喷丸工艺对18Cr2Ni4WA钢残余应力影响的有限元模拟

卢运鹏，汪崇建

(煤炭科学研究院上海分院， 上海 20030)



喷丸工艺对18Cr2Ni4WA钢残余应力影响的有限元模拟

卢运鹏，汪崇建

(煤炭科学研究院上海分院， 上海 20030)

摘要：采用ANSYS/LS-DYNA有限元软件模拟了在不同弹丸速度和半径下喷丸强化后18Cr2Ni4WA钢的表层残余应力分布，并进行了试验验证。结果表明：18Cr2Ni4WA钢表层中最大残余压应力随着弹丸速度或弹丸半径的增加均先增大后减小,当弹丸速度为120 m·s-1、弹丸半径为0.6 mm时喷丸强化效果较佳；喷丸后钢表层残余应力分布的模拟结果和试验结果相吻合，证明了模型的准确性。

关键词：ANSYS/LS-DYNA软件；有限元分析；残余应力；喷丸强化

0引言

18Cr2Ni4WA钢是制造采煤机行走轮的材料，其疲劳强度和疲劳寿命对采煤机的使用寿命和采煤效率影响很大[1]。喷丸强化技术是一种十分有效且适用范围广泛的表面强化处理技术[2]，这种技术利用大量高速运动的弹丸撞击金属材料的表面，使其表面发生弹塑性变形，进而产生残余应力场来提高其疲劳强度，延长使用寿命。

采用试验的方法(喷丸后用X射线衍射测强化后材料表层残余应力)成本相对较高,而利用仿真分析的方法能够极大地降低成本，同时能够清楚地了解强化后残余应力随层深分布的情况。为此，作者利用ANSYS/LS-DYNA有限元软件建立了喷丸强化有限元模型，模拟了不同弹丸速度和弹丸直径喷丸对强化后18Cr2Ni4WA钢表层残余压应力分布的影响并进行了试验验证。

1有限元模型的建立

利用ANSYS有限元软件强大的建模功能和对多物理场耦合问题的求解功能，建立了采煤机行走轮用18Cr2Ni4WA钢喷丸强化的有限元模型，并用ANSYS和LS-DYNA软件相结合的方式进行分析求解[3-5]。

1.1　材料参数

采煤机行走轮材料为18Cr2Ni4WA齿轮钢，有限元建模时以该齿轮钢作为喷丸试样和弹丸材料，其性能参数如表1所示，表面硬度为58～62 HRC，热处理状态为渗碳淬火，硬化层深度为1.5～2.0 mm。

表1　18Cr2Ni4WA钢的材料参数Tab.1　Material parameters of 18Cr2Ni4WA steel

18Cr2Ni4WA钢在载荷作用下会发生弹塑性变形，建模时试样和弹丸均采用分段线性塑性模型，其应力-应变曲线是以数组的方式分段线性拟合的真应力-真应变曲线[3]，以此代入有限元模型。

1.2　模型的建立

利用ANSYS/LS-DYNA软件建立喷丸强化的模型，采用4层弹丸、100%覆盖率叠加方式，如图1所示。在显示动力学分析过程中，可以认为将弹丸内所有节点的自由度都耦合到弹丸的质量中心上，以缩减显式分析的计算时间。

图1　四层弹丸100%覆盖率叠加方式Fig.1　Four layer mode of shots with 100% coverage rate

由于喷丸试样和弹丸的对称性，只需要建立二分之一的有限元模型，同时为了提高计算效率，设置模型边界的网格单元尺寸为逐渐增大，如图2所示。选用SOLID164显示动力学分析单元，试验钢的模型尺寸为12R×6R×2.1 mm，R为弹丸半径，网格单元尺寸为0.02 mm。在有限元模型的左右侧面(yz面)和底面施加非反射边界条件，前后侧面(xz面)施加对称的边界条件。

