何嘉禧，汪舟，甘進(jìn)，楊瑩，王曉麗，石明，任旭東

二次噴丸42CrMo鋼表面完整性的數(shù)值模擬研究

何嘉禧1，汪舟1，甘進(jìn)2，楊瑩1，王曉麗1，石明1，任旭東1

（1.武漢理工大學(xué) a.汽車(chē)工程學(xué)院 b.現(xiàn)代汽車(chē)零部件技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430070；2.武漢理工大學(xué) 交通學(xué)院，武漢 430063）

目的探究二次噴丸工藝參數(shù)對(duì)42CrMo鋼零件表面完整性的影響規(guī)律。方法建立三維隨機(jī)噴丸有限元模型，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證有限元模型預(yù)測(cè)殘余應(yīng)力的準(zhǔn)確性。將一次噴丸后零件的表面形貌和應(yīng)力應(yīng)變結(jié)果作為初始狀態(tài)導(dǎo)入到二次噴丸模型中，構(gòu)建出二次噴丸預(yù)測(cè)模型。分析二次噴丸參數(shù)對(duì)42CrMo鋼零件表面殘余應(yīng)力場(chǎng)、表面粗糙度以及等效塑性形變場(chǎng)的影響情況。結(jié)果二次噴丸后，42CrMo鋼零件近表層（0~100 μm）的殘余壓應(yīng)力值均比初始狀態(tài)有所增加。增加二次噴丸覆蓋率對(duì)表面殘余應(yīng)力的提升作用最為明顯，最大可比初始狀態(tài)提高63.3%，而增加二次噴丸直徑對(duì)殘余應(yīng)力的改善效果最不明顯。過(guò)度增加二次噴丸速度會(huì)導(dǎo)致表面粗糙度明顯增加，提高二次噴丸覆蓋率可顯著降低表面粗糙度，覆蓋率為300%時(shí)，粗糙度比初始狀態(tài)減小了14.4%。表層PEEQ值隨著二次噴丸速度、彈丸直徑和覆蓋率的增加而增加，但當(dāng)二次噴丸速度、彈丸直徑和覆蓋率增加到一定程度后，表層PEEQ值會(huì)趨于飽和。結(jié)論二次噴丸預(yù)測(cè)模型揭示了二次噴丸參數(shù)與42CrMo鋼零件表面完整性之間的影響規(guī)律，為二次噴丸的工業(yè)應(yīng)用提供了一定的參考意義。

