TC4合金低塑性拋光過(guò)程數(shù)值模擬

閆 含，劉小剛

（南京航空航天大學(xué)能源與動(dòng)力學(xué)院，南京210016）

0 引言

航空發(fā)動(dòng)機(jī)工作環(huán)境惡劣，面臨著高溫、高壓、高沖擊的挑戰(zhàn)，對(duì)部件材料的性能和可靠性提出了嚴(yán)苛的要求。而鈦合金葉片在實(shí)際工作時(shí)還易受到外物損傷的影響，為了提高其使用特性，對(duì)其進(jìn)行表面強(qiáng)化處理尤為重要[1]。低塑性拋光（Low Plasticity Bur?nishing,LPB）是一種較新的表面強(qiáng)化技術(shù)，拋光完成后可在材料表面引入殘余應(yīng)力層，改善表面組織結(jié)構(gòu)，細(xì)化材料晶粒，降低表面粗糙度，從而顯著提高零部件的疲勞強(qiáng)度[2]。開展鈦合金低塑性拋光表面強(qiáng)化研究，可為航空發(fā)動(dòng)機(jī)部件延壽工作提供重要手段和理論支撐。在低塑性拋光加工過(guò)程中，工藝參數(shù)選擇對(duì)強(qiáng)化效果有重要影響。采用數(shù)值模擬方法研究不同工藝參數(shù)組合對(duì)殘余應(yīng)力層的影響規(guī)律，可為工藝參數(shù)設(shè)置提供參考，同時(shí)大幅降低試驗(yàn)成本。

低塑性拋光技術(shù)的研究在國(guó)外較多，較為成熟，于2009 年即在美國(guó)航空管理局的授權(quán)下實(shí)際應(yīng)用于鈦合金葉片的表面強(qiáng)化處理[3]，在中國(guó)其研究才剛剛起步。Prevéy 等[4]對(duì)多種材料的疲勞性能和殘余應(yīng)力進(jìn)行了研究，利用LPB 消除鈦合金的微動(dòng)疲勞損傷，提升鈦合金風(fēng)扇葉片的損傷容限，延長(zhǎng)高溫鎳基合金IN718 的疲勞壽命和緩解450 鋼的疲勞腐蝕等；Seemikeri 等[5-6]通過(guò)全因子試驗(yàn)研究了LPB 工藝參數(shù)中的主要影響因素及其影響顯著性排序，在表面粗糙度方面，影響顯著性從高到低的排序依次為液壓油預(yù)壓力、滾壓速度、滾珠直徑、滾壓道次；Kermouche 等[7]運(yùn)用局部接觸法分析了LPB工藝參數(shù)對(duì)15-5PH不銹鋼表面殘余應(yīng)力分布的影響，發(fā)現(xiàn)滾珠與工件的接觸半徑和殘余壓應(yīng)力區(qū)隨液壓油預(yù)壓力的增大而增大，而進(jìn)給速度和滾壓速度的影響較??；在數(shù)值模擬方面，F(xiàn)arough 等[8]進(jìn)行LPB 加工過(guò)程仿真時(shí)，建立了3維非線性有限元模型，采用響應(yīng)面法并結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果，擬合了光滑響應(yīng)函數(shù)，可準(zhǔn)確逼近殘余應(yīng)力場(chǎng)；Zhuang 等[9-10]運(yùn)用3 維非線性動(dòng)接觸有限元模型來(lái)模擬LPB 多程加工過(guò)程，并預(yù)測(cè)了材料性能、液壓油預(yù)壓力、滾壓球尺寸對(duì)殘余應(yīng)力分布的影響；袁喜林[11]采用顯示動(dòng)力學(xué)分析，通過(guò)建立TA2 合金LPB 3 維模型分析了不同工藝參數(shù)下的殘余應(yīng)力場(chǎng)分布規(guī)律，并基于相似理論和正交試驗(yàn)結(jié)果，擬合出工藝參數(shù)與殘余應(yīng)力和應(yīng)變面積之間的關(guān)系式；賀蒙[12]采用ABAUS/Explicit 軟件建立TC4 合金LPB 2 維平面應(yīng)變模型，分析液壓油預(yù)壓力變化對(duì)殘余應(yīng)力分布的影響，仿真值與試驗(yàn)值較吻合。

