復(fù)合噴丸對2024-T3鋁合金表面形貌及殘余應(yīng)力影響機(jī)制

韓明剛，周利娟，王子昱，張龍波，宋彥嶠

(1. 咸陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電學(xué)院，陜西 西安 712000；2. 中航西飛漢中航空零組件制造有限公司，陜西 漢中 723000；3. 南京航空航天大學(xué) a. 機(jī)電學(xué)院； b. 航空學(xué)院； 江蘇 南京 210016)

0 引言

噴丸作為一種表面處理方法，可顯著提高工件的疲勞壽命[1]。復(fù)合噴丸是指在一次噴丸的基礎(chǔ)上，采用小尺寸彈丸對材料表面再次進(jìn)行噴丸，從而使工件獲得更好的殘余壓應(yīng)力場和表面形貌的一種表面處理方式[2]。

李克等[3]研究表明復(fù)合噴丸后使材料表面質(zhì)量提高，材料表面更加細(xì)密均勻。華程等[4]研究了單次噴丸和復(fù)合噴丸工藝下材料表面形貌、表面粗糙度、殘余應(yīng)力場的分布特征，研究表明復(fù)合噴丸能夠獲得更平整的表面形貌和表面粗糙度。陳天運(yùn)等[5]研究了噴丸對材料疲勞性能的影響，研究發(fā)現(xiàn)復(fù)合噴丸改善了表面粗糙度，抑制了加工刀痕，使零件疲勞強(qiáng)度極限值較未噴丸零件提高了37%，提高了零件抗疲勞斷裂的能力。梁若等[6]采用有限元方法建立了復(fù)合噴丸周期性有限元模型，發(fā)現(xiàn)復(fù)合噴丸使材料表面殘余應(yīng)力更加均勻。

本文以2024-T3鋁合金為研究對象，研究一次噴丸和二次噴丸工藝對材料的表面形貌特征、殘余應(yīng)力的分布以及等效塑性應(yīng)變的影響規(guī)律，為后續(xù)進(jìn)一步研究材料性能提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料與有限元模型

1.1 試驗(yàn)材料與方案

試驗(yàn)材料選用2024-T3鋁合金，其彈性模量為71GPa，泊松比為0.33，密度為2.77g/cm3。

噴丸屬于高應(yīng)變率問題，因此對材料塑性行為采用Johnson-Cook進(jìn)行描述，如式(1)[7]所示，其具體參數(shù)如表1[8]所示。

表1 2024-T3 Johnson-Cook 本構(gòu)模型參數(shù)

(1)

表2列出了仿真方案，其中一次噴丸直徑分別為0.6mm、1.2mm與1.8mm，復(fù)合噴丸(本文選用二次噴丸)采用0.3mm彈丸進(jìn)行光整噴丸。

表2 仿真實(shí)驗(yàn)方案 單位：mm

在噴丸仿真中，噴丸壓力與流量分別為0.4MPa與10kg/min。根據(jù)式(2)[9]計(jì)算當(dāng)前工藝下彈丸速度匯總于表3中。

表3 仿真彈丸速度

(2)

式中：v為彈丸速度，m·s-1；P為噴丸壓力，0.1MPa；qm為噴丸流量，kg/min；d為彈丸直徑，mm。

1.2 隨機(jī)彈丸建模方法

為了保證仿真與實(shí)際噴丸更為接近，采用隨機(jī)彈丸法進(jìn)行建模，計(jì)算單彈丸凹坑直徑，根據(jù)凹坑直徑計(jì)算0.6mm×0.6mm正方形區(qū)域內(nèi)，覆蓋率為97%以上彈丸所需數(shù)量，并采用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法選擇不同工況下彈丸數(shù)量的中位值，最終確定彈丸個(gè)數(shù)，彈丸生成邏輯如圖1所示，彈丸個(gè)數(shù)和覆蓋率見表4。

圖1 隨機(jī)彈丸生成流程圖

表4 彈丸個(gè)數(shù)及覆蓋率

1.3 有限元模型

根據(jù)1.2節(jié)所述方法，一次噴丸與二次噴丸建模如圖2所示。為了進(jìn)一步保證有限元模型計(jì)算的準(zhǔn)確性，在應(yīng)力梯度較大區(qū)域進(jìn)行了網(wǎng)格二次加密，網(wǎng)格最小尺寸為0.01mm，單元類型采用C3D8R，摩擦系數(shù)采用0.05。彈丸設(shè)置為剛體，基體整體尺寸為6mm×6mm×6mm立方體，且底部自由度全部約束。