二次噴丸；有限元模擬；表面完整性；殘余應(yīng)力；等效塑性形變；表面粗糙度

噴丸是一種利用大量高速?gòu)椡枳矒袅慵砻鎭?lái)提高金屬疲勞壽命的機(jī)械表面強(qiáng)化工藝。它通過(guò)向零件表層引入殘余壓應(yīng)力來(lái)阻礙金屬表面裂紋的萌生和擴(kuò)展[1-3]，同時(shí)還能使零件近表層產(chǎn)生晶粒細(xì)化和加工硬化[4-5]，提高零件的抗疲勞和抗應(yīng)力腐蝕能力[6]。噴丸強(qiáng)化工藝不受材料種類(lèi)和幾何形狀尺寸的限制，因此被廣泛運(yùn)用于機(jī)械制造、船舶、航天航空、汽車(chē)生產(chǎn)等領(lǐng)域[7]。二次噴丸是在傳統(tǒng)噴丸的基礎(chǔ)上，通過(guò)比一次噴丸強(qiáng)度更小的彈丸流撞擊零件表面，來(lái)進(jìn)一步改善噴丸強(qiáng)化效果，其在工業(yè)界有著廣泛的應(yīng)用前景。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，利用計(jì)算機(jī)模擬分析噴丸工藝過(guò)程已經(jīng)成為噴丸領(lǐng)域不可或缺的研究手段之一。近幾十年來(lái)，眾多學(xué)者在噴丸有限元仿真上做了許多有意義的工作。Bagherifard等人[8]利用三維有限元模型預(yù)測(cè)高能?chē)娡鑼?duì)表面納米結(jié)構(gòu)的影響，提出了一種利用等效塑性形變值來(lái)判斷納米層生成的數(shù)值方法，最后分析了噴丸參數(shù)與殘余應(yīng)力、加工硬化和納米層深度之間的關(guān)系。Miao等人[9]考慮了彈丸空間分布的隨機(jī)性，聯(lián)合Matlab和ANSYS建立了隨機(jī)噴丸模型，并研究了彈丸數(shù)量與噴丸強(qiáng)度、覆蓋率和粗糙度之間的數(shù)值關(guān)系，結(jié)果表明，該隨機(jī)噴丸模型對(duì)噴丸強(qiáng)化效果的預(yù)測(cè)比傳統(tǒng)噴丸模型更準(zhǔn)確。Hong等人[10]結(jié)合有限元和離散元研究了彈丸入射和回彈過(guò)程中的接觸問(wèn)題，并揭示了噴丸工藝參數(shù)對(duì)殘余應(yīng)力的影響規(guī)律。梁若等人[11]提出了34CrNiMo6鋼隨機(jī)多彈丸的周期性有限元模型，并分析了復(fù)合噴丸的強(qiáng)化效果以及不同噴丸強(qiáng)度對(duì)殘余應(yīng)力場(chǎng)的影響。趙莉莉等人[12]利用分批順序撞擊的9丸粒有限元模型，研究了彈丸速度、重復(fù)打擊次數(shù)、搭接率以及多丸粒分布對(duì)殘余壓應(yīng)力的影響，為獲得理想殘余應(yīng)力提供了理論依據(jù)。

之前的噴丸數(shù)值模擬工作絕大部分都僅圍繞一次噴丸展開(kāi)，學(xué)術(shù)界針對(duì)二次噴丸強(qiáng)化效果的模擬研究相對(duì)較少。而在實(shí)際生產(chǎn)中，二次噴丸可進(jìn)一步提高零件的表面殘余壓應(yīng)力值，并降低表面粗糙度，因此對(duì)二次噴丸進(jìn)行仿真具有重要的研究意義[11]。本文結(jié)合ABAQUS和Python程序，建立了二次噴丸預(yù)測(cè)模型，系統(tǒng)地分析了二次噴丸參數(shù)對(duì)受?chē)娏慵砻鏆堄鄳?yīng)力、表面粗糙度和等效塑性形變的影響。研究結(jié)果可為二次噴丸仿真領(lǐng)域提供一定的參考價(jià)值。

1 三維隨機(jī)噴丸有限元模型建立

本文采用有限元軟件ABAQUS 6.10建立三維隨機(jī)噴丸有限元模型，模型由42CrMo鋼受?chē)娏慵约翱臻g上隨機(jī)分布的彈塑性彈丸所組成，如圖1所示。建模過(guò)程分為兩步：1）通過(guò)一次噴丸仿真，獲取一次噴丸后零件的表面形貌和應(yīng)力應(yīng)變結(jié)果；2）把計(jì)算結(jié)果作為初始狀態(tài)導(dǎo)入到二次噴丸模型中，構(gòu)建出二次噴丸預(yù)測(cè)模型，并完成后續(xù)仿真。前后兩次仿真采用相同的受?chē)娏慵慵Ｐ蜑? mm×3 mm× 10 mm的長(zhǎng)方體，網(wǎng)格單元為減縮積分單元（C3D8R）。為了減少模型內(nèi)部剪切波和膨脹波回彈對(duì)殘余應(yīng)力結(jié)果的影響，模型四周設(shè)置了無(wú)限邊界條件，單元類(lèi)型為無(wú)限單元（CIN3D8）。零件底面節(jié)點(diǎn)的自由度均被約束。選取零件中心1 mm×1 mm×2 mm的區(qū)域作為塑性變形觀測(cè)區(qū)，并在該區(qū)域內(nèi)分析殘余應(yīng)力、表面粗糙度和等效塑性形變，如圖1b的中心區(qū)域所示。伍剛等人[13]的研究結(jié)果表明，網(wǎng)格密度對(duì)殘余應(yīng)力模擬結(jié)果有較大影響。綜合考慮模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性和計(jì)算效率，設(shè)置觀測(cè)區(qū)網(wǎng)格長(zhǎng)度為0.02 mm，其他區(qū)域采用漸變網(wǎng)格。采用Python程序?qū)崿F(xiàn)彈丸在三維空間上的隨機(jī)分布，式(1)為彈丸中心點(diǎn)坐標(biāo)的生成公式。

