双星抛丸机抛丸强化结果分析及最佳工艺参数选

抛丸强化过程动态显示：抛丸强化中，钢丸撞击靶材经历了撞击前、撞击开始、撞击中、撞击后四个动态过程，在这四个过程中，撞击开始到撞击中的阶段，靶材的应力应变不断增大，钢丸回弹到最后离开靶材的过程中，靶材应力应变逐渐趋于稳定状态。图 4.6 为截取的任意一组抛丸工艺参数下（钢丸抛射速度、钢丸直径）四个动态过程应力云图的变化情况。 

图 4.6 抛丸强化时不同时刻的动态效果 

抛丸强化中模型能量的变化：

图 4.7 为任意一组抛丸工艺参数（钢丸抛射速度、钢丸直径）下，抛丸强化过程中模型总能量、动能、内能、沙漏能随抛丸时间变化的曲线图。 

图 4.7 模型中能量的变化过程 

图示曲线可以看出，在碰撞开始之前，模型总能量为 7.050m J，约等于钢丸动能和靶材内能总和，碰撞开始后，钢丸动能逐渐降低，靶材内能逐渐增加，钢丸的动能逐渐转化为靶材的内能。在 1.17us 时，钢丸的动能达到了最低值 0.018m J，靶材的内能达到了最高值 6.790m J，随着时间的增加，钢丸的动能变得越来越大，而靶材的内能变得越来越小。在1.57us 时钢丸的动能和靶材的内能开始趋于平稳，说明此时碰撞已经结束，碰撞完成后钢丸的动能为 0.689m J，靶材的内能为 6.32m J，二者总和约等于模型总能量，模拟过程中要求沙漏能小于内能的 5%时，计算结果才是可信的。本文针对单元存在沙漏的问题采用细化接触区单元网格的方式进行控制，从图 4.7 中的结果可以看出在整个抛丸强化过程中，钢丸的动能和靶材的内能之和约等于模型总能量，其中沙漏能约占内能的 0.65%，远远小于 5%的最大值，因此网格细化方式达到了控制沙漏的目的。 

钢丸直径对抛丸工件应力场分布的影响：

抛丸强化中，钢丸直径的选用是一项重要工艺参数，对于具体的抛丸强化要求，正确选用钢丸的直径，能够在保证抛丸强化效果的前提下节约生产成本。本文在对抛丸过程进行数值模拟时，分别选用 Φ0.6mm、Φ1.0mm、Φ1.4mm、Φ1.8mm、Φ2.0mm 五种常用直径的钢丸，进行抛丸强化的模拟。 

图 4.8 是任意一组抛丸工艺参数（钢丸抛射速度、钢丸直径）下有限元模拟后的抛丸残余应力场，模拟结果选取 x 方向主应力σxx。从应力场的分布来看，靶材表层的应力场趋于稳定状态后，材料表层出现塑性变形，即一定深度的钢丸压痕，同时钢丸正下方呈现一定深度的残余压应力层，应力层内压应力的分布表现出不均匀的状态，材料表面出现一定大小的压应力，压应力随着应力层深度的增加逐渐增大且在一定层深上出现最大残余压应力，当应力层的深度继续增大时，压应力开始减小，并在一定层深上产生了很小的拉应力，模拟结果基本符合图 2.7 中抛丸强化机理分析时抛丸残余应力场的分布趋势。 

