碾壓強化有限元建模及分析研究

魯 宏，戴魏魏，楊 焜，權(quán)國政

（1.中遠海運集團 南京國際船舶設(shè)備配件有限公司，江蘇 南京211121；2.重慶大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，重慶400044）

在世界工業(yè)飛速發(fā)展的背景下，裝備構(gòu)件本身工作環(huán)境的惡劣和實際生產(chǎn)中的需求，對構(gòu)件的使用性能及各項力學(xué)性能的要求愈加嚴格，這都要求更進一步改善構(gòu)件材料性能。提高構(gòu)件材料的性能、產(chǎn)品質(zhì)量和成品率是迫在眉睫的重要問題。而其中構(gòu)件表層性能的強化又是非常重要的一環(huán)[1～6]。

目前，在我國對于構(gòu)件表層強化方法的研究很多，強化方法也很多，有激光沖擊強化、噴丸沖擊強化、固溶處理等等。但我國構(gòu)件制造行業(yè)缺乏對碾壓工藝系統(tǒng)而全面的研究，缺乏對碾壓工藝數(shù)據(jù)模擬系統(tǒng)的研究，同時對碾壓成形的控制比較落后[7]。強化構(gòu)件表層的方法多種多樣，常見的就是激光沖擊強化、噴丸沖擊強化、固溶處理、滲碳處理等等。但這些方法都有一定的缺點，例如，采用普通噴丸強化工藝進行表面處理時，很容易產(chǎn)生變形過大或粗糙度過大問題導(dǎo)致工件報廢。碾壓作為局部連續(xù)塑性成形工藝的一種，適合對構(gòu)件表層實現(xiàn)強化[8]。工件焊接后采用表層碾壓處理，可在一定程度上消除焊縫處的殘余應(yīng)力，提高焊接接頭性能。對工件進行表層碾壓工藝，可使工件表層發(fā)生加工硬化，起到表層強化的效果。此外，碾壓能夠根據(jù)需求修整工件的表面光潔度，提升其尺寸精度，碾壓工藝的應(yīng)用范圍十分廣泛[9～10]?；谏鲜鰡栴}，設(shè)計碾壓關(guān)鍵參數(shù)組合方案，探究構(gòu)件碾壓變形強化的規(guī)律顯得尤為重要。

1 碾壓強化有限元模型構(gòu)建

碾壓強化有限元模型示意圖如圖1 所示，碾輪與工件有一個水平相對速度，工件不動，碾輪向右移動，碾輪本身隨著水平移動產(chǎn)生從動碾轉(zhuǎn)。碾輪與工件在碾輪徑向有一定閉合距離。最后，碾輪在工件表面碾出一道槽實現(xiàn)強化效果。

圖1 碾壓強化過程示意

2 碾壓強化有限元模擬分析

通過有限元模擬仿真碾壓過程，可以看到表面碾壓是一種對成形后的工件進行表層強化的工藝，它不會使材料的化學(xué)成分發(fā)生變化，僅僅使材料表層組織狀態(tài)發(fā)生變化。本次模擬溫度條件設(shè)置在室溫下，碾輪與板相對速度為125m/min，下壓量為2.4mm。本文主要分析板經(jīng)碾壓后表層等效應(yīng)力產(chǎn)生情況，從而判斷工件表層碾壓強化效果。經(jīng)ABAQUS分析計算后，此次實驗工件經(jīng)碾壓后表層米塞斯應(yīng)力分布圖如圖2 所示。

由圖2 可知，工件經(jīng)碾壓強化后，表層應(yīng)力分布狀況關(guān)于碾壓形成的槽大致呈對稱狀態(tài)，而且就碾壓過程中某一瞬時時刻來看，米塞斯應(yīng)力的峰值總是出現(xiàn)在碾出的槽兩側(cè)的對稱的區(qū)域，這是由于碾輪碾壓的碾轉(zhuǎn)對稱性所致，在這一區(qū)域材料變形最嚴重，所以應(yīng)力值最大。在工件與碾輪兩側(cè)接觸的變形區(qū)，其應(yīng)力分布狀態(tài)十分復(fù)雜，兩個對稱的區(qū)域向槽底的應(yīng)力分布逐漸降低，產(chǎn)生了槽底應(yīng)力最小，而沿槽壁應(yīng)力逐漸增大的應(yīng)力分布現(xiàn)象，這是由于碾壓槽底兩側(cè)的接觸區(qū)應(yīng)變較大，變形抗力較大所致。本文探討碾壓參數(shù)對表層強化效果的影響，選擇槽底穩(wěn)定碾壓出的最大應(yīng)力為指標來判斷強化效果。