由于Johnson-cook模型考慮了應(yīng)變硬化、應(yīng)變率硬化以及溫度軟化對(duì)材料流動(dòng)應(yīng)力的影響，因此本文采用Johnson-cook模型作為零件材料的本構(gòu)模型，如式(2)所示。

式中，、、、和分別代表環(huán)境溫度（r）下的初始屈服應(yīng)力、應(yīng)變硬化參數(shù)、應(yīng)變率敏感系數(shù)、溫度軟化系數(shù)和應(yīng)變硬化指數(shù)。42CrMo鋼的Johnson-cook模型參數(shù)如表1所示。彈丸的屈服強(qiáng)度為1550 MPa，密度為7850 kg/m3，楊氏模量為210 GPa，泊松比為0.3。

表1 42CrMo鋼的Johnson-Cook本構(gòu)模型參數(shù)

Tab.1 Johnson-Cook constitutive model parameters of 42CrMo steel

圖2為隨機(jī)噴丸模型彈坑示意圖，采用Kirk[14]等人推導(dǎo)的公式，計(jì)算特定覆蓋率下所需的彈丸數(shù)量：

式中，為噴丸覆蓋率，為中間變量，為彈丸數(shù)量，為單彈坑直徑，為覆蓋率計(jì)算區(qū)域的直徑，取值為1 mm。表2為不同二次噴丸工藝參數(shù)和對(duì)應(yīng)的彈丸數(shù)量。

圖2 隨機(jī)噴丸模型彈坑示意圖[15]

為了準(zhǔn)確評(píng)估零件表面殘余應(yīng)力和等效塑形形變（PEEQ），利用Python程序提取觀測(cè)區(qū)沿層深各層節(jié)點(diǎn)的殘余應(yīng)力平均值和PEEQ平均值，提取范圍為直徑1 mm的圓，以便與X-ray實(shí)驗(yàn)測(cè)得的殘余應(yīng)力值進(jìn)行對(duì)比。表面粗糙度采用輪廓算術(shù)平均偏差作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，利用Python程序計(jì)算受?chē)娏慵砻娓鞴?jié)點(diǎn)的向位移量的算術(shù)平均偏差，得到各噴丸參數(shù)下的值。

表2 不同二次噴丸工藝參數(shù)和對(duì)應(yīng)的彈丸數(shù)量

Tab.2 Different shot peening parameters and the corresponding number of shots

一次噴丸和二次噴丸的工藝參數(shù)如表3所示。除了圖3中殘余應(yīng)力驗(yàn)證所用的一次噴丸參數(shù)為= 35 m/s、=0.56 mm、=100%以外，后續(xù)的二次噴丸仿真中采用的一次噴丸的速度、直徑和覆蓋率均為60 m/s、1 mm和100%。由于本文二次噴丸仿真參數(shù)較多，為了便于區(qū)分，對(duì)仿真組有如下定義：代表速度，代表直徑，代表覆蓋率。例如5006100代表速度為50 m/s，直徑為0.6 mm，覆蓋率為100%的仿真組。

表3 一次噴丸和二次噴丸的工藝參數(shù)

