粉末盘陶瓷喷丸角度和覆盖率选取方法与流程

1.本说明书涉及航空发动机轮盘技术领域，具体涉及一种粉末盘陶瓷喷丸角度和覆盖率选取方法。


背景技术：

2.喷丸是一种典型的、应用最广泛的表面强化技术，通过在零件表面引入残余应力和细化表层晶粒，进而提高零部件的疲劳寿命。影响喷丸效果的参数较多，主要包括：弹丸直径、弹丸类型、喷丸角度、弹丸速度、喷丸覆盖率。
3.目前喷丸工艺对零件表面强化效果依赖于理论研究，为了定量分析喷丸工艺对零件表面强化效果，需要建立喷丸工艺与零件表面状态的对应关系，通过在低循环疲劳寿命分析模型中引入表面状态参数，建立考虑喷丸工艺影响的低循环疲劳寿命分析模型。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本说明书实施例提供一种粉末盘陶瓷喷丸角度和覆盖率选取方法，以用以指导粉末盘加工，提高零部件的疲劳寿命。
5.本发明技术方案如下：一种粉末盘陶瓷喷丸角度和覆盖率选取方法，包括：
6.步骤一、确定喷丸参数，并根据喷丸参数确定喷丸角度和表面覆盖率范围；
7.步骤二、根据喷丸参数建立喷丸强化有限元模型；
8.步骤三、通过实际喷丸数据对步骤二中的喷丸强化有限元模型进行验证；
9.步骤四、通过步骤三中验证合格的喷丸强化有限元模型获取喷丸角度对残余应力和表面粗糙度的影响规律，同时，通过步骤三中验证合格的喷丸强化有限元模型获取喷丸覆盖率对残余应力和表面粗糙度的影响规律；
10.步骤五、根据粉末盘的应力分析结果与步骤四的结果建立喷丸强化sps-mc寿命模型，并根据喷丸强化sps-mc寿命模型获取最优的喷丸角度和最优的喷丸覆盖率。
11.进一步地，步骤二具体为：采用显式动力学算法建立喷丸速度、喷丸角度和喷丸覆盖率的三维多弹丸喷丸强化有限元模型。
12.进一步地，步骤三具体为：提取喷丸区沿深度方向各层的平均应力，与实际喷丸后通过电解剥层提取的沿深度方向各层的平均应力进行对比，若喷丸的剥层最大平均残余压应力和表面应力集中系数有限元仿真结果与实际喷丸结果误差小于10％，则喷丸强化有限元模型有效。
13.进一步地，步骤四包括：通过公式σ(α)＝(k1α+b1)σ
02
获取喷丸角度对表面残余应力的影响规律，其中，σ(α)为不同喷丸角度α下的表面残余应力，k1、b1为通过最小二乘法拟合得到系数。
14.进一步地，步骤四包括：通过公式k(α)＝a2α2+b2α+c2获取喷丸角度对表面粗糙度的影响规律，其中，k(α)为不同喷丸角度α下的表面应力集中系数，a2，b2，c2为通过最小二乘法拟合得到的系数。
15.进一步地，步骤四还包括：
16.建立喷丸覆盖率p与表面残余应力σ(p)的函数关系式σ(p)＝(k3p+b3)σ
0.2
；
17.根据公式σ(α)＝(k1α+b1)σ
0.2
和函数关系式σ(p)＝(k3p+b3)σ
0.2
拟合建立喷丸角度.α、喷丸覆盖率p与表面残余应力σ(α，p)的函数关系式σ(α，p)＝(k1α+b1)(k3p+b3)σ
0.2
/(150k3+b3)，其中，k3、b3为通过最小二乘法拟合得到系数。
18.进一步地，步骤四还包括：
19.建立喷丸覆盖率p与表面粗糙度k(p)的函数关系式k(p)＝k4p+b4；
20.根据公式k(α)＝a2α2+b2α+c2和函数关系式k(p)＝k4p+b4拟合建立喷丸角度α、喷丸覆盖率p与表面应力集中系数k(α，p)的函数关系式k(α，p)＝(a2α2+b2α+c2)(k4p+b4)/(150k4+b4)，其中，k4、b4为通过最小二乘法拟合得到系数。
