一种高锰钢抛丸机叶片喷丸强化工艺参数的确定方法与流程

本发明涉及喷丸加工技术领域，尤其是涉及一种高锰钢抛丸机叶片喷丸强化工艺参数的确定方法。

背景技术：

目前国内外抛丸机的应用日益广泛，不再局限于传统的零件表面处理，更广泛应用于维护和修复高速公路、钢桥和机场路面等。抛丸器作为抛丸机的关键部件，其质量与使用寿命直接取决于叶片，而叶片工作时因要承受磨料对其表面的磨损，从而成为抛丸机中最易损坏的部位。据不完全统计，每年国内仅因叶片磨损而消耗的材料价值上千万。而喷丸工艺使工件表面发生塑性变形，形成一层具有加工硬化效果的表面强化层。研究认为，表面强化层的存在不仅提高了工件表面的硬度和耐磨性，更重要的是在工件的表层形成了残余压应力层，残余压应力层能够阻碍疲劳微裂纹的生成和扩展，从而极大地提高零件的表面疲劳抗力。

高锰钢作为一种传统的耐磨材料,在重载、大冲击磨损条件下,韧性高、耐磨性好,广泛应用于冶金、矿山、建材、铁路、电子、煤炭等机械装备中,如破碎机锤头、齿板、轧臼壁、挖掘机斗齿、球磨机衬板和铁路辙叉等。高锰钢属于奥氏体组织的钢种，在高冲击载荷下使用，耐磨性好，安全可靠，它不仅可用较低价的原材料制成且易冶炼，并有较好的铸造性能。因此，高锰钢一直是承受高冲击负荷或者金属与金属直接接触下要求具有高抗磨性的理想材料。

目前，喷丸工程应用主要依靠经验和试喷，存在工艺参数选择不合理、强化效果不理想的问题，并且采用目前的残余应力测试手段和方法，特别是无损检测方法，难以完全掌握三维残余应力场，且经验和试喷需耗费大量的时间和人力，这些因素都极大制约了喷丸技术的发展。

对于喷丸强化这一高度非线性的动态冲击过程，需要借助于数值仿真手段进行分析，近年来相关学者开展了数值模拟研究取得了较大进展。但由于喷丸强化作用过程复杂且影响因素众多，目前仍然缺乏相关的方法来对喷丸过程的参数进行最优设计。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术中存在的缺点，提供一种基于abaqus有限元分析的喷丸强化处理工艺参数确定方法，该模拟方法根据应力等效原理，通过弹丸撞击法建立喷丸强化残余应力有限元模型，模拟得到不同喷丸工艺参数下的残余应力分布，从而确定高锰钢叶片最佳喷丸工艺参数，以提高高锰钢叶片的使用寿命，且还可以实现根据高锰钢工件表层最大残余应力的需要，定制合适的喷丸强化工艺参数。采用的技术方案是：一种高锰钢抛丸机叶片喷丸强化工艺参数的确定方法，其特征是：所述方法按照以下步骤进行：

1)建立有限元模型：

利用弹丸及高锰钢叶片的材料属性及尺寸对弹丸及高锰钢叶片建立abaqus有限元模型，以所建立有限元模型模拟高锰钢叶片喷丸强化过程，所述弹丸及高锰钢叶片的材料属性是以材料参数进行表征，所述材料参数是指弹丸及高锰钢叶片的杨氏模量、泊松比、密度、屈服强度以及极限强度；