Tab.3 Process parameters of single shot peening and dual shot peening

圖3 一次噴丸后42CrMo鋼零件的殘余應(yīng)力模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖3為一次噴丸后42CrMo鋼零件的殘余應(yīng)力模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果，噴丸參數(shù)=35 m/s、=0.56 mm、= 100%，仿真彈丸數(shù)量=154。實(shí)驗(yàn)采用了Holzapfel[16]、Menig[17]的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和學(xué)校實(shí)驗(yàn)室所測(cè)數(shù)據(jù)。由圖可知，在應(yīng)力曲線的形狀和幅值方面，仿真值與三組實(shí)驗(yàn)值基本吻合，殘余壓應(yīng)力層深在0.15~0.25 mm范圍內(nèi)，最大殘余壓應(yīng)力層深在0.05~0.1 mm范圍內(nèi)。其中，仿真值和實(shí)驗(yàn)室所測(cè)值的表面殘余應(yīng)力分別為?552 MPa和?600 MPa，模擬誤差為8.0%；最大殘余壓應(yīng)力分別為?754 MPa和?702 MPa，模擬誤差為7.4%；最大殘余壓應(yīng)力層深和殘余壓應(yīng)力層深基本一致。這表明所建噴丸模型對(duì)殘余應(yīng)力有較好的預(yù)測(cè)能力，能用于描述受?chē)娏慵砻鏆堄鄳?yīng)力的變化情況。

2 實(shí)驗(yàn)方法

采用42CrMo鋼作為實(shí)驗(yàn)材料，其熱加工工藝為850 ℃下淬火20 min（水冷），然后回火至650 ℃下保溫2 h（空冷）。材料的初始屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和硬度分別為680 MPa、930 MPa和250HV。表4為42CrMo鋼的化學(xué)成分。

表4 42CrMo鋼化學(xué)成分

Tab.4 Chemical composition of 42CrMo steel wt.%

采用XN-9065P型氣動(dòng)式噴丸機(jī)，完成噴丸強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)。根據(jù)Klemenz[18]的經(jīng)驗(yàn)公式(5)，建立仿真參數(shù)和實(shí)驗(yàn)參數(shù)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

式中，為彈丸直徑，為丸料進(jìn)給流量，為噴丸壓力，為彈丸速度。例如實(shí)驗(yàn)中=2 kg/min、=1 mm、=5 bar，由公式(5)可得彈丸的平均速度約為60 m/s。

殘余應(yīng)力通過(guò)X射線衍射儀和Mn-Kα輻射儀檢測(cè)，根據(jù)sin2方法[19-20]分析γ-Fe(211)的衍射峰位移，在?70°~+70°范圍內(nèi)，每變化10°測(cè)定一次角。為了獲取零件沿層深方向的殘余應(yīng)力，通過(guò)電解法對(duì)樣品進(jìn)行剝層處理，并根據(jù)Moore等人[21]提出的方法修正殘余應(yīng)力值。

3 結(jié)果與分析

3.1 二次噴丸參數(shù)對(duì)初始?xì)堄鄳?yīng)力的影響

噴丸后，零件表層區(qū)域的殘余應(yīng)力場(chǎng)對(duì)噴丸材料疲勞性能的改善十分關(guān)鍵。為了準(zhǔn)確評(píng)估殘余應(yīng)力場(chǎng)，通常定義表面殘余應(yīng)力、最大殘余壓應(yīng)力、最大殘余壓應(yīng)力層深以及殘余壓應(yīng)力層深四個(gè)特征參數(shù)。

