)的增加而增大。

噴丸強(qiáng)化的最終效果跟很多因素有關(guān)，除本文提到的彈丸直徑、噴丸速度和沖擊次數(shù)以外，還有沖擊角度、覆蓋率等。所以應(yīng)針對(duì)材料特點(diǎn)，協(xié)調(diào)各影響因素，以達(dá)到最佳噴丸強(qiáng)化效果。