目前研究者對(duì)多種合金材料進(jìn)行了低塑性拋光試驗(yàn)和數(shù)值模擬研究，但針對(duì)TC4合金的低塑性拋光相關(guān)研究較少，而工藝參數(shù)對(duì)TC4合金板材殘余應(yīng)力影響的系統(tǒng)研究更為缺乏。本文采用ANSYS 軟件通過(guò)單因素試驗(yàn)法對(duì)TC4 合金板材進(jìn)行低塑性拋光過(guò)程模擬，建立2 維模型分析液壓油預(yù)壓力、滾壓速度、滾壓道次對(duì)殘余應(yīng)力分布的影響，建立3 維模型分析進(jìn)給量對(duì)殘余應(yīng)力分布的影響，并根據(jù)不同工藝參數(shù)影響的顯著性對(duì)其進(jìn)行了排序。

1 低塑性拋光基本原理

低塑性拋光是一種數(shù)控拋光技術(shù)，其設(shè)計(jì)目的是在低冷作或小塑性變形的條件下使零件產(chǎn)生深層高壓縮殘余應(yīng)力，其原理如圖1 所示。從圖中可見，在液壓油的作用下，通過(guò)滾壓球?qū)Σ牧媳砻娲怪笔┘訅毫?，?dāng)材料受到的壓力超過(guò)屈服極限時(shí)，表層材料的金屬晶粒會(huì)發(fā)生滑移、位錯(cuò)、破碎，產(chǎn)生塑性變形，而內(nèi)部的材料會(huì)受到彈性張力的影響。當(dāng)滾壓球離開材料后，彈性變形的恢復(fù)受到材料表層塑性變形的限制[13]。拋光完成后，材料表層處于殘余壓應(yīng)力狀態(tài)，而內(nèi)部處于殘余拉應(yīng)力狀態(tài)，其表面會(huì)發(fā)生晶粒細(xì)化和加工硬化，可大幅度提高零件的疲勞強(qiáng)度。

低塑性拋光加工完成后的表面殘余應(yīng)力主要由熱應(yīng)力和彈塑性應(yīng)變引起[14]。在熱應(yīng)力影響下，材料表面金屬收縮，微觀組織發(fā)生變化，對(duì)內(nèi)部的材料產(chǎn)生拉應(yīng)力或較小的壓應(yīng)力。而彈塑性變形是殘余應(yīng)力產(chǎn)生的主要原因，在滾壓球的壓力作用下，表層金屬產(chǎn)生塑性變形，內(nèi)部金屬產(chǎn)生彈性變形。滾壓球離開后，內(nèi)部的基體材料應(yīng)力趨于平復(fù)，但表面金屬的塑性變形沒(méi)有消失，在牽制影響下，材料表面產(chǎn)生殘余應(yīng)力層。

當(dāng)滾壓球在材料表面滾動(dòng)時(shí)，拋光表面與切削表面交界處的金屬發(fā)生塑性流動(dòng)而填入切削表面的凹谷中，表面形貌重新分布后，表面粗糙度降低。低塑性拋光使材料表面發(fā)生塑性變形時(shí)，材料晶粒細(xì)化，晶界面積增加，由于晶界的變形抗力較大，使得表面硬度增加[15]。

圖1 低塑性拋光原理

2 TC4合金板材低塑性拋光過(guò)程數(shù)值模擬

2.1 材料參數(shù)及模型建立

TC4 合金是 α+β 兩相合金，其組分為 Ti-6Al-4V，物理性能參數(shù)見表1。模擬計(jì)算采用有限元軟件ANSYS進(jìn)行，材料模型選用雙線性模型。