圖2 有限元模型

2 結(jié)果與討論

2.1 復(fù)合噴丸下表面形貌演變規(guī)律

圖3為一次噴丸與二次噴丸工藝下表面形貌等高線圖。從圖中可以看出，在一次噴丸中，隨著彈丸尺寸的增大，其等高線分布更加稀疏，這意味著彈坑也就更加顯著，且彈坑更深，從25μm增加至58μm；在二次噴丸后，材料表面形貌更加復(fù)雜，尤其是當(dāng)一次噴丸彈丸尺寸分別為1.2mm與1.8mm時(shí)，二次噴丸有明顯的表面形貌變化，然而0.6mm彈丸表面形貌變化并不顯著。

為進(jìn)一步說明一次噴丸與二次噴丸表面形貌變化規(guī)律，提取表面中心位置高度曲線進(jìn)行對比分析(圖3)。如圖3(a)所示，當(dāng)彈丸尺寸為0.6mm時(shí)，經(jīng)0.3mm小彈丸二次噴丸后，其表面高度變化不大，而1.2mm與1.8mm彈丸經(jīng)二次噴丸后期高度有所下降，在10μm以內(nèi)。結(jié)合圖3與圖4，二次噴丸有對表面形貌有一定的改善作用，但其效果并不十分顯著，這可能是由于覆蓋率較低所導(dǎo)致的。

圖3 一次噴丸與二次噴丸工藝下表面形貌等高線圖

圖4 一次噴丸與二次噴丸表面中心位置高度曲線

2.2 復(fù)合噴丸下材料內(nèi)PEEQ分布規(guī)律

圖5為一次噴丸與二次噴丸工藝下等效塑性應(yīng)變(PEEQ)分布云圖。從圖中可以看出，隨著彈丸尺寸的增加，塑性變形層深度明顯增加。然而，當(dāng)彈丸尺寸較小時(shí)(0.6mm與1.2mm)，材料表層塑性應(yīng)變分布并不均勻，局部塑性應(yīng)變較大。這是由于覆蓋率相同的情況下，小彈丸需要更多的彈丸個(gè)數(shù)，可能導(dǎo)致同一位置處彈丸撞擊次數(shù)較多，材料塑性變形累積較大。經(jīng)二次噴丸后，材料表層塑性變形更加均勻。然而在0.6mm與0.3mm復(fù)合噴丸下，材料表面局部仍存在較大的塑性變形區(qū)域，并沒有在二次噴丸后得到改善。

圖5 一次噴丸與二次噴丸工藝下PEEQ分布云圖

圖6進(jìn)一步揭示了一次噴丸與二次噴丸工藝下沿深度方向PEEQ分布規(guī)律。從圖6中可以看出，噴丸后材料表面出現(xiàn)明顯的塑性變形層，且隨著深度的增加，塑性變形減小；在相同位置處，隨著彈丸尺寸的增加，塑性變形更大；二次噴丸后，在材料的近表層塑性應(yīng)變明顯增大。這是由于二次噴丸塑性應(yīng)變累積所導(dǎo)致。然而，隨著深度的增加，一次噴丸和二次噴丸塑性應(yīng)變基本趨于一致，說明二次噴丸對材料內(nèi)塑性應(yīng)變的影響較小。

圖6 一次噴丸與二次噴丸工藝下沿深度方向PEEQ分布曲線

圖7與圖8進(jìn)一步給出了一次噴丸與二次噴丸工藝下PEEQ深度與最大值。從圖7中可以看出，當(dāng)彈丸尺寸分別為0.6mm、1.2mm.1.8mm時(shí)，塑性應(yīng)變層深度分別為0.356mm、0.668mm、1.040mm，基本呈現(xiàn)出線性增加規(guī)律。然而，塑性應(yīng)變層深度在二次噴丸作用下沒有發(fā)生改變，因此塑性應(yīng)變層深度主要取決于一次噴丸的彈丸尺寸大小。此外，從圖8可知，無論是一次噴丸還是二次噴丸，材料內(nèi)PEEQ變化并沒有顯著規(guī)律。這主要是由于彈丸隨機(jī)撞擊導(dǎo)致。

