航空航天——面齿轮喷丸强化工艺数值分析解析

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1、面齿轮喷丸强化工艺数值分析NumericalAnalysisofShotPeeningProcessofFaceGear王延忠,刘旸,陈燕燕,唐文,王段,张炜YanzhongWang,YangLiu,YanyanChen,WenTang,DuanZhang,WeiZhang北京航空航天大学BeihangUniversity摘要:建立了喷丸强化三维有限元模型，实现了喷丸强化处理残余应力场的数值分析。针对面齿轮的形面特点，确立了需要研究的喷丸工艺参数。利用Abaqus的显示动态分析，研究了喷丸速度、弹丸直径和入射角度三个参数对喷丸效果的影响规律；采用正交分析法分析了各个参数

2、对喷丸效果影响力的大小，确立了各个影响因素的优先级；模拟了多丸粒二次喷丸强化工艺，并分析了单次喷丸和二次喷丸时材料内部的残余应力场分布特点；针对面齿轮型面特点，进行了齿面喷丸工艺规划。关键词:面齿轮，喷丸强化，有限元方法，残余压应力，正交分析1.简介喷丸强化工艺就是利用高速喷射的细小钢丸撞击受喷工件表面，使工件表层材料产生弹塑性变形并呈现高的残余压应力，从而提高工件表面的强度及抗疲劳强度。研究喷丸残余应力场的分布规律，了解喷丸工艺参数对喷丸强化效果的影响，深刻理解喷丸强化机理是非常重要的（栾伟玲，2005）。由于喷丸强化是一个复杂的动态碰撞接触过程，涉及到多种非线性的耦

3、合，影响因素众多，目前喷丸工艺参数的选择只能依靠试验或经验，而实验研究具有很大的局限性，严重制约了喷丸强化技术的发展（张洪伟，2010）。数值模拟技术为研究喷丸强化过程提供了强有利的手段，可以减少费用，缩短相关问题的研发周期。国外学者Meguid等（MeguidSA，1985；MeguidSA，1999）利用有限元法进行了残余应力场的研究，使用隐式求解分析，提出了喷丸的准静态模型；Schiffner等（SchiffnerK，1999）建立了二维轴对称喷丸模型和双丸粒有限元模型；Baragetti等（BaragettiS，2001）用三维模型模拟了喷丸过程，但仅限于单丸粒

4、；Meguid等（MeguidSA，2002）、Majzoobi等（MajzoobiGH，2005）研究了多丸粒喷丸过程三维有限元模拟。国内目前关于齿轮，尤其是面齿轮的喷丸过程数值仿真的文献还较少。凌祥等（凌祥，2006）对弹丸垂直撞击工件过程进行了三维有限元模拟；张以都等（张洪伟，2011）对板材进行了三维残余应力场分析。2016SIMULIA中国区用户大会1喷丸是提高齿轮齿部弯曲疲劳强度和接触疲劳强度的重要方法，是改善齿轮抗咬合能力、提高齿轮寿命的重要途径。面齿轮传动是一种新型的齿轮传动，目前对于面齿轮的齿面强化工艺进行的研究较少。本文针对面齿轮的齿顶变尖等特点，运

5、用有限元软件（Abaqus）对喷丸强化工艺进行有限元仿真分析，确定对面齿轮齿面喷丸强化工艺影响较大的参数以及相关规律，提出面齿轮齿面分区域受喷的工艺规划，为面齿轮的喷丸强化工艺提供初始数据和理论支持。2.喷丸有限元模型的建立2.1基于面齿轮的喷丸参数分析喷丸强化过程是成千上万个弹丸反复撞击靶材表面并引起材料表层发生塑性变形的过程，影响喷丸效果的因素很多，包括弹丸的直径、角度、速度、覆盖率及材料性能等，因此要直接模拟该物理过程较困难。由于喷丸过程本身就是许多单个弹丸撞击靶材的过程，因此单个弹丸撞击靶材的过程模拟是进行喷丸成形和强化模拟的基础，可以用于分析单个因素对目标物体

6、变形的影响。考虑到实际的喷丸强化工艺，还可以模拟多个弹丸进行二次喷丸的过程。本文面齿轮材料选择为45号钢，弹丸材料选择铸钢丸，因为相比玻璃丸和铸铁丸，铸钢丸硬度更高且不易破碎。面齿轮和一般的做喷丸强化的材料不一样，它的曲面复杂，且有齿顶变尖的特点，所以在实际喷丸过程中，要避免漏喷和齿面变尖部分被误喷，就必须针对不同的受喷区域调整喷射角度。因此，在针对面齿轮做喷丸强化工艺分析时，除了需要研究喷丸大小和入射速度对喷丸效果的影响，还必须研究入射角度对喷丸效果的影响规律和影响力大小。基于面齿轮的以上特性，在本文中，首先通过单因素法分别确定直径、角度和速度对喷丸效果的影响，然后通

7、过正交法确定三个因素对喷丸效果的影响程度。2.2基于Abaqus的材料参数的设置在金属快速成型、结构碰撞、弹丸侵彻以及爆炸作用等过程中，结构材料将发生高速变形。材料的屈服应力、强度极限以及延伸率等参量在不同的变形速度及不同温度条件下将发生改变，因此，在分析工程结构在冲击载荷下的响应时，需要能描述材料在大应变、宽应变率范围以及宽温度范围力学行为的本构模型。在Abaqus有限元分析中，材料的失效参量是材料的行为描述的一个重要方面。材料的失效是一种具有复杂物理力学机制的现象，很多实验研究表明材料的失效参量显著的依赖于应力状态三轴性、应变率和温度