详情

原文传递复合锤击喷丸残余应力场数值模拟与试验研究

论文题名：	复合锤击喷丸残余应力场数值模拟与试验研究
关键词：	复合锤击喷丸;残余应力;曲率半径;表面形貌;微观组织
摘要：	大型整体壁板和关键承载零件在航空航天领域有着较为广泛的应用，为提高其强度和稳定性，一般要使其表层分布有一定深度的残余压应力，喷丸强化技术是实现这一要求的有效工艺方法。常规的喷丸技术通常喷射面枳较大，功率损耗较多，对局部及曲率半径变化较大的部位难以实现喷丸强化，且可能会带来零件表面损伤、残余压应力分布不均等问题.本文采用复合锤击喷丸方法，研究不同参数下的复合锤击喷丸制件的残余应力场分布及其演化，以及制件曲率半径、表面形貌、微观组织的变化规律，对完善喷丸强化工艺有重要意义。　　提出了一种锤击喷丸工艺方法，借助工业电镐冲击系统的锤击和冲杆，对零件表面进行定向冲击，迫使材料表面产生塑性变形并产生残余压应力层，以达到强化材料的目的。基于Hertz碰撞理论和塑性成形理论，分析了锤击喷丸的物理过程，研究了在锤击喷丸过程中板材变形及应力场关系，及板材的曲率半径及残余应力分布。建立了直径为3mm、5mm两种尺寸弹丸在100%、200%覆盖率条件下的单类锤击喷丸有限元模型，以及两种尺寸弹丸在其各自覆盖率为100%覆盖率条件下的复合锤击有限元模型，获得了不同锤击喷丸工艺条件下残余应力场的变化规律，结果表明5mm弹丸能使靶材获得较大的残余应力，并且随覆盖率增加两种弹丸所形成的残余应力层深度均有不同程度增加.在覆盖率均为200%时,与只采用一种弹丸相比，采用先大后小的弹丸进行锤击喷丸能够获得更优的残余应力分布。　　为了进一步研究残余应力场的分布及其演化规律，以直径为2mm、4mm两种弹丸为基础，建立了综合覆盖率为300%的单类和复合锤击喷丸有限元模型，结果表明在单类锤击喷丸中，小尺寸弹丸在提高表层和最大残余应力值方面有明显优势，大尺寸弹丸在提高残余应力层深度方面较为突出；在复合锤击喷丸中，采用光大后小的锤击顺序能够获得更优、更符合实际需要的残余应力，将大尺寸弹丸锤击覆盖率由100%提高为200%时，所获得的残余应力梯度变化更为缓慢，应力场演化更为均匀，无应力骤变现象的出现：与不同尺寸弹丸锤击的先后顺序相比.等效用性应变与直径为小弹丸覆盖率大小关系更为密切。　　构建了锤击喷丸试验装置,依据所建立的有限元模型类型及参数,用组合类型的直径为3mm、5mm冲杆对进行了2024-T351铝合金板材和纯钛TA2板材进行单类和复合锤击喷丸实验,结果表明若不身感粗糙度带来的不利影响,在两种尺寸冲杆覆盖率各为100%时,采用先大后小的锤击顺序能获得较为理想的残余应力值和较大的弯曲变形，残余应力的有限元模拟与实验结果保持良好的一致性。与采用单类冲杆在1000%覆盖率下锤击喷丸相比，采用先模拟14mm后直径6mm冲杆，覆盖率各为500%的方案锤击喷丸，可以在纯钛TA2板材制备出最优的梯度微观组织结构。　　本文提出的基于工业电镐的复合锤击喷丸工艺，促进了喷丸强化技术的发展，为复合锤击喷丸技术的实际应用提供了理论依据，为其他种类复合喷丸工艺的进一步研究提供了参考。
作者：	李勇
专业：	机械工程
导师：	李言;肖旭东;杨勇
授予学位：	硕士
授予学位单位：	西安理工大学
学位年度：	2022