圖4為二次噴丸中，彈丸直徑為0.6 mm，覆蓋率為100%，彈丸速度分別為50、60、80、100 m/s時(shí)，42CrMo鋼零件方向的殘余應(yīng)力沿層深的分布示意圖。由圖可知，二次噴丸后，零件近表層（0~100 μm）內(nèi)的殘余壓應(yīng)力值均比初始狀態(tài)有所增加，這說(shuō)明二次噴丸能有效改善零件表層的殘余應(yīng)力場(chǎng)。當(dāng)二次噴丸速度在50~100 m/s范圍內(nèi)，最大殘余壓應(yīng)力隨著彈丸速度的增加而增加，表面殘余應(yīng)力和最大殘余壓應(yīng)力層深有所波動(dòng)，殘余壓應(yīng)力層深則基本不變。造成這種結(jié)果的原因是，二次噴丸強(qiáng)度往往小于一次噴丸強(qiáng)度，二次噴丸對(duì)殘余應(yīng)力場(chǎng)的影響主要是增加了近表層的殘余壓應(yīng)力值，而對(duì)殘余壓應(yīng)力層深基本沒(méi)影響，這也被華程等人[22]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果所證實(shí)。彈丸速度為50 m/s和100 m/s的最大殘余壓應(yīng)力分別為?823 MPa和?961 MPa，比初始狀態(tài)提高了4.0%和21.5%。這表明適當(dāng)提高二次噴丸速度，可獲得更大的最大殘余壓應(yīng)力。

圖4 不同二次噴丸速度下42CrMo鋼零件X方向沿層深的殘余應(yīng)力曲線

值得注意的是，當(dāng)二次噴丸的彈丸速度為50 m/s和60 m/s時(shí)，殘余應(yīng)力曲線出現(xiàn)一定的波動(dòng)。造成這種波動(dòng)的原因是，二次噴丸使表面殘余應(yīng)力增加的同時(shí)，由于內(nèi)部殘余應(yīng)力需要得到平衡，在零件次表面必然會(huì)產(chǎn)生一個(gè)拉應(yīng)力方向的波動(dòng)。隨著二次噴丸彈丸速度的增加，所產(chǎn)生的應(yīng)力波動(dòng)的影響深度和一次噴丸的最大殘余壓應(yīng)力深度互相重疊，因此當(dāng)彈丸速度增加到80 m/s以后，殘余應(yīng)力曲線的波動(dòng)最終消失。

圖5為二次噴丸中，彈丸速度為60 m/s，覆蓋率為100%，彈丸直徑分別為0.3、0.5、0.6、0.8 mm時(shí)，42CrMo鋼零件方向殘余應(yīng)力沿層深的分布示意圖。由圖可知，增加二次噴丸直徑對(duì)殘余應(yīng)力的提高作用并不明顯。在零件近表層內(nèi)，彈丸直徑為0.5、0.6、0.8 mm的三條應(yīng)力曲線基本重疊，這表明殘余應(yīng)力值已趨于飽和。和圖4類(lèi)似，當(dāng)二次噴丸彈丸直徑為0.3、0.5、0.6 mm時(shí)，殘余應(yīng)力曲線出現(xiàn)波動(dòng)，而直徑增加到0.8 mm時(shí)波動(dòng)消失。這種波動(dòng)是一次噴丸和二次噴丸的殘余應(yīng)力內(nèi)部平衡的結(jié)果。增加二次噴丸的彈丸直徑后，二次噴丸所產(chǎn)生的應(yīng)力波動(dòng)的深度和一次噴丸的最大殘余壓應(yīng)力深度重疊，波動(dòng)最終消失。