图 4.8 抛丸残余应力场分布图 

（1）钢丸直径对残余应力及残余应力层深分布的影响 首先用钢丸抛射速度 60m/s 撞击靶材，钢丸直径分别为 Φ0.6mm、Φ1.0mm、Φ1.4mm、Φ1.8mm、Φ2.0mm，残余应力及应力层深的变化趋势如图 4.9 所示。从图中来看，最大残余应力层和总体残余应力层随着钢丸直径的增大依次为 0.15mm、0.25mm、0.30mm、0.30mm、0.30mm 左右，0.35mm、0.45mm、0.50mm、0.52mm、0.53mm 左右，最大残余应力层逐渐增大并从钢丸直径 Φ1.4mm 时开始不再变化，而且在钢丸直径 Φ0.6mm~Φ1.0mm 之间的增速 最 快 ， 而 总 体 残 余 应 力 层 一 直 保 持 增 大 的 趋 势 ， 且 其 增 幅 最 大 的 区 间 也 在Φ0.6mm~Φ1.0mm 之间，这是因为钢丸直径越大，钢丸的动能也越大，撞击靶材后产生的塑性变形也就越大，但是当钢丸直径增大到一定值后二者或者保持不变或者增幅变缓，由此可见盲目的增大钢丸直径并不能取得更加合适的抛丸强化效果，反而会因此造成更多的能耗。表面残余应力从钢丸直径 Φ0.6mm 时的-119.3MPa 减小到钢丸直径 Φ1.0mm 时的-70.2MPa，并在钢丸直径 Φ1.4mm 时开始出现拉应力，大小为 10.9MPa，在钢丸直径 Φ2.0mm时表面拉应力达到了 85.4MPa 左右，这说明钢丸直径越大，虽然残余应力会增大，但是过大的钢丸直径会使材料表面产生拉应力，而材料表面的拉应力会大大减弱抛丸强化效果。在钢丸直径增大的过程中，最大残余应力并非简单的线性增大或者减小，钢丸直径在Φ0.6mm~Φ2.0mm 时最大残余应力依次为-494.9MPa、-558.3MPa、-564.6MPa、-535.4MPa、-498.3.4MPa，最大残余应力呈现先增大后减小的趋势，且在钢丸直径 Φ0.6mm~Φ1.0mm 之间增幅最大。 

图 4.9 钢丸直径不同时的抛丸残余应力场（钢丸速度为 60m/s） 

如图 4.10 所示，钢丸抛射速度为 65m/s 时，总体残余应力层和最大残余应力层的变化趋势和图 4.9 中一样，二者增幅最大的区间也在钢丸直径 Φ0.6mm~Φ1.0mm 之间，从总体值来看，对比图 4.9，总体残余应力层有增大的趋势但是增幅不大，而最大残余应力层则和图 4.9 中比较没有明显的变化。表面残余应力和最大残余应力变化趋势和图 4.9 中一样，且二者从总体值上来看均有增大趋势，但是增幅不大，且表面残余应力在钢丸直径 Φ2.0mm时出现拉应力。综上所述，钢丸抛射速度为 65m/s 时不同钢丸直径下的残余应力场变化趋势基本与钢丸抛射速度为 60m/s 时的一致。 

图 4.10 钢丸直径不同时的抛丸残余应力场（钢丸速度为 v=65m/s） 

如图 4.11 所示，钢丸抛射速度为 70m/s 时随着钢丸直径的增大，最大残余应力层与图4.10 中的变化趋势保持一致，依次为 0.25mm、0.35mm、0.40mm、0.40mm、0.40mm。总体残余应力层深度从钢丸直径 Φ0.6mm 时的 0.52mm 左右增大到钢丸直径 Φ1.8mm 时的0.75mm 左右，且在钢丸直径 Φ2.0mm 时保持不变，对比图 4.10，最大残余应力层和总体残余应力层深度在总体值有了较大幅度的上升，并且还要注意到 二者在钢丸直径Φ0.6mm~Φ1.0mm 之间的增幅要比图 4.9、4.10 中的增幅大。表面残余应力从钢丸直径Φ0.6mm 时的-185.4MPa 增大到钢丸直径 Φ1.0mm 时的-245.3MPa，此后随着钢丸直径的增大表面残余应力逐渐减小并在钢丸直径 Φ2.0mm 时减小到-32.9MPa，最大残余应力从钢丸直径 Φ0.6mm 时的-655.2MPa 增大到 Φ1.4mm 时的-775.9MPa，然后又减小到 Φ2.0mm 时的-645.9MPa，无论是从总体值上的增幅还是从钢丸直径 Φ0.6mm~Φ1.0mm 之间的增幅来看，表面残余应力和最大残余应力均比图 4.10 中变化更快。 