表1 TC4合金物理性能參數(shù)

在分析液壓油預(yù)壓力、滾壓速度、滾壓道次3 個(gè)參數(shù)對(duì)殘余應(yīng)力的影響時(shí)，為了節(jié)省計(jì)算時(shí)間，選用2 維模型，如圖2 所示。TC4 合金模型尺寸為10 mm×2 mm，滾壓球直徑為4 mm，模型為平面應(yīng)變狀態(tài)。劃分網(wǎng)格時(shí)，對(duì)厚度為0.5 mm 的上表層材料網(wǎng)格進(jìn)行加密，網(wǎng)格大小為100 μm×10 μm，其余材料網(wǎng)格大小為100 μm×50 μm，共計(jì)10782個(gè)節(jié)點(diǎn)，11001個(gè)單元。

在分析進(jìn)給量對(duì)殘余應(yīng)力的影響時(shí)選用3 維模型，如圖3 所示。TC4 合金模型尺寸為10 mm×5 mm×2 mm，滾壓球直徑為4 mm。上表層材料加密網(wǎng)格大小為250 μm×250 μm×20 μm，其余材料網(wǎng)格大小為250 μm×250 μm×100 μm，共計(jì)50243 個(gè)節(jié)點(diǎn)，50401個(gè)單元。

圖2 LPB 2維有限元模型

圖3 LPB 3維有限元模型

2.2 邊界條件及施加載荷

（1）邊界條件。考慮到TC4合金板材的實(shí)際裝夾情況，對(duì)模型底部施加固定約束，限制其6 個(gè)方向的自由度，板材底部位移均設(shè)為0。

（2）接觸設(shè)置。滾壓球與材料之間為面面接觸，在液壓油的潤(rùn)滑作用下，摩擦力極小，將摩擦系數(shù)設(shè)為0。為避免產(chǎn)生剛體位移，需消除因劃分網(wǎng)格產(chǎn)生的接觸間隙。

（3）載荷工況。將滾壓球當(dāng)作剛體來(lái)處理，通過(guò)剛體的控制節(jié)點(diǎn)來(lái)控制滾壓球的運(yùn)動(dòng)。滾壓力以在控制節(jié)點(diǎn)施加集中力的方式加載，根據(jù)不同的滾壓道次和滾壓速度，對(duì)滾壓球還需施加不同的位移和轉(zhuǎn)動(dòng)約束。

2.3 數(shù)值模擬方案設(shè)計(jì)

對(duì)于LPB加工仿真模型，主要考察液壓油預(yù)壓力F、滾壓速度v、滾壓道次n、進(jìn)給量f4個(gè)工藝參數(shù)對(duì)表面殘余應(yīng)力的影響。模擬方案采用單因素試驗(yàn)法，具體方案見表2，其中2維模型不需考慮進(jìn)給量。

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1 分析方法

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果可知，在不同工藝參數(shù)組合下引入的殘余應(yīng)力均呈“勺形”分布，從試樣表面到內(nèi)部，殘余壓應(yīng)力數(shù)值呈先增大后減小的趨勢(shì)。根據(jù)殘余應(yīng)力分布曲線的形狀，采用最大殘余壓應(yīng)力σrmax、最大殘余壓應(yīng)力深度hrmax、表面殘余應(yīng)力σsr、殘余壓應(yīng)力層深度hcr4個(gè)參數(shù)為參考對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行分析，各參數(shù)的含義如圖4 所示。在進(jìn)行殘余應(yīng)力沿厚度方向的分析時(shí)，對(duì)相同深度處的殘余應(yīng)力值取平均值，繪制殘余應(yīng)力分布曲線。在2 維模型中選取中間較均勻的區(qū)域，如圖5 中紅框所示。在3 維模型中選取4 個(gè)縱向截面進(jìn)行殘余應(yīng)力分布分析，如圖6所示；選取3個(gè)橫向截面進(jìn)行殘余應(yīng)力均勻性分析，如圖7所示。