圖2 v=125m/min,下壓量2.4mm 時米塞斯應(yīng)力分布圖

碾輪與工件相對速度（即碾輪線速度）為125m/min，下壓量2.4mm 是槽底應(yīng)力分布如圖3，橫坐標為距工件碾壓開端處距離。如圖所示，碾壓開始和結(jié)束時應(yīng)力反常，主要原因是因為碾壓開始和結(jié)束時并未達到穩(wěn)定碾壓狀態(tài)，有可能是應(yīng)力集中，也可能是變形過小。如圖3，在ABAQUS 中，在穩(wěn)定碾壓處，查得最大應(yīng)力值為1036MPa。本文以此應(yīng)力值為指標，來判斷碾壓強化結(jié)果，應(yīng)力值越大，表面強化效果越好。

圖3 v=125m/min、下壓量2.4mm 時槽底米塞斯應(yīng)力分布圖

3 下壓量對強化效果的影響規(guī)律研究

下壓量或碾壓力、碾壓速度、碾壓次數(shù)和碾輪工作角等碾壓參數(shù)影響碾壓強化結(jié)果。探究碾壓參數(shù)的變化對強化規(guī)律的影響是非常有必要的。本文選取影響金屬表層碾壓強化結(jié)果的諸多碾壓參數(shù)中的下壓量個參數(shù)作為變量參數(shù)，通過不同情況下的組合實驗來分析下壓量對表層碾壓強化結(jié)果的影響規(guī)律。

本文中，下壓量選取了四個呈梯度變化的參數(shù)值。下壓量選取的值分別為2.4、2.6、2.8、3.0（mm）；在幾種不同的碾壓速度下測得了工件槽底最大米塞斯應(yīng)力值。

工件表層被碾變形部分應(yīng)力分布十分復(fù)雜，復(fù)雜的原因有：首先，受工件本身材料屬性影響；其次，碾壓為局部連續(xù)塑性變形，變形情況復(fù)雜，應(yīng)力應(yīng)變情況復(fù)雜；此外，還受所用模擬軟件計算方法以及網(wǎng)格劃分情況等因素的影響。而工件在經(jīng)碾壓后還需車削，最后工件表面與碾壓槽底相平。因此，分析碾壓穩(wěn)定階段的槽底最大米塞斯應(yīng)力即可分析碾壓參數(shù)對工件表層的強化能力。

旋壓強化能實現(xiàn)是因為工件表層經(jīng)過旋壓后，表層產(chǎn)生了加工硬化和強化應(yīng)力，從而提高材料表層性能和疲勞強度。鑒于曲線圖更能直觀地反映應(yīng)力的變化情況，因此繪制了在不同碾壓速度下應(yīng)力隨下壓量增加的變化情況曲線圖4。從圖4 中可以觀察到：在碾壓速度為125、130、135、140m/min 這四種情況下，碾壓后工件表層槽底米塞斯應(yīng)力值隨著下壓量的增大而逐漸增大。這表明在一定范圍內(nèi)，隨著壓下量增大碾壓強化效果越佳。隨著下壓量的增大，工件變形區(qū)的應(yīng)變更大，該處材料的加工硬化現(xiàn)象越嚴重，從而表層產(chǎn)生的應(yīng)力更大，在模擬中表現(xiàn)出來的便是碾壓后測得的米塞斯應(yīng)力更大。

圖4 不同碾壓速度下應(yīng)力隨下壓量變化而變化曲線圖

4 結(jié)語

本文基于ABAQUS 有限元分析軟件，進行了構(gòu)件表層碾壓強化數(shù)值模擬，分析總結(jié)了構(gòu)件表層經(jīng)碾壓強化后應(yīng)力分布規(guī)律及下壓量碾壓參數(shù)對強化效果的影響規(guī)律。本文主要研究內(nèi)容及結(jié)論如下：

（1）本文建立了工件表層碾壓模型并成功模擬，同時對下壓量和碾壓速度兩個參數(shù)設(shè)置了四個變值，并進行了全水平模擬，分析了下壓量對表層碾壓強化效果的影響。

（2）本文探討了構(gòu)件表層碾壓強化的下壓量工藝參數(shù)對強化效果的影響。在一定范圍內(nèi)，隨著壓下量增大碾壓強化效果越佳。所以，實際工況中在能保證表層碾壓能容易實現(xiàn)的情況下盡可能選擇大的下壓量。