陳文彬 蔣立鶴 楊焜 權(quán)國(guó)政

摘要：碾壓消應(yīng)力是消除構(gòu)件電弧增材后表層的一種重要且很有發(fā)展?jié)摿Φ南麘?yīng)力方法。工件表層經(jīng)碾壓變形后，通過(guò)改變工件的形狀和厚度，來(lái)達(dá)到對(duì)工件產(chǎn)生變形，釋放工件里殘余應(yīng)力。對(duì)裝備構(gòu)件進(jìn)行碾壓消應(yīng)力模擬，模擬結(jié)果顯示在強(qiáng)旋過(guò)程中，消除了槽底中間很大的殘余拉應(yīng)力，消除大部分工件內(nèi)部橫向殘余應(yīng)力和縱向殘余應(yīng)力。強(qiáng)旋大體上消除了大部分殘余應(yīng)力，但是表面會(huì)出現(xiàn)一定的應(yīng)力集中。良好的消除殘余應(yīng)力的效果可以讓強(qiáng)旋作為消除殘余應(yīng)力流程的一部分。

關(guān)鍵詞：碾壓;消應(yīng)力;碾壓速度;有限元模擬

中圖分類號(hào)：TG444+.74 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-957X（2021）09-0075-02

0 ?引言

電弧增材制造技術(shù)作為一種擁有成本低、材料利用率高等優(yōu)勢(shì)的新興制造技術(shù)，其在生產(chǎn)復(fù)雜工件的市場(chǎng)有著巨大的潛力[1]。構(gòu)件在電弧增材的過(guò)程中產(chǎn)生了大量的殘余應(yīng)力，在構(gòu)件工作時(shí)，殘余應(yīng)力與工作時(shí)所受的應(yīng)力相互作用，構(gòu)件二次變形，內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)改變。不但會(huì)降低氣閥的強(qiáng)度和剛度，影響氣閥結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，還會(huì)影響氣閥的疲勞強(qiáng)度等性能，降低氣閥的使用壽命[2]。選擇合適的電弧增材參數(shù)組合，并對(duì)增材部位進(jìn)行強(qiáng)碾處理，能大大提高氣閥的各方面性能和使用壽命，從而提高氣閥質(zhì)量。由于電弧增材殘余應(yīng)力的產(chǎn)生，對(duì)產(chǎn)品的壽命和性能有所損害。近幾十年學(xué)者們開(kāi)展了大量運(yùn)用塑性成形的方法降低和消除殘余應(yīng)力的研究。關(guān)于碾壓對(duì)消除電弧增材殘余應(yīng)力的效果，楊志、侯紅亮等研究了剪切碾壓的進(jìn)給率、變形溫度、和半錐角等參數(shù)對(duì)TC4合金表面殘余應(yīng)力分布的影響規(guī)律[3]。爆炸成形、高頻鍛造、激光沖擊強(qiáng)化等諸多塑性成形的方法都可以降低和消除電弧增材殘余應(yīng)力[4～6]。本文將利用ABAQUS軟件，對(duì)電弧增材后的殘余應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行繼承，通過(guò)碾輪對(duì)已有模型進(jìn)行強(qiáng)碾工藝的模擬，觀察殘余應(yīng)力分布云圖，初步分析強(qiáng)碾工藝對(duì)殘余應(yīng)力消除的效果。

1 ?碾壓消應(yīng)力有限元模型構(gòu)建

強(qiáng)碾消除殘余應(yīng)力有限元模型的建立，需要從電弧增材模擬中繼承電弧增材的模型，再在電弧增材模型的基礎(chǔ)上建立一個(gè)碾輪的模型。如圖1所示，在ABAQUS里建立一個(gè)碾輪的對(duì)稱三維實(shí)體模型，碾輪尺寸：中間大徑170mm，半邊厚度為23mm，斜角為45°，上下部分接觸線的倒角為2mm。電弧增材模型的網(wǎng)格繼續(xù)沿用，碾輪網(wǎng)格的選擇C3D8R的8節(jié)點(diǎn)6面體。

2 ?強(qiáng)碾消除殘余應(yīng)力效果分析

本次模擬繼承了電弧增材模擬方案中的應(yīng)力場(chǎng)和溫度場(chǎng)，在其基礎(chǔ)上再進(jìn)行強(qiáng)碾工藝的模擬。影響強(qiáng)碾消除殘余應(yīng)力效果的主要參數(shù)有下壓量、強(qiáng)碾次數(shù)、強(qiáng)碾速度、碾輪工作角等。本文僅模擬下壓量3.0mm、強(qiáng)碾速度為 150mm/s的強(qiáng)碾過(guò)程，強(qiáng)碾一次、碾輪的工作角為90°。

