汽车轴用42CrMo钢喷丸工艺参数优化及疲劳性能研究

发布时间：2020-09-02 11:04

　　 喷丸强化作为一种简单有效的表面处理方法,能显著提升部件的疲劳性能。在计算机技术不够成熟的以前,往往需要做大量的试验或者根据工程师的经验来确定喷丸工艺参数,这样就需要大量的人力物力财力。为了提高效率和节约成本,同时更好的对喷丸机理展开研究,合理运用不同的模拟仿真方法来预测喷丸强化参数对残余应力场的影响并得到一个最佳的喷丸强化参数显得格外重要。42CrMo钢是一种超高强度调质钢,由于其优异的特性在汽车后轴中得到了广泛的应用。本文选取42CrMo钢作为研究对象,运用有限元分析和实验验证相结合的方法,在喷丸仿真过程中通过考虑网格密度、摩擦系数和弹丸硬度等因素优化了喷丸模型,研究了喷丸参数包括弹丸速度、直径、撞击角度和覆盖率对残余应力分布的影响规律,并通过响应面法对42CrMo钢喷丸仿真参数进行了优化求解,最后通过实验对最优喷丸参数进行验证,分析比较了不同喷丸参数对疲劳性能的改善情况。在弹丸速度和直径一定的情况下,将表面网格尺寸的大小调整为该条件下单弹坑直径的1/16,能够得到最优的网格划分方案同时残余应力分布具有收敛性。弹丸与目标工件之间的摩擦系数大于0.2和硬度差大于200 HV对于残余应力分布评估的准确性非常重要。在喷丸过程中,适当的增加弹丸的速度、直径和覆盖率,同时保持弹丸冲击角度为90°,能够有效的改善42CrMo钢表层残余应力分布,这是对疲劳性能有利的。然而由于弹丸速度、直径和覆盖率的增加会导致表面粗糙度增加,因而这些喷丸参数的值并非越大越好。通过响应面模型能够准确的预测喷丸响应值,同时进行最优化求解。通过赋予三个响应值最大残余压应力,残余压应力层深和应力集中系数不同的权重比(从前到后权重分别为5:4:3):(1)σ_(ma)~(RS) _x,δ_0,K;(2)δ_0,σ_(ma)~(RS) _x,K;(3)K,σ_(ma)~(RS) _x,δ_0。得到了三组对应的最优喷丸参数分别为:(1)v=88 m/s,d=0.8 mm,cr=170%;(2)v=85 m/s,d=1.0 mm,cr=150%;(3)v=92 m/s,d=0.8 mm,cr=130%。实验验证中,喷丸强化能有效改善试件的表面硬度,表面微观形貌和残余应力分布。疲劳试验结果表明,未经过喷丸处理的42CrMo钢试样的平均疲劳寿命为116773次,经以上三组最优化喷丸参数处理后的42CrMo试样的平均疲劳寿命分别为238444次,231766次和211286次,相对于未喷丸处理试样疲劳寿命提高比例分别为1.04倍,0.98倍和0.81倍。在选择喷丸参数时,应优先考虑最大残余应力值和残余压应力层深,其次为应力集中系数。本文根据响应面法优化和实验验证结果,最终确定42CrMo钢试件的最优喷丸强化参数为弹丸速度v=88 m/s,直径d=0.8 mm,覆盖率cr=170%。
【学位单位】：武汉理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：U466
【部分图文】：

运用有限元分析和实验验证相结合的方法，通过考虑网格密度、摩擦系数和弹丸硬度等因素优化了喷丸模型，研究了喷丸参数包括弹丸速度、直径、撞击角度和覆盖率对残余应力分布的影响规律。运用响应面法对 42CrMo 钢喷丸参数进行了最优化求解，最后通过实验对最优喷丸参数进行验证，分析比较了不同喷丸强化参数条件下试样疲劳性能的改善情况。希望对今后喷丸的模拟和实验工作或汽车零部件的设计有一定的参考价值和指导作用。1.2 喷丸强化技术1.2.1 喷丸强化机制喷丸强化是通过高速运动的弹丸流冲击靶材，使其表层发生随机的循环弹塑性变形来引入残余压应力场，并引发组织微观结构变化的表面强化工艺，可以大大提升靶材的疲劳寿命及抗应力腐蚀性能。弹丸撞击金属表面示意图和喷丸强化后金属表层残余应力分布图如图 1-1 所示。

图 1-2 喷丸强化工艺影响因素[38].2 喷丸有限元模拟技术发展状况喷丸模拟技术最早要追溯到 1881 年，Hertz[39]提出了一种准静态方法材料为线弹性或理想的弹塑性的力学行为，后面的科研工作者在此基础喷丸解析型模型。最早在 1971 年，Hardy 等人[40]提出了 2D 轴对称有，研究了在理想弹塑性材料行为下 Hertz 弹性模型的接触力分布。

图 1-3 42CrMo 钢喷丸参数优化技术路线图 1 章主要介绍了喷丸强化技术机制、技术特点、发展概况及喷丸工业上的应用，喷丸有限元模拟技术的简介和发展状况，喷丸参数展状况；第 2 章主要介绍了喷丸模型的建模过程，包括几何模型型两大部分，模型中弹丸覆盖率和残余应力的计算方法，实验验证章喷丸模型的验证与优化，研究了不同喷丸强化参数对残余应力分（包括弹丸硬度、速度、直径、撞击角度和覆盖率等）；第 4 章通 42CrMo 钢的喷丸参数进行最优化求解；第 5 章将第 4 章得到的优进行实验研究，包括残余应力分布、显微硬度、表面形貌和疲劳实总结结论，并对喷丸参数优化研究进行下一步展望。

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本文编号：2810516