图2　有限元模型Fig.2　Finite element model

提取喷丸区域沿试验钢厚度方向上(z向)每层平面(xy面)中所有节点的应力值并取平均值，以此作为试验钢中不同层深处的残余压应力，绘制残余压应力随层深的变化曲线。

2模拟结果与讨论

2.1　弹丸速度对残余应力的影响

分别以80，90，100，110，120 m·s-1的弹丸速度对18Cr2Ni4WA齿轮钢进行喷丸强化处理，模拟了弹丸速度对其表面残余应力分布的影响。

从图3可以看出，在不同弹丸速度下喷丸处理后，试验钢表面残余应力随着弹丸速度的增加逐渐增大，表面最大残余压应力在弹丸速度为120 m·s-1时达到最大。

由图4可以看出，随着弹丸速度的增加，试验钢中的最大残余压应力逐渐增加，且最大残余应力的层深也呈增大的趋势；在相同的弹丸速度下，残余压应力随层深的增加先增大后减小；试验钢中的最大残余压应力出现在层深约200 μm处，此时弹丸速度为120 m·s-1时。

作者利用ANSYS/LS-DYNA软件模拟了弹丸速度从80 m·s-1到170 m·s-1时对试验钢表面残余应力和钢中最大残余应力的影响，结果如图5所示。由图5可以看出，随着弹丸速度的增加，试验钢喷丸后表面残余压应力和最大残余压应力均发生波动性的先逐渐增大后减小的变化，两者的变化曲线几乎重合；当弹丸速度为120 m·s-1时，试验钢表面残余压应力和最大残余压应力均达到最大，分别为1 618,1 782 MPa。

综上可知，当弹丸速度在120 m·s-1时，喷丸强化后试验钢的表面残余压应力和最大残余压应力均为最大，分别为1 618.9 ，1 782.6 MPa，最大残余应力层深约为200 μm。因此，喷丸试验时弹丸速度取120 m·s-1比较合适。

2.2　弹丸半径对残余应力的影响

采用半径为0.4～0.8 mm的弹丸对18Cr2Ni4WA齿轮钢进行喷丸处理，模拟了试验钢表层残余应力分布，弹丸速度为90 m·s-1。

由图6可以看出，试验钢表面残余应力基本随着弹丸半径的增大而增加。

图3　不同弹丸速度喷丸处理后试验钢表面残余应力分布云图Fig.3　Simulated surface residual stress distribution of experimental steel after shot peening at different shot speeds

图4　不同弹丸速度下试验钢中残余压应力随层深的分布曲线Fig.4　Residual stress vs layer depth curves of experimentalsteel at different shot speeds

图5　不同弹丸速度下试验钢的表面残余应力和最大残余应力Fig.5　Surface residual stress and maximum residual stressof experimental steel at different spot speeds

图6　不同半径弹丸喷丸处理后试验钢的表面残余应力分布云图Fig.6　Simulated surface residual stress distribution of experimental steel after shot peening with different shot radii

由图7可以看出，当弹丸半径由0.4 mm增加到0.8 mm时，试验钢中的最大残余压应力随半径的增大先增加再减小，当弹丸半径为0.6 mm时，最大残余压应力达到最大值，为1 174.6 MPa；最大残余压应力的层深基本保持不变，这是由于18Cr2Ni4WA齿轮钢的屈服强度较高，在较低的弹丸速度下喷丸不易发生塑性变形而导致的；在相同的弹丸半径下，随着层深的增加，试验钢中残余压应力先增加后减小。

图7　不同半径弹丸喷丸强化后试验钢中残余应力随层深变化的曲线Fig.7　Residual stress vs layer depth curves of experimental steelafter shot peening with different shot radii

