7075-T651鋁合金噴丸工藝的仿真與試驗研究

劉德玉，陳家偉，劉曹文，廖 凱

(1.湖南工業(yè)職業(yè)技術學院電氣工程學院，湖南 長沙 410003；2.中南林業(yè)科技大學機電工程學院，湖南 長沙 410004)

0 前 言

噴丸強化處理可以在材料表層施加一定深度的殘余壓應力層，改變材料表面殘余壓應力的分布情況，從而影響材料性能，因其操作簡便、經(jīng)濟高效，在航空、高鐵機車和汽車工業(yè)上得到了廣泛運用[1-4]。在噴丸過程中工藝參數(shù)的設置至關重要，不同工藝參數(shù)的設置會造成不同的殘余應力場，影響噴丸效果的工藝參數(shù)眾多，采取試驗的方式來探究噴丸工藝參數(shù)的設置效率不高[5-8]。與之相比，噴丸數(shù)值模擬可以快速獲得不同工藝參數(shù)組合下的噴丸結果，便于得到試驗中不易獲取的數(shù)據(jù)，了解噴丸動態(tài)過程[9-14]。

數(shù)值模擬方法的運用為掌握噴丸工藝參數(shù)對噴丸殘余應力場的影響規(guī)律提供了便捷條件。在國外，Maleki等[15]探究了AISI 1060高碳鋼噴丸過程中影響殘余壓應力分布的最主要工藝參數(shù)，結合測試結果發(fā)現(xiàn)在空氣壓力、表面覆蓋率、噴射角度等工藝參數(shù)中，表面覆蓋率對噴丸加工效果產(chǎn)生的影響最大，其影響占比約57%，認為調(diào)整表面覆蓋率有利于在受噴材料表面形成均勻的殘余壓應力，從而提高噴丸件的疲勞壽命；為估測噴丸仿真過程中的表面覆蓋率，Pham等[16]結合有限元模型和Matlab構建出一種新的動態(tài)塑型模型，并利用這一模型探究了覆蓋率、噴射速度等工藝參數(shù)對AISI 4340鋼噴丸效果的影響，結果認為“大彈丸+小彈丸”二次噴丸是經(jīng)濟高效的噴丸工藝方案，還有利于改善噴丸件的表面光潔度；Liu等[17]采用三維有限元模擬來預測噴丸有效參數(shù)，為了使噴丸件上殘余壓應力分布均勻，控制了噴射速度、噴射角度和摩擦系數(shù)等參數(shù)，在研究過程中發(fā)現(xiàn)增加噴射速度和摩擦系數(shù)可以有效增加殘余壓應力的影響深度，還發(fā)現(xiàn)采用隨動強化模型可以更好地貼近試驗結果。在國內(nèi)，李源等[18]利用有限 元仿真軟件ABAQUS，結合python語言進行2次開發(fā)，建立了一種彈丸位置隨機排布的噴丸三維有限元模型，并利用這種模型研究分析了噴丸工藝參數(shù)對殘余應力及表面粗糙度的影響規(guī)律，這一模型考慮了真實噴丸條件下彈丸分布的隨機性，更加貼近真實情況；董星等[19]建立了一種水射流多彈丸有限元模型，通過模型獲得了不同數(shù)量彈丸撞擊下45鋼表面殘余應力場的分布情況，認為不同數(shù)量彈丸撞擊后材料表層徑向殘余應力在深度方向的變化規(guī)律類似，并采用試驗的方法檢驗了模擬結果的可靠性；強斌等[20]采用仿真與試驗相結合的方法，探究了Q345鋼噴丸過程中噴射速度、撞擊次數(shù)和彈丸大小對殘余壓應力分布的影響規(guī)律，結果表明隨噴射速度、撞擊次數(shù)和彈丸大小的增加，殘余壓應力分布會逐漸趨于均勻化；陳家偉等[21]通過ANSYS有限元軟件建立了三維多丸噴丸有限元模型，利用有限元模型獲得了噴射速度和噴射距離等噴丸工藝參數(shù)對殘余壓應力的影響情況，并將結果擬合成多元回歸函數(shù)，最后進行了噴丸驗證試驗，檢驗函數(shù)模型的準確度。