2)有限元分析：

根据工艺要求采用所述有限元软件为所述有限元模型中的弹丸及高锰钢的材料参数、弹丸大小及初速度进行赋值，利用所述有限元软件获得高锰钢叶片表面各节点的平均残余应力；

3)逐步回归分析：

运用正交实验法设计工艺参数组合，所述工艺参数是指弹丸直径、弹丸速度和喷丸时间，利用2)所述的有限元分析得出不同工艺参数下抛丸机叶片的最大平均残余应力；

4)采用回归分析得到最大平均残余应力关于所述工艺参数的最优回归方程，利用所述最优回归方程确定最佳喷丸强化处理工艺参数，方程为：

y＝376.272+21.793dt+0.015v²。

本发明的技术特征还有：步骤1)中所述有限元模型包括直径为的弹丸，以及从高锰钢叶片受喷面上截取的以受喷面为顶面的长方体，所述长方体的顶面是与水平面平行且边长为20mm的正方形；所述长方体的高度为8mm。

本发明的技术特征还有：抛丸机叶片的网格划分选用c3d8r单元，喷丸选用c3d4单元。

本发明的有益效果在于：本发明提出的一种基于有限元分析的抛丸机叶片喷丸强化的有限元模拟方法，利用成熟的弹丸撞击法得到不同喷丸工艺参数下的高锰钢叶片残余应力分布，避免实际生产中常用的喷丸试验方法所伴随的成本过高，消耗大量的人力和物力的问题；本发明把多种形式的多项式逐步回归方法引入喷丸工艺参数最优方程的选取，得到更加精确的回归方程，增加了获得喷丸工艺参数的实用性；本发明采用正交实验安排喷丸工艺参数，运用逐步回归分析方法进行回归，最后得到最优回归方程，可以对最大平均残余应力进行定量研究，根据最大平均残余应力的需要，可以任意定制工艺参数本发明公开的该模拟方法具有快速化、低成本、简便易行、计算准确的特点，工程实际应用效果好。

附图说明

附图1是本发明中覆盖率100％的有限元模型；附图2是本发明中覆盖率200％的有限元模型；附图3是本发明中覆盖率300％的有限元模型；附图4是本发明中覆盖率400％的有限元模型；附图5是模拟结果和实验结果比较示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行说明。

基于abaqus有限元分析的抛丸机叶片喷丸强化处理工艺参数确定方法是按如下步骤进行：

喷丸强化残余应力有限元模拟

在abaqus动态显示分析中，通过定义弹丸的初始速度来模拟弹丸与高锰钢叶片表面撞击过程中所产生的冲击载荷，同时采用库仑摩擦模型来描述弹丸和高锰钢叶片之间的接触情况，减少两接触面之间的切向运动，使计算得到的结果更加稳定；高锰钢叶片单元类型为c3d8r，在弹丸撞击区域采用局部细化网格方式划分单元。在实际喷丸强化过程中，弹丸材料为钢丝切丸，硬度较高，并且屈服强度及抗拉强度都很高，碰撞后变形很小。在有限元模拟过程中将弹丸约束成刚性体，并且忽略重力加速度的影响，接触前假定保持匀速运动；通过喷丸强化残余应力有限元模拟得到残余应力分布结果。

步骤1：建立有限元模型

利用弹丸及高锰钢叶片的材料属性对弹丸及抛丸机叶片建立有限元模型，以所建立有限元模型模拟整个高锰钢叶片喷丸强化过程，并采用非反射边界条件、对称面和固定约束减小边界对于模拟效果的影响；弹丸及高锰钢的材料属性以材料参数表征，材料参数是指弹丸及高锰钢的杨氏模量、泊松比、密度、屈服强度以及极限强度，具体参数如表1所示。

表1高锰钢及弹丸材料工艺参数

建立实体模型：叶片尺寸为20×20×8mm，弹丸直径根据正交试验表设定为0.6mm、0.8mm、1.0mm和1.2mm，喷丸覆盖分别为100％、200％、300％和400％，如图1，图2，图3和图4所示为喷丸覆盖分别为100％、200％、300％和400％的有限元模型。覆盖率为100％的模型为四层弹丸，以及从叶片上截取的以受喷面为顶面的六面体，六面体的顶面是与水平面平行、且边长为20mm的正方形；六面体的高度为8mm；弹丸排列方法如图所示交错排列，覆盖率100％为9球，覆盖率200％为18球，覆盖率300％为27球，覆盖率400％为36球。

