軸承鋼強化研磨的仿真及實驗

郝曉斌，劉 鎮(zhèn)，康軍輝，梁忠偉

（廣州大學機械與電氣工程學院，廣州 510006）

0 引言

強化研磨是廣州大學劉曉初教授團隊提出的一種新型的金屬材料強化加工方法。在強化加工過程中，主要將儲物罐中的高硬度鋼球、研磨粉以及研磨液以10∶2∶1 的比例混合，形成氣、液、固三相混合，通過高壓氣體加速噴向金屬材料表面。在這個過程中，鋼球外表面會由于研磨液的黏性作用吸附顆粒小的研磨粉，從而形成鋼球+研磨粉的結(jié)構。由于使用的鋼球直徑在0.8～1.5 mm，研磨粉在80 目以上（粒度直徑d0≥0.18 mm），兩者以一定的傾斜角度與加工工件以高速撞擊接觸后在工件表面產(chǎn)生一些微凹坑，這些微凹坑起到儲油的功能，能夠提高工件的潤滑效果。通過改變氣體壓力、靶射距離、靶射角度、工件運動速度等工藝參數(shù)后，使得微凹坑呈一定的規(guī)律排布，形成“油囊”微織構，進一步提高工件使用性能。

近年來，對于強化研磨的研究逐漸深入。單士印等[1-2]通過對磨粒運動學的分析，得出靶射角度在45°～70°能使強化后的材料有較高的殘余應力；姜引[3]通過不斷調(diào)整實驗參數(shù)，將實驗結(jié)果進行曲線擬合，得到30～50 cm的靶射距離，能夠使材料有較高強化層厚度；趙傳等[4]通過實驗的方法得到能夠提高材料硬度的最佳工件轉(zhuǎn)速。但這些研究都未能建立鋼球+研磨粉的結(jié)構，對于強化研磨中微凹坑的成形仿真以及實驗研究，目前還未見到相應的文獻，本文將對這方面進行研究。

1 強化研磨有限元模型

本文研究對象為軸承鋼（GCR15），在仿真過程中，建立鋼球+研磨粉（合稱為研磨料，下同）的結(jié)構，由于主要的研究對象為受噴材料（即板材），且實際強化研磨過程中彈丸的硬度、強度都要遠高于目標板材，因此為提高運算效率，在仿真中將研磨料定義成剛體，材料為軸承鋼。受噴板材與彈丸材料的基本材料參數(shù)如表1 所示。在噴丸過程中，材料表層會發(fā)生高速塑性變形，材料的屈服應力和屈服極限在不同的應變速率下將發(fā)生改變，因而GCR15 材料的塑性參數(shù)采用Johnson-Cook[4]模型。該模型適用于大多數(shù)發(fā)生高應變速率變形的材料，材料的屈服極限表示為：

式中：δ為材料屈服極限；A為材料屈服應力；B為材料應變冪指系數(shù)；ε為材料等效塑性應變；n 為應變硬化指數(shù)；C 為應變率敏感系數(shù)；ε*為應變影響因子；T*為溫度影響因子；m為溫度敏感性系數(shù)。

表1 軸承鋼的基本材料參數(shù)

表2 GCR15材料本構模型參數(shù)

同時在ABAQUS 中要設置材料熔點和參考溫度（一般取室溫），其他參數(shù)如表2 所示[5]。考慮到計算時長，同時強化研磨強化層深一般在1 mm 之內(nèi)，為了減小模型邊界反射作用的影響，板料模型尺寸取為5 mm×5 mm×3 mm。設定研磨料單元類型為C3D10M，板材單元C3D8，強化研磨影響區(qū)采用局部細化網(wǎng)格方式劃分單元，且網(wǎng)格尺寸小于研磨料直徑的1/10，考慮到研磨料最小直徑為0.18 mm，板材及研磨粉網(wǎng)格最小尺寸設置為0.015 mm，設置彈丸與板表面之間的摩擦模型為罰函數(shù)摩擦模型，摩擦因數(shù)取為0.2，設置好邊界條件與約束，將研磨料初始速度方向設置為60°，只將速度大小作為單一變量進行研究，在ABAQUS 中運用顯式動力學分析步求解模擬研磨料對板材表面的撞擊過程，求解時間設置為4×10-5s。查看器中在板材上表面撞擊點畫條沿Z 軸的路徑，路徑節(jié)點的起點與終點編號分別為53 950、53 984，上述板料、研磨料模型、網(wǎng)格劃分、路徑信息如圖1所示。分別模擬30 m/s、50 m/s、70 m/s、90 m/s研磨料速度的撞擊情況，繪制路徑上沿Y軸方向變形的二維圖，如圖2所示。