表2 LPB加工數(shù)值模擬設(shè)計(jì)方案

圖4 殘余應(yīng)力分布曲線

圖5 2維模型數(shù)據(jù)選取區(qū)域

圖6 3維模型殘余應(yīng)力分布分析選取區(qū)域

圖7 3維模型均勻性分析選取區(qū)域

3.2 液壓油預(yù)壓力對(duì)殘余應(yīng)力分布的影響

液壓油預(yù)壓力是指在滾壓工具內(nèi)對(duì)滾壓球施加的作用力，為簡(jiǎn)化分析，將滾壓球受到的作用力簡(jiǎn)化為作用在球心處的集中力。在200 ～500 N 的7種力（僅列舉其中的3種）作用下，典型應(yīng)力如圖8 所示，不同液壓油預(yù)壓力下殘余應(yīng)力分布如圖9 所示。

圖8 3種液壓油預(yù)壓力下的典型應(yīng)力

圖9 不同液壓油預(yù)壓力下殘余應(yīng)力分布

從圖9 中可見，在200 N 壓力下幾乎不產(chǎn)生殘余應(yīng)力；而在其他壓力下，表面殘余應(yīng)力為負(fù)值，代表殘余壓應(yīng)力，而材料內(nèi)部殘余應(yīng)力為拉應(yīng)力。殘余壓應(yīng)力沿深度方向先快速增大至最大值后緩慢減小至0；而殘余拉應(yīng)力分布相對(duì)平緩，變化較小。根據(jù)圖8 中的3 個(gè)應(yīng)力云圖可知，殘余壓應(yīng)力層深度隨壓力增大而明顯增大，最大壓應(yīng)力位于殘余壓應(yīng)力層內(nèi)部，最大拉應(yīng)力位于殘余壓應(yīng)力層底部。定量分析殘余應(yīng)力層參數(shù)時(shí)，由于在200 N 及更小的壓力下，表面不會(huì)引入有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的殘余應(yīng)力層，所以只考慮其他6種壓力。

不同壓力下殘余應(yīng)力層相關(guān)參數(shù)分布如圖10 所示。從圖中可見，隨著液壓油預(yù)壓力的增大，最大殘余壓應(yīng)力也隨之增大，幾乎呈線性分布。其中在350～450 N 下，σrmax增長(zhǎng)最快，最大殘余壓應(yīng)力位置隨液壓油預(yù)壓力增大向材料內(nèi)部移動(dòng)。表層殘余應(yīng)力也隨液壓油預(yù)壓力的增大而增大，但在壓力達(dá)到450 N之后略有減小，變化趨勢(shì)不明顯。殘余壓應(yīng)力層深度與壓力大小密切相關(guān)，壓力越大，深度越深，也呈線性分布。壓力每增大50 N，壓應(yīng)力層深度約增加40 μm。

圖10 不同壓力下殘余應(yīng)力層相關(guān)參數(shù)分布

整體而言，液壓油預(yù)壓力是低塑性拋光過(guò)程中重要的工藝參數(shù)，其大小會(huì)直接關(guān)系到表面殘余應(yīng)力分布和表層塑性變形層深度。若想使殘余壓應(yīng)力層深度更深、壓應(yīng)力更大，需施加更大的液壓油預(yù)壓力。當(dāng)液壓油預(yù)壓力大于450 N 時(shí)，殘余壓應(yīng)力層深度和表層殘余應(yīng)力變化趨勢(shì)不明顯，且內(nèi)部殘余拉應(yīng)力明顯增大，在后續(xù)分析中，液壓油預(yù)壓力統(tǒng)一采用450 N。