7075-T651鋁合金是一種高強度結構合金，常用于制造航空和汽車機械構件，但隨著設備服役環(huán)境的復雜化和多樣化，對材料性能產(chǎn)生了更高的要求，通過噴丸處理可有效提高鋁合金材料使用性能[21]。為了探究噴射速度、噴射距離和彈丸大小對7075-T651鋁合金噴丸后殘余應力場分布的影響情況，本工作利用ANSYS/LS-DYNA有限元仿真軟件對7075-T651鋁合金進行噴丸仿真模擬，建立1/4實體模型，對撞擊區(qū)域的網(wǎng)格進行切分細化，以節(jié)省計算時間，并對7075-T651鋁合金進行噴丸試驗，通過XRD應力測試結果，檢驗與完善噴丸仿真模型的準確性。

1 噴丸有限元模型的建立

1.1 實體模型

噴丸即大量高速運動的彈丸撞擊到靶材表面，使靶材表層發(fā)生塑性變形，并在靶材表面產(chǎn)生一層殘余壓應力層，從而影響材料的服役性能。由于靶材具有對稱性，為了節(jié)約計算時間，提高計算效率，建模時采用1/4靶材模型，并施加相應條件，在后處理過程中復原成全模型。靶材的尺寸設為1.0 mm×1.0 mm×1.0 mm，彈丸直徑為0.5 mm，為了提高計算精度，將靶材劃分為撞擊區(qū)域和非撞擊區(qū)域，網(wǎng)格的尺寸和質(zhì)量是影響仿真模型準確度的關鍵因素，根據(jù)Han等[22]的研究指出，在噴丸有限元模擬過程中，網(wǎng)格尺寸和彈丸大小的比值應該不大于1/10，將靶材的網(wǎng)格大小設為0.05 mm，采用映射網(wǎng)格劃分，而彈丸不是主要研究對象，網(wǎng)格采用自由劃分。

為貼近實際情況，有限元模型的單元類型選用符合實體材料特性的solid 164單元，這種單元類型便于施加邊界約束，彈丸和靶材之間的距離設置為100 mm，噴射壓力設為0.3 MPa，彈丸速度方向與靶材面成一定角度[23]，在模型的建立過程中，需要將噴射壓力轉(zhuǎn)換為噴射速度施加于彈丸，利用Klemenz博士(Klemenz，2006)推導的公式估算噴丸速度[10]：

(1)

式中p——噴射壓力，MPa

m——噴丸流量，kg/min

d——彈丸直徑，mm

彈丸流量通過試驗測試獲得，稱取1 kg的鑄鋼丸，彈丸直徑為0.5 mm，將稱取的丸料倒入噴丸機貯藏器內(nèi)，開啟空氣壓縮機和噴丸機，將噴丸壓力調(diào)至0.3 MPa，過一段時間，待壓力穩(wěn)定后，開始噴丸，并同步計時，噴出的丸料用盒子收集，以免重新進入機器進行循環(huán)，影響測試的準確性。重復6次試驗，1 kg彈丸循環(huán)一次的時間為1′39″～2′24″，帶入式(1)計算得出噴丸流速約為54 m/min。

高速沖擊動力學問題仿真中的接觸情況通常比較復雜，為了保證模型的可靠性，接觸條件的設置要以實際情況為依據(jù)，采用顯示自動算法和面對面接觸類型，摩擦系數(shù)設為0.2，相鄰兩彈丸之間的搭接率為0.5，如圖1所示為噴丸有限元模型[24]。

圖1 噴丸有限元模型

1.2 本構關系與邊界條件

在仿真過程中，賦予模型不同的本構關系能讓模型呈現(xiàn)不同的材料特性。根據(jù)鋁合金材料特性，選用ANSYS/LD-DYNA材料庫中的雙線性隨動模型作為靶材的本構模型，適合小應變撞擊問題是該模型的特點，使用塑性斜率和彈性斜率可以很好地反映鋁合金材料的力學特性，鋁合金材料和彈丸的力學屬性如表1所示。在實際噴丸中，彈丸的硬度要高于鋁合金靶材，且在本研究中彈丸不是主要考慮對象，視作剛體處理，所以彈丸模型選用Rigid本構關系，并且為了避免彈丸在運動過程中偏離出靶材范圍，還要約束彈丸模型XY平面的位移。仿真模型中彈丸與靶材的體積比要遠大于實際情況，靶材體積不大會導致彈丸沖擊波無法有效逸散，在靶材模型的兩個外側面添加非反射邊界條件，這一設置可以使沖擊波靠近靶材邊界時不會被重新反射回靶材內(nèi)部，影響計算結果的準確度，靶材模型的兩個內(nèi)側面施加對稱邊界條件，這一設置是為了在后處理中能夠以切分面為對稱面，恢復為全模型狀態(tài)，最后在靶材模型的底面添加全約束條件，以防靶材模型受到彈丸的撞擊而被擊飛，圖2為靶材的邊界條件具體施加位置[24]。