圖1 模型信息

圖2 不同噴射速度對于鋼板變形的影響

分別測量變形長度L，其中變形長度L 的測量方法如圖3所示，并將30 m/s、50 m/s、70 m/s、90 m/s 研磨料速度撞擊后沿路徑的變形分別編號為1、2、3、4，各自的變形長度情況如圖4 所示。由圖可知，30～50 m/s 的速度撞擊鋼板時，鋼板的最大變形量以速度每增大20 m/s，變形量以6%呈線性關系增加；當速度從70 m/s 增大到90 m/s 時，鋼板的最大變形量以速度每增大20 m/s，變形量以8%呈線性關系增加。這是由于當研磨粉速度達到50 m/s 后，鋼球與鋼板有了接觸，造成鋼板變形量增大，這一點從圖2 中可以看到。當速度低于50 m/s時，鋼板除了有0.08 mm的凹陷外，還有0.01～0.02 mm的突起；而當速度高于50 m/s 后，在較深凹陷的旁邊還有一個較淺的凹陷，這個較淺的凹陷就是由于鋼球與鋼板的接觸造成的。

從以上分析可知，研磨料能夠造成一定深度的微凹坑，且深度隨著研磨料速度的增大而增大，微凹坑的長度隨著研磨料速度每增大20 m/s以7%的平均增長率增大。

圖3 變形長度提取方法

圖4 靶射速度與鋼板變形長度關系

2 實驗方案

本節(jié)對軸承鋼板強化研磨處理后微凹坑的“油囊”效果進行試驗驗證，在廣州大學金屬材料強化研磨高性能加工重點實驗室進行鋼板的強化研磨。其中研磨料使用1 mm的高硬度鋼球+80#棕剛玉研磨粉，強化研磨液的配比參照文獻[6]。靶射距離為40 cm，靶射角度控制在60°左右，將靶射壓力作為控制研磨料速度的關鍵因素，參照文獻[7]。將壓力控制在0.2～0.8 MPa，可使靶射速度在30～80 m進行波動，將壓力控制在區(qū)間0.2～0.3 MPa、0.3～0.5 MPa、0.5～0.7 MPa、0.7～0.8 MPa各做一次試驗，強化后的鋼板用線切割機各切一塊，切成15×10×10的小方塊，分別編號A、B、C、D作為實驗組，另取一塊未經(jīng)強化研磨處理的鋼板編號為E，作為對照組。將上述5個鋼塊用實驗室自制的往復式摩擦磨損試驗機在油潤滑條件下進行摩擦磨損試驗，以C 組為例，得到的摩擦因數(shù)曲線如圖5所示。從圖中可以看出，摩擦因數(shù)在穩(wěn)定摩擦階段是在一個范圍內(nèi)上下波動。

圖5 C組摩擦因數(shù)曲線

圖6 各組摩擦因數(shù)

為了方便表達，本文取穩(wěn)定摩擦階段的平均值作為摩擦因數(shù)，則上述5 個鋼塊的摩擦因數(shù)如圖6 所示。由圖6 可知，經(jīng)強化研磨處理后的鋼板在油潤滑條件下摩擦因數(shù)遠小于未經(jīng)強化研磨處理的鋼板，且隨著靶射壓力或速度的增大，摩擦因數(shù)逐漸減小，但減小速率逐漸趨于平緩，這與上述研究的仿真相照應，隨著速度的增大，鋼板變形速率逐漸減慢，摩擦因數(shù)減小速率趨于平緩。

3 結(jié)束語

（1）通過建立強化研磨單顆研磨料碰撞鋼板的有限元模型，模擬強化研磨單顆研磨料碰撞結(jié)果，發(fā)現(xiàn)隨著研磨料速度的增加，鋼板變形的深度以及寬度逐漸增加，且增長速率逐漸放緩。

（2）通過對強化研磨加工后的鋼板進行摩擦磨損試驗，對比強化前后的摩擦因數(shù)。強化研磨后鋼板在油潤滑條件下的摩擦因數(shù)遠遠小于未經(jīng)強化處理的鋼板，且隨著研磨料速度的增加，在油潤滑條件下的平均摩擦因數(shù)逐漸減小，且減小速率逐漸放緩。

（3）聯(lián)系以上兩點，強化研磨過程中，研磨料與金屬材料的碰撞能夠形成微凹坑，這些微凹坑具備改善油潤滑條件下的摩擦環(huán)境，降低摩擦因數(shù)的能力。