3.3 滾壓速度對(duì)殘余應(yīng)力分布的影響

滾壓速度是指滾壓球在拋光過(guò)程中沿加工方向移動(dòng)的速度。分析滾壓速度對(duì)殘余應(yīng)力分布的影響時(shí)，設(shè)置了10 ～50 mm/s的5種速度，不同滾壓速度下殘余應(yīng)力分布如圖11 所示。從圖中可見，不同滾壓速度下殘余應(yīng)力分布曲線相距較近，說(shuō)明滾壓速度對(duì)殘余應(yīng)力的影響效果明顯低于液壓油預(yù)壓力的。

圖11 不同滾壓速度下殘余應(yīng)力分布

不同滾壓速度下殘余應(yīng)力層相關(guān)參數(shù)分布如圖12 所示。從圖中可見，最大殘余壓應(yīng)力與表面殘余應(yīng)力變化趨勢(shì)相同，速度從10 mm/s 增大到50 mm/s時(shí)，應(yīng)力整體呈減小趨勢(shì)，σrmax減小了75 MPa，占13.66%；σsr減小了87 MPa，占51%，但是速度從20 mm/s變化到40 mm/s 時(shí)，應(yīng)力略有增大。最大殘余壓應(yīng)力深度和殘余壓應(yīng)力層深度隨滾壓速度變化較小。在5 種滾壓速度下，hrmax的均值為72 μm，極差為12 μm，hcr的均值為255 μm，極差為21 μm。

圖12 不同滾壓速度下殘余應(yīng)力層相關(guān)參數(shù)分布

分析得出，滾壓速度對(duì)殘余應(yīng)力分布影響較小，對(duì)表層殘余應(yīng)力分布的影響較大。在較低的滾壓速度下，材料會(huì)產(chǎn)生更大的表面殘余壓應(yīng)力，且最大殘余拉應(yīng)力會(huì)在材料內(nèi)部殘余壓應(yīng)力層底部，同時(shí)殘余壓應(yīng)力層也會(huì)更加均勻；在較高的滾壓速度下，最大殘余拉應(yīng)力可能出現(xiàn)在材料表層，在實(shí)際使用過(guò)程中容易產(chǎn)生裂紋，嚴(yán)重影響材料的使用性能。所以在實(shí)際加工過(guò)程中，在保證加工效率的情況下，應(yīng)采用較低的滾壓速度來(lái)引入效果更佳的殘余應(yīng)力層。

3.4 滾壓道次對(duì)殘余應(yīng)力分布的影響

滾壓道次是指滾壓球在材料相同位置處滾壓過(guò)的次數(shù)。當(dāng)滾壓道次分別為1～5時(shí)，其殘余應(yīng)力分布如圖13 所示。從圖中可見，不同道次下殘余應(yīng)力分布曲線同樣較緊密，說(shuō)明滾壓道次對(duì)殘余應(yīng)力分布的影響也不及液壓油預(yù)壓力的。滾壓次數(shù)越多，材料表層的殘余應(yīng)力分布越均勻，相同深度下應(yīng)力差值較小。

圖13 不同滾壓道次下殘余應(yīng)力分布

在不同的滾壓道次下，殘余應(yīng)力層相關(guān)參數(shù)如圖14 所示。從圖中可見，隨著滾壓道次的增加，各相關(guān)參數(shù)變化較小。根據(jù)Melan 定理可知，當(dāng)滾壓道次增加到一定數(shù)量后，材料的殘余應(yīng)力趨于穩(wěn)定，而且后續(xù)過(guò)程中只產(chǎn)生彈性變形。在4 個(gè)參數(shù)中，表面殘余應(yīng)力受滾壓道次的影響最大，1 次滾壓和2 次滾壓表面產(chǎn)生的殘余壓應(yīng)力幾乎相同；當(dāng)滾壓道次增加到3次時(shí)，表面殘余壓應(yīng)力會(huì)明顯增大；繼續(xù)增加滾壓道次，表面殘余壓應(yīng)力略有減小。最大殘余壓應(yīng)力隨滾壓道次增加逐漸增大，但第2 次滾壓時(shí)會(huì)減小21.4 MPa。最大殘余壓應(yīng)力位置隨滾壓道次增加逐漸移向材料內(nèi)部，而殘余壓應(yīng)力層深度變化不明顯，穩(wěn)定在249 μm左右。