圖5 不同二次噴丸直徑下42CrMo鋼零件沿層深的X方向殘余應(yīng)力曲線

圖6為二次噴丸中，彈丸速度為60 m/s，直徑為0.6 mm，覆蓋率分別為50%、100%、200%、300%時(shí)，42CrMo鋼零件方向殘余應(yīng)力沿層深的分布示意圖。由圖可知，當(dāng)二次噴丸覆蓋率在50%~300%范圍內(nèi)，增加覆蓋率可顯著提高零件的表面殘余應(yīng)力，最大可比初始狀態(tài)提高63.3%。覆蓋率為50%時(shí)，表面殘余應(yīng)力略微小于初始狀態(tài)，而當(dāng)覆蓋率為100%和300%時(shí)，其表面殘余應(yīng)力分別為?524 MPa和?694 MPa，比初始狀態(tài)提高了23.3%和63.3%。這表明增加二次噴丸覆蓋率對(duì)表面殘余應(yīng)力的提高作用最為明顯。對(duì)比覆蓋率為200%和300%的兩條應(yīng)力曲線發(fā)現(xiàn)，最大殘余壓應(yīng)力分別為?944 MPa和?939 MPa，兩者幅值基本相等。這表明覆蓋率增大到一定程度后，最大殘余壓應(yīng)力值會(huì)達(dá)到飽和。

3.2 二次噴丸參數(shù)對(duì)表面粗糙度的影響

經(jīng)過(guò)一次噴丸后，零件表面發(fā)生了較大的塑性變形，受?chē)姳砻嫘纬傻耐狗搴桶伎涌赡軙?huì)在零件服役中產(chǎn)生應(yīng)力集中，容易導(dǎo)致微裂紋的萌生，降低噴丸強(qiáng)化效果。二次噴丸的主要目標(biāo)是提高受?chē)娏慵谋砻尜|(zhì)量，因此還需要考慮二次噴丸參數(shù)對(duì)表面粗糙度的影響。圖7分別為一次噴丸和二次噴丸后42CrMo鋼零件的表面形貌示意圖。其中一次噴丸參數(shù)為= 60 m/s、=1 mm、=100%時(shí)，為11.16 μm；而二次噴丸參數(shù)為=60 m/s、=0.6 mm、=300%時(shí)，為9.55 μm。在該二次噴丸參數(shù)下，零件的表面粗糙度與一次噴丸相比有所減小。

圖8為不同二次噴丸參數(shù)下的42CrMo鋼零件表面粗糙度曲線。圖中方標(biāo)為二次噴丸中彈丸直徑為0.6 mm，覆蓋率為100%，彈丸速度分別為50、60、80、100 m/s時(shí)，42CrMo鋼零件的表面粗糙度值。由圖可知，二次噴丸不一定能降低一次噴丸后零件的表面粗糙度，合理選擇二次噴丸參數(shù)尤為重要。當(dāng)速度為50 m/s和60 m/s時(shí)，表面粗糙度分別為10.59 μm和10.06 μm，比初始狀態(tài)分別降低了5.1%和9.9%，零件表面質(zhì)量得到提升。但當(dāng)速度增加到80 m/s和100 m/s后，表面粗糙度比初始狀態(tài)分別增加了15.4%和50.4%，并呈急劇上升的趨勢(shì)，零件表面變得更粗糙。這表明二次噴丸速度對(duì)粗糙度具有顯著影響，過(guò)度增加二次噴丸速度會(huì)導(dǎo)致表面粗糙度顯著增加，反而降低零件的表面質(zhì)量。

圖8中圓標(biāo)為二次噴丸中彈丸速度為60 m/s，覆蓋率為100%，彈丸直徑分別為0.3、0.5、0.6、0.8mm時(shí)，42CrMo鋼零件的表面粗糙度值。由圖可知，當(dāng)二次噴丸直徑在0.3~0.8 mm范圍內(nèi)，二次噴丸后零件表面粗糙度與初始狀態(tài)相比均有所降低，降低幅度最大為9.9%。

圖8中三角標(biāo)為二次噴丸中彈丸速度為60 m/s，直徑為0.6 mm，覆蓋率分別為50%、100%、200%、300%時(shí)，42CrMo鋼零件的表面粗糙度值。由圖可知，提高二次噴丸覆蓋率可顯著降低表面粗糙度，覆蓋率為300%時(shí)，粗糙度比初始狀態(tài)減小了14.4%。當(dāng)二次噴丸覆蓋率在50%~300%范圍內(nèi)時(shí)，表面粗糙度隨覆蓋率的增加而波動(dòng)。當(dāng)覆蓋率為50%時(shí)，表面粗糙度比初始狀態(tài)增加了12%。而覆蓋率為100%、200%和300%時(shí)，其粗糙度均小于初始狀態(tài)，這表明二次噴丸覆蓋率大于100%，才有利于表面質(zhì)量的提升。