21.进一步地，步骤五具体为：根据喷丸强化后表面残余应力σ(α，p)和表面应力集中系数k(α，p)建立喷丸强化sps-mc寿命模型
[0022][0023]
进一步地，根据公式获取最优的喷丸角度和最优的喷丸覆盖率。
[0024]
与现有技术相比，本说明书实施例采用的上述至少一个技术方案能够达到的有益效果至少包括：本发明能够在低循环疲劳寿命分析模型中引入表面状态参数，建立考虑喷丸工艺影响的低循环疲劳寿命分析模型。
附图说明
[0025]
为了更清楚地说明本技术实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
[0026]
图1是本发明实施例的流程示意图；
[0027]
图2是表面残余应力/屈服强度随喷丸角度的变化规律示意图；
[0028]
图3是表面应力集中系数随喷丸角度的变化规律示意图；
[0029]
图4是表面残余应力/屈服强度随喷丸覆盖率的变化规律示意图；
[0030]
图5是表面应力集中系数随喷丸覆盖率的变化规律示意图。
具体实施方式
[0031]
下面结合附图对本技术实施例进行详细描述。
[0032]
以下通过特定的具体实例说明本技术的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本技术的其他优点与功效。显然，所描述的实施例仅仅是本技术
一部分实施例，而不是全部的实施例。本技术还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本技术的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
[0033]
如图1至图5所示，本发明实施例提供了一种粉末盘陶瓷喷丸角度和覆盖率选取方法，具体包括以下步骤：
[0034]
确定喷丸参数。针对粉末盘，选用弹丸类型为陶瓷丸。陶瓷丸直径为0.15mm～0.45mm。喷丸参数主要关注喷丸角度、喷丸速度和喷丸覆盖率3个参数。
[0035]
喷丸强化有限元模型建立。基于abaqus软件采用显式动力学算法建立喷丸速度v、喷丸角度α和喷丸覆盖率p的三维多弹丸喷丸强化有限元模型。喷丸动能是喷丸速度v与喷丸角度α的综合体现，喷丸动能取决于喷丸速度在喷丸表面法向的分速度(v
×
cos(α))，在本发明中保持喷丸速度v不变，获取喷丸角度α对表面残余应力和表面覆盖率的影响规律。
[0036]
确定喷丸角度和表面覆盖率范围。喷丸动能e＝nmv2×
(cos(α))2/2(n为弹丸数量，m为单弹丸质量)，取喷丸速度v不变，喷丸角度.α在[0
°
，90
°
]范围内，喷丸角度α越小，单弹丸喷丸动能越大，但当喷丸角度为0
°
时，单弹丸喷丸动能最大，多弹丸中仅有一半的弹丸保持初始动能，其它的弹丸因相互碰撞导致动能衰减，因此，当喷丸角度α＝45
°
，喷丸动能e＝nmv2/4；当喷丸角度α＝0
°
，喷丸动能e≥nmv2/4，确定喷丸角度α一般取[0
°
，45
°
]；喷丸覆盖率p取[100％，200％]。
[0037]
喷丸强化有限元模型验证。对于三维多弹丸喷丸强化有限元模型，提取喷丸区沿深度方向各层的平均应力，与实际喷丸后通过电解剥层提取的沿深度方向各层的平均应力进行对比，若喷丸剥层最大平均残余压应力和表面应力集中系数有限元仿真结果与实际喷丸结果误差在10％以内，则喷丸强化有限元模型有效。
[0038]