圖14 不同滾壓道次下殘余應(yīng)力層相關(guān)參數(shù)分布

綜上所述，經(jīng)過(guò)1 次低塑性拋光處理后，材料表面在壓力作用下產(chǎn)生塑性變形；當(dāng)再次進(jìn)行拋光時(shí)，材料受到的接觸應(yīng)力會(huì)與前一次拋光后產(chǎn)生的殘余應(yīng)力相互作用，通常上一次拋光產(chǎn)生的殘余應(yīng)力層會(huì)起到防護(hù)作用，使得下一次塑性變形略小。滾壓道次并不是越多越好，因?yàn)殡S著滾壓道次的增加，材料表面的殘余應(yīng)力層會(huì)趨于穩(wěn)定。若繼續(xù)增加滾壓道次，不僅不會(huì)對(duì)殘余應(yīng)力層產(chǎn)生影響，還可能增加表面粗糙度，使表層局部位置重疊，最終損害材料的表面完整性。

3.5 進(jìn)給量對(duì)殘余應(yīng)力分布的影響

進(jìn)給量是指相鄰滾壓路徑之間的橫向移動(dòng)距離。計(jì)算了0.1～0.5 mm 5 種進(jìn)給量下的殘余應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)差分布，如圖15 所示。從圖中可見，進(jìn)給量對(duì)殘余應(yīng)力沿厚度方向分布的影響較小。不同進(jìn)給量下殘余應(yīng)力層相關(guān)參數(shù)分布如圖16 所示。從圖中可見，減小進(jìn)給量對(duì)增大最大殘余壓應(yīng)力和增加殘余壓應(yīng)力層深度都有好處。

圖15 不同進(jìn)給量下殘余應(yīng)力分布

圖16 不同進(jìn)給量下殘余應(yīng)力層相關(guān)參數(shù)分布

但是，進(jìn)給量對(duì)殘余應(yīng)力的橫向均勻性有顯著影響，典型橫向應(yīng)力分布如圖17 所示。為了定量研究進(jìn)給量對(duì)殘余應(yīng)力層均勻性的影響，對(duì)相同深度處的殘余應(yīng)力進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)差計(jì)算，不同進(jìn)給量下標(biāo)準(zhǔn)差隨殘余壓應(yīng)力深度的變化如圖18所示。

圖17 不同進(jìn)給量下殘余應(yīng)力橫向分布

圖18 不同進(jìn)給量下標(biāo)準(zhǔn)差分布

根據(jù)應(yīng)力分布可知，進(jìn)給量越小，殘余應(yīng)力分布越均勻，而且從應(yīng)力分布中也可觀察到具體的滾壓位置。從圖18中可見，進(jìn)給量低于0.4 mm時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)差曲線分布形式相同，標(biāo)準(zhǔn)差從材料表層開始先增大后減小，標(biāo)準(zhǔn)差最大值為40 μm 左右；而進(jìn)給量為0.5 mm時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)差先略減小，然后增大，之后再減小，最大值為240 μm 左右。當(dāng)進(jìn)給量低于0.3 mm 時(shí)，材料表層和內(nèi)部的殘余應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)差隨進(jìn)給量的增加呈增大趨勢(shì)，說(shuō)明殘余應(yīng)力層均勻性降低；當(dāng)進(jìn)給量高于0.3 mm時(shí)，增加進(jìn)給量，表層殘余應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)差減小，而內(nèi)部殘余應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)差增大?？傮w而言，進(jìn)給量為0.5 mm 時(shí)表面殘余應(yīng)力分布最均勻，而材料內(nèi)部殘余應(yīng)力均勻性隨進(jìn)給量的減小而提高。