3.3 二次噴丸參數(shù)對(duì)等效塑性形變（PEEQ）的影響

噴丸工藝不僅能在零件表面引入殘余壓應(yīng)力，還能使零件表層產(chǎn)生晶粒細(xì)化，提高零件的力學(xué)性能。研究表明，等效塑性形變（PEEQ）是判斷晶粒細(xì)化程度的重要指標(biāo)，PEEQ值越大，則晶粒細(xì)化程度越高[23-24]。

圖9為二次噴丸中彈丸直徑為0.6 mm，覆蓋率為100%，彈丸速度分別為50、60、80、100 m/s時(shí)，42CrMo鋼零件PEEQ值沿層深的變化曲線。由圖可知，二次噴丸能顯著提高42CrMo鋼零件表層區(qū)域的PEEQ值，有效改善了零件的等效塑性形變場(chǎng)。當(dāng)二次噴丸速度在50~100 m/s范圍內(nèi)時(shí)，表面PEEQ值和最大PEEQ值隨著二次噴丸速度的增加而增加。彈丸速度為50 m/s和100 m/s時(shí)，表面PEEQ值比初始狀態(tài)分別提高了110%和330%，最大PEEQ值分別提高了71%和254%，這表明增加彈丸速度能顯著提高PEEQ值。從圖中也能看出，隨著二次噴丸速度的增加，PEEQ值增加速率逐漸減小，這表明彈丸速度增加到一定程度后，PEEQ值會(huì)趨于飽和。

圖10為二次噴丸中彈丸速度為60 m/s，覆蓋率為100%，彈丸直徑分別為0.3、0.5、0.6、0.8 mm時(shí)，42CrMo鋼零件PEEQ值沿層深的變化曲線。與圖9的分析結(jié)果相似，表面PEEQ值和最大PEEQ值隨二次噴丸直徑的增加而增加。當(dāng)彈丸直徑為0.3 mm和0.8 mm時(shí)，表面PEEQ值比初始狀態(tài)分別提高了135%和160%，最大PEEQ值分別提高了79%和129%。同樣地，隨著二次噴丸彈丸直徑的增加，PEEQ值逐漸趨于飽和。

圖10 不同二次噴丸直徑下42CrMo鋼零件沿層深的PEEQ曲線

圖11為二次噴丸中彈丸速度為60 m/s，直徑為0.6 mm，覆蓋率分別為50%、100%、200%、300%時(shí)，42CrMo鋼零件PEEQ值沿層深的變化曲線。由圖可知，增加二次噴丸覆蓋率對(duì)PEEQ值的改善作用最為顯著，覆蓋率為300%時(shí)，表面PEEQ值和最大PEEQ值分別比初始狀態(tài)提高了615%和461%。當(dāng)二次噴丸覆蓋率為100%、200%和300%時(shí)，表面PEEQ值和最大PEEQ值隨二次噴丸覆蓋率的增加而增加，PEEQ的增加速率則隨覆蓋率的增加而逐漸減小。

圖11 不同二次噴丸覆蓋率下42CrMo鋼零件沿層深的PEEQ曲線

4 結(jié)論

1）二次噴丸后，42CrMo鋼零件近表層（0~ 100 μm）殘余壓應(yīng)力值均比初始狀態(tài)有所增加。增加二次噴丸覆蓋率對(duì)表面殘余應(yīng)力的提高作用最為明顯，最大可比初始狀態(tài)提高63.3%。增加二次噴丸直徑對(duì)殘余應(yīng)力的改善效果最不明顯。