圖7 一次噴丸與二次噴丸工藝下PEEQ深度

圖8 一次噴丸與二次噴丸工藝下最大PEEQ值

2.3 復(fù)合噴丸下材料內(nèi)殘余應(yīng)力分布規(guī)律

圖9為一次噴丸與二次噴丸工藝下金屬表面殘余應(yīng)力分布云圖。由圖可知，隨著彈丸尺寸的增加，殘余壓應(yīng)力層深度顯著增加，這與先前的研究一致，而內(nèi)部殘余應(yīng)力在隨機(jī)彈丸的撞擊下呈現(xiàn)不均勻分布，在二次噴丸作用下，材料表面殘余應(yīng)力基本為壓應(yīng)力，相較于一次噴丸，應(yīng)力分布更加均勻。圖10進(jìn)一步揭示了殘余應(yīng)力沿深度方向的分布規(guī)律。從圖中可以看出，在噴丸作用下，材料表層整體呈現(xiàn)殘余壓應(yīng)力，內(nèi)部為拉應(yīng)力，而材料內(nèi)殘余應(yīng)力的分布主要取決于一次噴丸(即大彈丸作用)。當(dāng)彈丸尺寸為0.6mm時(shí)，二次噴丸和一次噴丸殘余應(yīng)力分布基本保持一致，而當(dāng)彈丸尺寸為1.2mm與1.8mm時(shí)，材料表層殘余壓應(yīng)力無顯著變化，而其內(nèi)部殘余拉應(yīng)力有略微增大的趨勢。

圖9 一次噴丸與二次噴丸工藝下金屬表面殘余應(yīng)力分布云圖

圖10 一次噴丸與二次噴丸工藝下沿深度方向平均殘余應(yīng)力曲線

圖11與圖12分別為一次噴丸與二次噴丸工藝下殘余應(yīng)力層深度與最大值。從圖11可知，彈丸尺寸從0.6mm提高至1.8mm時(shí)，其殘余壓應(yīng)力層深度由0.250mm提高至0.749mm，說明彈丸尺寸越大，其殘余壓應(yīng)力作用層更深，而二次噴丸對殘余壓應(yīng)力層并沒有顯著影響。因此，當(dāng)彈丸覆蓋率為97%以上時(shí)，小彈丸更多的還是光整作用。從圖12可知，殘余壓應(yīng)力的最大值并沒有展現(xiàn)出很好的規(guī)律性，這是由于相同覆蓋率下，因彈丸的隨機(jī)撞擊，可能導(dǎo)致相同位置處發(fā)生多次撞擊情況，因此所引起的殘余壓應(yīng)力值也并不相同。

圖11 一次噴丸與二次噴丸工藝下殘余壓應(yīng)力層深度

圖12 一次噴丸與二次噴丸工藝下最大殘余壓應(yīng)力

3 結(jié)語

本文以2024-T3鋁合金為研究對象，研究了一次噴丸與二次噴丸下材料表面形貌及內(nèi)部殘余應(yīng)力與塑性應(yīng)變演變規(guī)律，結(jié)論如下：

1)相比于一次噴丸，二次噴丸可在一定程度上降低材料表面粗糙度，但在彈丸覆蓋率為97%～100%時(shí)，這種改善作用并不顯著；

2)隨著彈丸尺寸增加，塑性應(yīng)變層深度加大，在二次噴丸下，材料表面塑性應(yīng)變會(huì)進(jìn)一步累積，且塑性應(yīng)變分布更均勻；但當(dāng)深度超過一定值后，二次噴丸對材料內(nèi)塑性應(yīng)變分布基本沒有影響；

3)噴丸后材料內(nèi)殘余應(yīng)力的深度隨著彈丸尺寸增大顯著增加，二次噴丸材料內(nèi)應(yīng)力分布不變，當(dāng)覆蓋率為97%～100%時(shí)，二次噴丸不會(huì)導(dǎo)致更深的殘余應(yīng)力層，且在隨機(jī)彈丸的作用下，最大殘余壓應(yīng)力值并沒有出現(xiàn)明顯分布規(guī)律。