韓明剛，周利娟，王子昱，張龍波，宋彥嶠

(1. 咸陽職業(yè)技術學院 機電學院，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 a. 機電學院； b. 航空學院； 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]。復合噴丸是指在一次噴丸的基礎上，采用小尺寸彈丸對材料表面再次進行噴丸，從而使工件獲得更好的殘余壓應力場和表面形貌的一種表面處理方式[2]。

李克等[3]研究表明復合噴丸后使材料表面質量提高，材料表面更加細密均勻。華程等[4]研究了單次噴丸和復合噴丸工藝下材料表面形貌、表面粗糙度、殘余應力場的分布特征，研究表明復合噴丸能夠獲得更平整的表面形貌和表面粗糙度。陳天運等[5]研究了噴丸對材料疲勞性能的影響，研究發(fā)現(xiàn)復合噴丸改善了表面粗糙度，抑制了加工刀痕，使零件疲勞強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合噴丸周期性有限元模型，發(fā)現(xiàn)復合噴丸使材料表面殘余應力更加均勻。

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、殘余應力的分布以及等效塑性應變的影響規(guī)律，為后續(xù)進一步研究材料性能提供依據。

1 試驗材料與有限元模型

1.1 試驗材料與方案

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

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

表1 2024-T3 Johnson-Cook 本構模型參數

(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，復合噴丸(本文選用二次噴丸)采用0.3mm彈丸進行光整噴丸。

表2 仿真實驗方案 單位：mm

在噴丸仿真中，噴丸壓力與流量分別為0.4MPa與10kg/min。根據式(2)[9]計算當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 隨機彈丸建模方法

為了保證仿真與實際噴丸更為接近，采用隨機彈丸法進行建模，計算單彈丸凹坑直徑，根據凹坑直徑計算0.6mm×0.6mm正方形區(qū)域內，覆蓋率為97%以上彈丸所需數量，并采用統(tǒng)計學方法選擇不同工況下彈丸數量的中位值，最終確定彈丸個數，彈丸生成邏輯如圖1所示，彈丸個數和覆蓋率見表4。

圖1 隨機彈丸生成流程圖

表4 彈丸個數及覆蓋率

1.3 有限元模型

根據1.2節(jié)所述方法，一次噴丸與二次噴丸建模如圖2所示。為了進一步保證有限元模型計算的準確性，在應力梯度較大區(qū)域進行了網格二次加密，網格最小尺寸為0.01mm，單元類型采用C3D8R，摩擦系數采用0.05。彈丸設置為剛體，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 結果與討論

2.1 復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雜，尤其是當一次噴丸彈丸尺寸分別為1.2mm與1.8mm時，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行對比分析(圖3)。如圖3(a)所示，當彈丸尺寸為0.6mm時，經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彈丸經二次噴丸后期高度有所下降，在10μm以內。結合圖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 復合噴丸下材料內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，當彈丸尺寸較小時(0.6mm與1.2mm)，材料表層塑性應變分布并不均勻，局部塑性應變較大。這是由于覆蓋率相同的情況下，小彈丸需要更多的彈丸個數，可能導致同一位置處彈丸撞擊次數較多，材料塑性變形累積較大。經二次噴丸后，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?。辉谙嗤恢锰?，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變明顯增大。這是由于二次噴丸塑性應變累積所導致。然而，隨著深度的增加，一次噴丸和二次噴丸塑性應變基本趨于一致，說明二次噴丸對材料內塑性應變的影響較小。

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，當彈丸尺寸分別為0.6mm、1.2mm.1.8mm時，塑性應變層深度分別為0.356mm、0.668mm、1.040mm，基本呈現(xiàn)出線性增加規(guī)律。然而，塑性應變層深度在二次噴丸作用下沒有發(fā)生改變，因此塑性應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PEEQ變化并沒有顯著規(guī)律。這主要是由于彈丸隨機撞擊導致。

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 復合噴丸下材料內殘余應力分布規(guī)律

圖9為一次噴丸與二次噴丸工藝下金屬表面殘余應力分布云圖。由圖可知，隨著彈丸尺寸的增加，殘余壓應力層深度顯著增加，這與先前的研究一致，而內部殘余應力在隨機彈丸的撞擊下呈現(xiàn)不均勻分布，在二次噴丸作用下，材料表面殘余應力基本為壓應力，相較于一次噴丸，應力分布更加均勻。圖10進一步揭示了殘余應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)殘余壓應力，內部為拉應力，而材料內殘余應力的分布主要取決于一次噴丸(即大彈丸作用)。當彈丸尺寸為0.6mm時，二次噴丸和一次噴丸殘余應力分布基本保持一致，而當彈丸尺寸為1.2mm與1.8mm時，材料表層殘余壓應力無顯著變化，而其內部殘余拉應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，其殘余壓應力層深度由0.250mm提高至0.749mm，說明彈丸尺寸越大，其殘余壓應力作用層更深，而二次噴丸對殘余壓應力層并沒有顯著影響。因此，當彈丸覆蓋率為97%以上時，小彈丸更多的還是光整作用。從圖12可知，殘余壓應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，因彈丸的隨機撞擊，可能導致相同位置處發(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力層深度

圖12 一次噴丸與二次噴丸工藝下最大殘余壓應力

3 結語

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部殘余應力與塑性應變演變規(guī)律，結論如下：

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，這種改善作用并不顯著；

2)隨著彈丸尺寸增加，塑性應變層深度加大，在二次噴丸下，材料表面塑性應變會進一步累積，且塑性應變分布更均勻；但當深度超過一定值后，二次噴丸對材料內塑性應變分布基本沒有影響；

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