图 4.11 钢丸直径不同时的抛丸残余应力场（钢丸速度为 70m/s） 

如图 4.12 所示，当钢丸抛射速度为 75m/s 时，随着钢丸直径的增大总体残余应力层和最大残余应力层依次为 0.57mm、0.75mm、0.78mm、0.80mm、0.76mm 左右，0.30mm、0.40mm、0.45mm、0.45mm、0.40mm 左右，变化趋势是先增大后减小，对比图 4.11，它们的总体值虽然有增大的趋势但是增幅明显变缓。随着钢丸直径的增大表面残余应力和最大残余应力依次为-178.6MPa、-229.7MPa、-127.5MPa、-65.4MPa、35.4MPa 左右，-673.4MPa、-769.9MPa、-780.6MPa、-729.9MPa、-660.4MPa 左右，二者对比图 4.11，在钢丸直径Φ0.6mm~Φ1.0mm 之间的增幅变缓，不同的是从总体值上来看表面残余应力有减小的趋势而最大残余应力依然有所增大，且钢丸直径 Φ2.0mm 时表面残余应力为拉应力。 图 4.12 钢丸直径不同时的抛丸残余应力场（钢丸速度为 75m/s） 

 最后图 4.13 中钢丸抛射速度为 80m/s 时，最大残余应力层、总体残余应力层、表面残余 应 力 和 最 大 残 余 应 力 均 呈 现 先 增 大 后 减 小 的 趋 势 ， 而 且 四 者 在 钢 丸 直 径Φ0.6mm~Φ1.0mm 之间的增幅对比图 4.12 中更加缓慢，也可以看出四者在总体值上相对于图 4.12 中来讲均表现出不同程度的下降趋势，表面残余应力在钢丸直径 Φ1.8mm 就开始出现拉应力，大小为 60.9MPa，并在 Φ2.0mm 时拉应力达到 115.2MPa。 

图 4.13 钢丸直径不同时的抛丸残余应力场（钢丸速度为 80m/s）

（2）对压痕深度的影响 压痕深度也是抛丸特征中的一种，压痕深度的产生来源于抛丸强化后材料表层发生的塑性变形[68]。钢丸的直径越大所携带的动能也就越大，压痕深度越大，材料的塑性变形也就越大，但过大的塑性变形会影响材料表层的粗糙度要求，因此在选择抛丸工艺参数时需考虑到抛丸工艺参数对压痕深度的影响。图 4.14 是钢丸抛射速度一定下不同钢丸直径对压痕深度影响的曲线图。 

图 4.14 钢丸直径对压痕深度的影响 

从图中可知： 

①钢丸抛射速度为 60m/s 时，压痕深度从钢丸直径 Φ0.6mm 时的 0.014mm 左右增加到了钢丸直径 Φ2.0mm 时的 0.068mm 左右，且在钢丸直径 Φ1.4mm 以后的增幅较大。

②钢丸抛射速度为 65m/s 时，压痕深度对比钢丸速度 60m/s 时增加趋势变快，增幅较大的位置同样出现在钢丸直径 Φ1.4mm 以后，最大值为 0.082mm 左右。

③钢丸抛射速度为 70m/s 时，压痕深度增加趋势变得更快。

④钢丸抛射速度为 75m/s 时，对比钢丸速度 70m/s 时，其增加趋势开始减慢，在钢丸直径 Φ1.8mm 压痕深度达到最大值 0.083mm 左右，在 Φ2.0mm 时降到 0.080mm 左右。

⑤最后钢丸抛射速度为 80m/s 时，压痕深度的变化趋势在增速上变的更加缓慢。