获取喷丸角度对表面残余应力的影响规律。通过仿真获取喷丸覆盖率150％、不同喷丸角度α下的表面残余应力σ(α)，拟合建立喷丸角度α与表面残余应力σ(α)的函数关系式，式中k1，b1为最小二乘法拟合得到系数。
[0039]
σ(α)＝(k1α+b1)σ
0.2
ꢀꢀ
(1)
[0040]
获取喷丸角度对表面粗糙度的的影响规律。喷丸角度对表面粗糙度的影响表现为表面应力集中系数，通过仿真获取喷丸覆盖率150％、不同喷丸角度α下的表面应力集中系数k(α)，拟合建立喷丸角度α与表面应力集中系数k(α)的函数关系式，式中a2、b2、c2为最小二乘法拟合得到的系数。
[0041]
k(α)＝a2α2+b2α+c2ꢀꢀ
(2)
[0042]
获取喷丸覆盖率对残余应力的影响规律。通过仿真获取喷丸角度5
°
、不同喷丸覆盖率p下的表面残余应力σ(p)，拟合建立喷丸覆盖率p与表面残余应力σ(p)的函数关系式为σ(p)＝(k3p+b3)σ
0.2
，式中k3、b3为最小二乘法拟合得到系数。在第5步的基础上，拟合建立喷丸角度α、喷丸覆盖率p与表面残余应力σ(α，p)的函数关系式。
[0043]
σ(α，p)＝(k1α+b1)(k3p+b3)σ
0.2
/(150k3+b3)
ꢀꢀ
(3)
[0044]
获取喷丸覆盖率对表面粗糙度影响规律。通过仿真获取喷丸角度5
°
、不同喷丸覆盖率p下的表面粗糙度k(p)，拟合建立喷丸覆盖率p与表面粗糙度k(p)的函数关系式k(p)＝
k4p+b4，式中k4、b4为最小二乘法拟合得到系数。在第6步的基础上，拟合建立喷丸角度α、喷丸覆盖率p与表面应力集中系数k(α，p)的函数关系式。
[0045]
k(α，p)＝(a2α2+b2α+c2)(k4p+b4)/(150k4+b4)
ꢀꢀ
(4)
[0046]
粉末盘应力分析。通过有限元法对粉末盘的应力进行分析，获取喷丸区域的最大应力位置的应变幅εa和平均应力σm。
[0047]
喷丸强化sps-mc寿命模型(考虑残余应力、表面粗糙度和平均应力修正manson-coffin模型)建立。引入喷丸强化后表面残余应力σ(α，p)和表面应力集中系数k(α，p)的影响，建立的喷丸强化sps-mc寿命模型为：
[0048][0049]
获取最优喷丸角度和喷丸覆盖率。在喷丸强化sps-mc寿命模型即公式(5)的基础上，以寿命n为函数，以喷丸角度α和喷丸覆盖率p为自变量，分别对喷丸角度α和喷丸覆盖率p求导数，当导数均为零时，对应的喷丸角度α和喷丸覆盖率p为最优喷丸角度和喷丸覆盖率，求导结果见公式(6)。
[0050][0051]
本发明的有益效果如下：
[0052]
首先通过三维多弹丸喷丸强化有限元模型仿真结果，建立表面残余应力与喷丸角度、喷丸覆盖率的二元二次函数关系，建立表面应力集中系数与喷丸角度、喷丸覆盖率的二元三次函数关系；然后将表面残余应力和表面应力集中系数引入sps-mc寿命模型，建立喷丸强化-sps-mc寿命模型；最后通过喷丸强化-sps-mc寿命模型对表面残余应力和表面应力集中系数求导，获取粉末盘喷丸区最优喷丸角度和喷丸覆盖率，用以指导粉末盘加工，提高零部件的疲劳寿命。
[0053]
以上所述，仅为本技术的具体实施方式，但本技术的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本技术揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本技术的保护范围之内。因此，本技术的保护范围应以权利要求的保护范围为准。