考虑叶片尺寸对模拟效果的影响，在叶片侧面施加非反射边界条件；在底面施加固定约束以减小震荡。

采用有限元软件对接触进行定义，定义接触类型为“侵蚀”。

采用有限元软件对边界进行设置，为减少边界对模拟效果的影响，设置叶片除受喷面之外的其它面为非反射边界。

采用有限元软件对叶片进行固定约束。

采用有限元软件对弹丸施加初速度；所述初速度方向与高锰钢叶片受喷面垂直。

完成有限元模型的建立。

步骤2：有限元分析

根据工艺要求采用有限元软件为所建立有限元模型中的弹丸及抛丸机叶片的材料参数、弹丸大小及初速度进行赋值，利用有限元工具获得抛丸机叶片表面受喷部位各单元的残余应力σ。

步骤3：逐步回归分析

运用正交实验法设计工艺参数组合，工艺参数是指弹丸直径、弹丸速度和覆盖率，正交实验法为实验参数安排常规方法。

采用有限元软件设计每一组工艺参数，利用步骤2的有限元分析得出不同工艺参数下高锰钢叶片表面的最大平均残余应力。

采用回归分析得到最大平均残余应力关于工艺参数的最优回归方程；利用最优回归方程确定喷丸强化处理工艺参数，回归分析为数据处理常规方法。

选择二次多项式函数进行逐步回归分析,求得回归方程后进行比较,选择其中可信度和精度高并且简单的回归方程作为所求的最优回归方程。

为了完全因素的分析喷丸工艺参数对抛丸机叶片的影响，下面建立最大平均残余应力与工艺参数(弹丸直径(0.6mm、0.8mm、1.0mm和1.2mm)、弹丸速度(50m/s、70m/s、90m/s和110m/s)和覆盖率(100％、200％、300％和400％)之间的关系。本文采用正交试验法安排喷丸工艺参数，取3因素4个水平,选用l16(34)正交试验表,针对每一组喷丸工艺参数建立三维实体模型，在abaqus平台上选用显式动力求解器，进行网格划分、设置边界条件，并进行数值模拟，得到相应的最大平均残余应力值，如表2。

表2按照正交实验安排的工艺参数及计算结果

高锰钢叶片喷丸强化有喷丸速度、喷丸直径、喷丸时间三个输入变量，一个输出变量为最大平均残余应力。采用表3中按正交试验法安排的参数和计算得到的残余应力计算数据，首先对回归模型进行了调整r方检验(两个回归模型的调整r方值分别为0.682和0.806，选取接近1的0.806的回归模型作为最终的回归模型)，回归模型选定以后，并对回归模型中的回归方差和回归系数检验(置信区间为95％)。

步骤4：回归方差和回归系数检验之后得到的最优回归方程为：

y＝376.272+21.793dt+0.015v²

根据最优回归方程,可以对各自变量与最大平均残余应力的关系做定量的分析。从关系式可以分析任意自变量参数对喷丸强化后高锰钢叶片表层残余应力的影响关系。

步骤5：实验验证

为了进一步验证模拟结果的正确性，采用实验的方法对模拟结果进行验证。

采用某集团的气动式喷丸强化设备，弹丸流量为30kg/min，弹丸直径为0.8mm，喷丸压力为0.5mpa。喷丸之后采用美国astx2001x射线应力仪测试喷丸后高锰钢叶片表层的残余应力值，并把模拟计算数值与实验所得数据应力进行比较，如图5所示为模拟结果与实验结果比较。由图5可见，模拟结果与实验所测结果曲线十分吻合，说明模拟计算模型合理，最优回归方程正确，因此可以实现根据高锰钢工件表层最大残余应力的需要，利用本回归方程定制合适的喷丸强化工艺参数。