表1 材料的力學屬性

圖2 有限元模型邊界條件

1.3 仿真結果

分別統(tǒng)計0.2、0.3、0.5，1.0 mm直徑彈丸噴丸后靶材表面殘余應力的分布情況，繪制成圖。如圖3所示，彈丸直徑為0.2、0.3，0.5 mm時，隨著彈丸直徑的增大，殘余壓應力層的深度會逐漸增大，且殘余壓應力的最大值也在增大，最大達到-329 MPa。但當彈丸直徑為1.0 mm時，近表面殘余壓應力反而較小，例如0～40 μm深度時，采用1.0 mm直徑彈丸撞擊后靶材殘余壓應力值較0.5 mm彈丸減小，但最大殘余壓應力值和殘余壓應力層深度仍增大，這說明彈丸直徑會影響最大殘余壓應力值和殘余壓應力層，但并非彈丸直徑越大，殘余壓應力越大。

圖3 彈丸直徑對殘余應力分布的影響

不同噴射距離噴丸后殘余應力沿深度的分布情況如圖4所示，當噴射距離為100 mm時，殘余壓應力的最大值和殘余壓應力層深度均最大，分別達到-325 MPa和130 μm。當噴射距離為50 mm和150 mm時，最大殘余壓應力值和殘余壓應力層深度幾乎一致，較100 mm有所減小。這一現(xiàn)象表明噴丸時存在1個最佳的噴射距離范圍，當噴射距離小于這個范圍或者超過這個范圍時，會使噴丸效果減弱，當噴射距離過近時，彈丸的動能沒有充分發(fā)揮，當噴射距離過遠時，彈丸的動能消耗過大。

圖4 噴射距離對殘余應力分布的影響

為考慮噴射壓力對殘余應力分布的影響，分別統(tǒng)計了0.2，0.3，0.4，0.5 MPa時殘余應力沿深度方向的分布情況，如圖5所示。當噴射壓力分別為0.2，0.3，0.4 MPa時，最大殘余壓應力值和殘余壓應力層深度都逐漸增大，同0.4 MPa時相比，噴射壓力為0.2 MPa時的最大殘余壓應力提高約45 MPa,增幅達15.8%，殘余壓應力層深度增加約30 μm，這是因為隨著噴丸壓力的提高，彈丸的動能逐漸增大，對靶材的撞擊強度也越大，但0.3 mm和0.4 mm彈丸相比較，提升幅度有限，這說明噴丸壓力對噴丸效果的提升存在飽和情況。當噴射壓力達到0.5 MPa時，最大殘余壓應力值和殘余壓應力層深度增大，但近表面殘余壓應力反而減小，這是由于噴射壓力超過臨界值，彈丸能量過大，導致靶材表面發(fā)生過噴現(xiàn)象，使得在0～40 μm范圍內(nèi)的殘余壓應力值較小。這一現(xiàn)象表明，在噴丸過程中并非噴射壓力越大，噴射效果越好，應當針對不同噴丸條件，選擇合適的噴射壓力。

圖5 噴射壓力對深度方向殘余應力分布的影響

2 試驗與分析

2.1 試驗方案

將7075-T651板材加工成試樣，尺寸為10 mm×35 mm×90 mm，使用鑄鋼丸進行噴丸試驗，采用的噴丸設備是ST-1960吸入式噴丸機，該噴丸依靠空氣壓縮機壓縮空氣提供動力，形成負壓環(huán)境，將貯存器內(nèi)的鑄鋼丸噴出，鑄鋼丸高速撞擊至鋁合金試樣表面，取噴丸工藝參數(shù)為：噴射壓力0.2 MPa，噴射距離50 mm，彈丸直徑0.2 mm進行試驗，在噴丸試驗之前，在鋁合金試樣的受噴面涂抹一層黃色顏料，噴丸時，待試樣受噴面顏色基本消失，視作完整覆蓋1次。圖6為噴丸設備與試樣表面噴丸前后對比圖，噴丸前鋁合金試樣表面光滑，噴完后鋁合金試樣表面呈磨砂狀。