3.6 模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

文獻(xiàn)[12]中采用單因素試驗(yàn)法對(duì)TC4合金棒材進(jìn)行低塑性拋光試驗(yàn)，對(duì)比分析了不同工藝參數(shù)對(duì)TC4合金表面完整性的影響，并用HK21B 盲孔法殘余應(yīng)力測(cè)量?jī)x測(cè)量了LPB 處理后試件的表面殘余應(yīng)力。本文模擬結(jié)果與文獻(xiàn)[12]中的試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比如圖19、20所示，并見表3、4。

圖19 不同壓力下表面殘余應(yīng)力對(duì)比

圖20 不同滾壓道次下表面殘余應(yīng)力對(duì)比

表3 不同滾壓速度下表面殘余應(yīng)力模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果比較[12]

從圖19、20 中可見，當(dāng)液壓油預(yù)壓力增大和滾壓道次增加時(shí)，表面殘余壓應(yīng)力隨之明顯增大，并且液壓油預(yù)壓力變化引起的表面殘余應(yīng)力梯度變化大于滾壓道次變化引起的梯度變化，說(shuō)明液壓油預(yù)壓力的影響大于滾壓道次的。從表3 中可見，滾壓速度變化對(duì)表面殘余應(yīng)力的影響最小，壓應(yīng)力在320～380 MPa之間，當(dāng)滾壓速度小于100 m/min時(shí)，壓應(yīng)力隨滾壓速度的增大而減小。該試驗(yàn)結(jié)果與本文的模擬結(jié)果在表面殘余應(yīng)力大小上有一定差別，這是因?yàn)樵谶M(jìn)行低塑性拋光處理前，試樣經(jīng)過(guò)精車加工，表面引入了151 MPa 的殘余壓應(yīng)力；而在仿真模型中表面處于理想狀態(tài)，無(wú)殘余應(yīng)力。此外，材料性質(zhì)、試樣形狀、工藝參數(shù)、表面初始條件也對(duì)表面應(yīng)力大小有一定影響。

綜上所述，試驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果均表明液壓油預(yù)壓力、滾壓道次、滾壓速度對(duì)表面殘余應(yīng)力的影響趨勢(shì)是相同的，影響的顯著性從高到低依次為液壓油預(yù)壓力、滾壓道次、滾壓速度，這也在一定程度上驗(yàn)證了模擬結(jié)果的有效性。

4 結(jié)論

本文以TC4 合金板材為研究對(duì)象，采用ANSYS軟件對(duì)其低塑性拋光過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬，考察了不同工藝參數(shù)下的殘余應(yīng)力分布，得到如下結(jié)論：

（1）液壓油預(yù)壓力對(duì)殘余應(yīng)力分布有顯著影響；滾壓速度對(duì)殘余應(yīng)力分布影響較小，對(duì)表層殘余應(yīng)力有較大影響；滾壓道次對(duì)表面殘余應(yīng)力影響最大，表面殘余壓應(yīng)力隨滾壓道次的增加而增大；進(jìn)給量除影響殘余應(yīng)力大小外，主要影響殘余應(yīng)力分布的均勻性，進(jìn)給量越小，均勻性越好。

（2）從最大殘余壓應(yīng)力和殘余壓應(yīng)力層深度來(lái)看，4 個(gè)參數(shù)的影響從大到小依次為液壓油預(yù)壓力、進(jìn)給量、滾壓速度、滾壓道次；從表面殘余壓應(yīng)力和最大殘余壓應(yīng)力深度來(lái)看，4 個(gè)參數(shù)的影響從大到小依次為液壓油預(yù)壓力、滾壓道次、進(jìn)給量、滾壓速度。

（3）在實(shí)際加工中，為獲得深度和極值更大且均勻性好的殘余應(yīng)力層，建議將液壓油預(yù)壓力設(shè)為450 N，滾壓速度取為10 mm/s，進(jìn)給量取為0.1 mm，滾壓道次選為3次。