如圖2和圖3分別是經(jīng)強(qiáng)碾后橫向殘余應(yīng)力的分布云圖和強(qiáng)碾前橫向殘余應(yīng)力分布云圖。由于強(qiáng)碾過(guò)程會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中，圖中紅色區(qū)域?yàn)閼?yīng)力集中，分析中暫不考慮。在下壓量為3.0mm時(shí)，強(qiáng)碾后模型的橫向殘余應(yīng)力大體都在-269.8MPa到187.2MPa范圍里。觀察如圖4，經(jīng)強(qiáng)碾后除去增材部分橫向殘余應(yīng)力分布云圖。相對(duì)于未經(jīng)過(guò)強(qiáng)碾處理的模型，消除了槽底殘余橫向應(yīng)力的應(yīng)力集中，將其通過(guò)塑性變形釋放了一部分殘留在槽底的拉應(yīng)力。同時(shí)強(qiáng)碾工藝將經(jīng)電弧增材后分布在表面增材部位周圍的殘余壓應(yīng)力也釋放了一部分，甚至有部分因?yàn)閺?qiáng)碾工藝從殘余壓應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)變成了殘余拉應(yīng)力狀態(tài)。

如圖5和6分別是經(jīng)強(qiáng)碾后和強(qiáng)碾前縱向殘余應(yīng)力的分布云圖。與橫向殘余應(yīng)力一樣，圖中紅色區(qū)域?yàn)閼?yīng)力集中，下述分析中暫不考慮。在下壓量為3.0mm時(shí)，強(qiáng)碾后模型的縱向殘余應(yīng)力大體都在-114.6MPa到200.6MPa范圍里。觀察如圖7，經(jīng)強(qiáng)碾后除去增材部分縱向殘余應(yīng)力分布云圖。相對(duì)于未經(jīng)過(guò)強(qiáng)碾處理的模型，消除了槽底殘余縱向應(yīng)力的應(yīng)力集中，將其通過(guò)塑性變形釋放了一部分殘留在槽底的拉應(yīng)力。同時(shí)強(qiáng)碾工藝將經(jīng)電弧增材后分布在上表面的殘余壓應(yīng)力釋放了大部分。

總體上來(lái)說(shuō)，強(qiáng)碾工藝消除大部分工件內(nèi)部的殘余應(yīng)力，使應(yīng)力集中在工件表面，方便后續(xù)的熱處理等消除殘余應(yīng)力方法的進(jìn)行。

3 ?結(jié)語(yǔ)

電弧增材后的殘余應(yīng)力對(duì)工件的性能有著極大的影響，強(qiáng)碾作為一種有效的消除殘余應(yīng)力的工藝方法，評(píng)價(jià)出強(qiáng)碾消除殘余應(yīng)力的效果，對(duì)指導(dǎo)實(shí)際工程生產(chǎn)有重大的意義。本文通過(guò)ABAQUS，建立碾輪模型，并將碾輪和電弧增材模型裝配，設(shè)置相關(guān)參數(shù)，繼承電弧增材的應(yīng)力場(chǎng)和溫度場(chǎng)，模擬強(qiáng)碾工藝的過(guò)程，得到強(qiáng)碾后的殘余應(yīng)力分布云圖，對(duì)比強(qiáng)碾前的殘余應(yīng)力分布云圖，初步評(píng)價(jià)強(qiáng)碾消除殘余應(yīng)力的效果，結(jié)論如下：①在強(qiáng)碾過(guò)程中，消除了槽底中間很大的殘余拉應(yīng)力，消除大部分工件內(nèi)部橫向和縱向殘余應(yīng)力，甚至將一部分殘余壓應(yīng)力轉(zhuǎn)變成殘余拉應(yīng)力。②強(qiáng)碾大體上消除了大部分殘余應(yīng)力，但是表面會(huì)出現(xiàn)一定的應(yīng)力集中。在實(shí)際生產(chǎn)中，強(qiáng)碾消除一部分殘余應(yīng)力無(wú)法完全消除，良好的消除殘余應(yīng)力的效果可以讓強(qiáng)碾作為消除殘余應(yīng)力流程的一部分。

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基金項(xiàng)目：重慶市基礎(chǔ)研究與前沿探索項(xiàng)目（cstc2018jcyjAX0459）。

作者簡(jiǎn)介：陳文彬（1976-），男，江蘇吳江人，本科，南京中遠(yuǎn)海運(yùn)船舶設(shè)備配件有限公司技術(shù)總監(jiān)，主要從事材料熱塑性成形研究。