当弹丸半径过大时，材料的表面粗糙度会增加，对精度有影响，且最大残余压应力会减小[6]，因此弹丸半径应该选择为0.6 mm。

3试验验证

采用气动式数控喷丸设备对18Cr2Ni4WA齿轮钢进行喷丸强化处理，弹丸材料为铸钢，硬度为58 HRC，选择了两组弹丸，速度分别为100，90 m·s-1,半径均为0.8 mm。喷丸强化后采用电化学腐蚀剥层技术对齿轮钢进行剥层处理，然后采用Proto-LXRD型X射线应力分析仪测试残余应力随层深的分布[7-8]。

由图8可知，弹丸速度为80,100 m·s-1，半径为0.8 mm时，齿轮钢表层残余应力分布的试验结果和模拟结果是相吻合的，证明该模型具有一定的指导意义。

图8　喷丸处理后试验钢中残余应力分布曲线的试验结果和模拟结果对比Fig.8　Comparison of experimental results and simulation results of residual stress distribution in experimental steel after shot peening

4结论

(1) 模拟结果显示，试验钢表面残余压应力随着弹丸速度或弹丸半径的增加均增大，表层中最大残余压应力随弹丸速度或弹丸半径的增加先增大后减小；当弹丸速度为120 m·s-1、弹丸半径为0.6 mm时喷丸强化效果较佳。

(2) 喷丸后18Cr2Ni4WA齿轮钢残余应力分布的模拟结果和试验结果相吻合，证明了模型的准确性。

参考文献：

[1]魏升,周常飞,汪崇建.采煤机行走轮疲劳寿命仿真分析[J].机械传动, 2014,38(1):112-114.

[2]金荣植.齿轮表面的喷丸强化技术[J].金属加工(热工), 2011(17):12-16.

[3]张广良.不同强度钢喷丸残余应力的有限元模拟[D].上海:上海交通大学, 2012.

[4]王玖,张志远,方雄.弹丸直径和速度对喷丸残余应力分布的影响分析[J].材料科学与工程学报, 2013(4):588-591.

[5]杨超,杜来林.基于ANSYS/LS-DYNA的有限元动力分析应用[J].机电产品开发与创新, 2011(1):121-122.

[6]戴如勇.重载机车牵引齿轮表面喷丸强化及其表征研究[D].上海:上海交通大学, 2012.

[7]窦作勇,张鹏程,李云,等.铝合金搅拌摩擦焊接头内部残余应力的短波长X射线测试[J].机械工程材料, 2015,39(3):107-110.

[8]陈艳华,须庆,姜传海,等.DD3镍基单晶高温合金喷丸层残余应力的X射线衍射分析[J].机械工程材料, 2012,36(3):76-78.

Finite Element Simulation of Shot Peening Effect on Residual Stress

in 18Cr2Ni4WA Steel

LU Yun-peng, WANG Chong-jiang

(China Coal Research Institute Shanghai Branch, Shanghai 200030, China)

Abstract:The residual stress distribution in the surface layer of 18Cr2Ni4WA steel at different shot speeds and shot radii was simulated with ANSYS/LS-DYNA finite element software, and the simulation results was verified by experiment. The results show that the maximum residual stress in the surface layer of 18Cr2Ni4WA steel first increased then decreased with the increase of shot speed or shot radius. The strengthening effect of the shot peening was relatively good at shot speed of 120 m·s-1and shot radius of 0.6 mm. The simulated results of residual stress distribution in surface layer of the steel agreed well with experimental results, proving the accuracy of the model.

Key words:ANSYS/LS-DYNA software; finite element analysis; residual stress; shot peening

作者简介：刘奎武(1980-)，男，江苏淮安人，讲师，硕士。

基金项目：江苏省自然科学基金资助项目(2009ZX04012-012)；2013年度省科技支撑计划(工业)重点项目课题(BE2013009-4)；淮安市工业支撑项目(HAG2011014)。

收稿日期:2015-01-21；

修订日期:2015-10-22

DOI:10.11973/jxgccl201512022

中图分类号：TH142.2

文献标志码：A

文章编号：1000-3738(2015)12-0091-04