圖6 試樣噴丸前后對比

2.2 應力測試

利用Proto iXRD應力測試儀測量噴丸后試樣的表面應力，XRD靶材采用的是Co_K-Alpha，衍射角度為162°，衍射晶面為(420)，儀器功率設為20 kV/4 mA。XRD應力測試法是無損的應力檢測方法，所測得的數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)有良好的可對比性，使用質(zhì)量分數(shù)為5%的NaOH溶液在試樣上同一位置逐步腐蝕出應力采集點，步長為20 μm，以采集不同深度的殘余應力值，每次測試前用酒精將試樣擦拭干凈，減小試驗誤差。

表面應力的仿真計算值與試驗測量值對比如圖7所示，兩者基本吻合，殘余應力沿深度方向的變化趨勢相近，最大偏差值出現(xiàn)在40 μm處，約為21 MPa。殘余壓應力分布在120 μm深度內(nèi)，近似代表噴丸強化層的深度，120 μm以下呈現(xiàn)殘余拉引力狀態(tài)，殘余拉應力值較小，逐漸趨近于零。

圖7 噴丸后表面應力沿深度方向的分布情況

2.3 誤差分析

有限元模型的計算結果和試驗測試數(shù)據(jù)存在偏差，主要原因有3個：首先是加工后的試樣存在初始應力(一般在20 MPa以內(nèi)，難以測量和消減，而有限元模型的初始應力為0 MPa)，會影響實際噴丸殘余應力結果；其次是噴丸過程中，空氣壓縮機提供的輸入壓力會有小幅度的波動，這一因素會導致彈丸的噴射壓力也隨之波動，與設定噴丸壓力間存在偏移量，影響噴丸效果；最后是應力測試設備也存在一定范圍的測量偏差(因曝光時間、曝光數(shù)量與光柵縫隙等參數(shù)設置的不同而產(chǎn)生誤差)[25]。上述因素使殘余應力的計算值和實測值之間存在一定偏差，但只要這個偏差在合理范圍內(nèi)，即在20 MPa左右，則表明有限元模型的計算結果具有較高的準確性。

2.4 可重復性試驗

任取3組噴丸工藝組合進行試驗，將其應力仿真計算結果與試驗測試值進行比較，具體噴丸工藝參數(shù)和結果如表2所示，其中應力計算值和實測值的最大偏差為(10.0±12.5)MPa，最小偏差為(16.0±4.3)MPa，偏差率小于6.9%，這一結果表明仿真模型有良好的可重復性。

與Pham等[16]的工作對比，本工作的研究在仿真模擬基礎上，更加注重結合試驗來檢驗仿真模型的可靠性與準確性；與Liu等[17]的成果比較，本工作更加側重工程實際，有更豐富的應用價值；與李源等[18]的研究內(nèi)容相比，本工作補充了噴丸工藝的研究種類和范圍，探討了噴射距離對噴丸殘余壓應力的影響。

3 結 果

本工作主要研究了彈丸直徑、噴射壓力、噴射距離對材料噴丸殘余壓應力分布的影響情況，結果顯示各工藝參數(shù)和殘余壓應力之間并非呈正相關變化。實際上，除了主要因素，其他例如噴射角度、持續(xù)時間等噴丸工藝參數(shù)也會對應力分布產(chǎn)生影響，材料表面應力形成與分布應該是這種綜合影響下的結果，試驗與仿真計算的誤差恰恰說明了這一點?？梢?，運用主要因素分析法闡述材料噴丸應力分布特點，能將試驗偏差控制在合理范圍內(nèi)。本工作的研究成果為實際工程應用決策提供了依據(jù)，對噴丸處理工藝制定具有一定的指導意義，結果如下：

(1)隨彈丸直徑的增大，最大殘余壓應力值和殘余壓應力影響深度均會增大，當彈丸直徑為1.0 mm時，近表面殘余壓應力值反而減小；隨著噴射距離的增大，最大殘余壓應力值和殘余壓應力層深度先增大后減小，即存在一個恰當?shù)膰娡杈嚯x范圍；隨著噴射壓力的增大，最大殘余壓應力值和殘余壓應力層深度均增大，當噴射壓力達到0.5 MPa時，發(fā)生過噴現(xiàn)象，使靶材近表層殘余壓應力值減小。

(2)根據(jù)材料特性和試驗環(huán)境，利用ANSYS/LS-DYNA軟件建立了噴丸有限元模型，結合試驗檢驗與修正，殘余應力最大偏差不超過(10.0±12.5)MPa，可以高效準確地獲取噴丸后殘余應力的分布情況，有助于開展噴丸工藝對金屬材料表面特征影響的研究。