2）過(guò)度增加二次噴丸速度會(huì)導(dǎo)致42CrMo鋼零件表面粗糙度顯著增加。提高二次噴丸覆蓋率可顯著降低表面粗糙度，覆蓋率為300%時(shí)，粗糙度比初始狀態(tài)減小了14.4%。

3）42CrMo鋼零件表層PEEQ值隨著二次噴丸速度、彈丸直徑和覆蓋率的增加而增加，但當(dāng)二次噴丸速度、彈丸直徑和覆蓋率增加到一定程度后，表層PEEQ值會(huì)趨于飽和。

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Numerical Simulation on Surface Integrity of 42CrMo Steel after Dual Shot Peening

1,1,2,1,1,1,1

(1.a. School of Automotive Engineering, b. Hubei Key Laboratory of Advanced Technology for Automotive Components, Wuhan University of Technology, Wuhan 430070, China; 2.School of Transportation, Wuhan University of Technology, Wuhan 430063, China)

The work aims to explore the influence of dual shot peening parameters on the surface integrity of 42CrMo steel components. A 3D random shot peening (SP) finite element model (FEM) was established and the accuracy of predicting the residual stress by the model was verified by experimental data. The surface topography and stress-strain results of the component after single shot peening were imported into the dual shot peening model as the initial state, to construct the prediction model of dual shot peening. The effects of the dual shot peening parameters on the surface residual stress field, surface roughness and equivalent plastic deformation (PEEQ) field of 42CrMo steel components were analyzed. The compressive residual stress value near the surface layer (0~100 μm) of 42CrMo steel components after dual shot peening increased compared with the initial state, and the dual shot peening coverage ratio had the most obvious effect on the improvement of the surface residual stress, with the maximum increase of 63.3% compared with the initial state. On the contrary, the improvement effect of dual shot peening diameter on residual stress was the least obvious. The excessive increase of the dual shot peening speed would lead to the significant increase of the surface roughness while the increase of the dual shot peening coverage ratio could significantly reduce the surface roughness, and the roughness was 14.4% less than the initial state when the coverage ratio was 300%. The surface PEEQ value ascended with the increase of the dual shot peening speed, shot diameter and coverage ratio. However, when the shot speed, shot diameter and coverage ratio increased to a certain extent, the PEEQ value tended to be saturated. The prediction model of dual shot peening reveals the relationship between dual shot peening parameters and surface integrity of 42CrMo steel component, which provides some guidance for the industrial application of dual shot peening.

dual shot peening; numerical simulation; surface integrity; residual stress; equivalent plastic deformation; surface roughness

2019-12-09；

2020-05-08

HE Jia-xi (1995—), Male, Master, Research focus: lightweight of automobile, multiphysics coupling simulation.

汪舟（1981—），男，博士，副教授，主要研究方向?yàn)槠?chē)輕量化、汽車(chē)零部件先進(jìn)制造、多物理場(chǎng)耦合仿真。郵箱：wangzhou@whut.edu.cn

Corresponding author：WANG Zhou (1981—), Male, Doctor, Associate professor, Research focus: lightweight of automobile, advanced manufacturing of auto parts, multiphysics coupling simulation. E-mail: wangzhou@whut.edu.cn

何嘉禧, 汪舟, 甘進(jìn), 等. 二次噴丸42CrMo 鋼表面完整性的數(shù)值模擬研究[J]. 表面技術(shù), 2020, 49(6): 216-223.

2019-12-09；

2020-05-08

國(guó)家自然科學(xué)基金（51405356，51772228）

Fund：Supported by the National Natural Science Foundation of China (51405356, 51772228)

何嘉禧（1995—），男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)槠?chē)輕量化、多物理場(chǎng)耦合仿真。

TG668

A

1001-3660(2020)06-0216-08

10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.06.026

HE Jia-xi, WANG Zhou, GAN Jin, et al. Numerical simulation on surface integrity of 42CrMo steel after dual shot peening[J]. Surfacetechnology, 2020, 49(6): 216-223.