42CrMo钢超声滚压残余应力及等效塑性应变研究

基于接触力学模型，建立了超声滚压加工残余应力分布的理论模型，模拟了不同静压力、进给速度和振幅下的超声滚压加工过程，分析了超声滚压加工后残余应力和等效塑性应变的分布情况。结果表明，试样表面会发生不同程度的塑性变形并产生残余压应力。随着深度的增加，残余压应力逐渐增大，在深度为0.4 mm处达到最大值，之后逐渐转为残余拉应力，最后残余拉应力和残余压应力趋于平衡。随着深度的增加，等效塑性应变先增大后逐渐减小，最后在深度约1 mm处达到0。加工参数中静压力对残余应力和等效塑性应变的影响最为显著，最大残余压应力和等效塑性应变随着静压力的增大而增大，最大残余压应力和最大等效塑性应变分别为-910.07 MPa和0.46。对比残余应力实验和仿真结果，发现二者残余应力随加工参数的变化规律一致，并且误差范围基本保持在10%以内，验证了有限元模型的准确性和有效性。     

超声振动滚压加工参数对TC4钛合金表面质量的影响

通过超声振动滚压加工正交试验,研究主轴转速、进给速度、静压力和加工次数对TC4钛合金表面质量的影响,并将材料的表面粗糙度、显微硬度及残余应力作为其表面质量的评价指标。试验结果表明:超声振动滚压加工工艺能降低TC4钛合金表面粗糙度,大幅度提高显微硬度,在表面引入残余压应力;合适的主轴转速、进给速度及加工次数使表面粗糙度达到最佳效果,一定范围内,表面粗糙度随着静压力的增大而减小;主轴转速对材料表面显微硬度影响较小,显微硬度随着进给速度的增大而减小,随着静压力及加工次数的增大而增大;主轴转速对材料表面残余应力有无规律的影响,材料表面的残余应力值随着进给速度的增大而减小,随着静压力及加工次数的增大而增大。     

圆角滚压对螺栓残余应力分布及疲劳寿命的影响

利用ABAQUS结合Fe-safe建立了TC4钛合金高锁螺栓的圆角滚压和拉拉疲劳有限元模型,并进行了试验验证。分析了滚压深度、滚轮圆角半径对螺栓残余应力分布和疲劳寿命的影响规律。滚压后,螺栓的疲劳寿命由3万次提高至20万次以上;随着滚压深度的增加,螺栓圆角的最大压应力和压应力深度也随之增加并趋向于稳定,疲劳寿命出现先增后减的趋势;随着滚轮圆角半径的增加,滚压后螺栓的压应力区域增大,表面最大压应力减小,并在滚轮圆角半径为螺栓圆角半径的90%时趋于稳定,最佳滚轮圆角半径为螺栓圆角半径的90%～95%,尺寸过大或过小均会导致疲劳寿命显著降低。结果表明,在滚压深度为0.02 mm、滚轮圆角半径为0.47 mm时,螺栓圆角的疲劳寿命达到最大值。     

超声滚压参数对TC4钛合金表面完整性的影响

为研究加工参数对超声辅助滚压强化TC4钛合金表面完整性的影响规律，设计基于主轴转速、进给速度、静压力和加工次数的4×4正交试验，对试样表面显微形貌、残余应力、硬度和粗糙度进行观测分析。结果表明：表面残余应力和硬度随主轴转速和进给速度的增大先增大后减小，随静压力的增大逐渐增大，随加工次数的增多逐渐减小；表面粗糙度随主轴转速和进给速度的增大逐渐增大，随静压力和加工次数的增大而减小。加工后试样表面完整性得到有效提高，划痕缺陷被消除，表面光整度提高；并形成了有利的残余压应力，最大值为-431.063 MPa,表面显微硬度提高了38.1%,表面粗糙度降低了92.7%。     

扭杆表面材料本构关系及滚压仿真分析研究

扭杆表面的应力状态是扭杆使用寿命以及运行可靠性的关键因素,滚压工艺参数对扭杆表面应力状态有重要的影响。通过对扭杆建立材料本构关系模型,基于此本构关系模型,对三维滚压过程进行了有限元仿真分析,得到压入量、工件转速和进给速度对表面轴向残余应力的影响规律。结果表明:工件转速和压入量的增加都会增大扭杆表面轴向残余应力;进给速度的增加使扭杆表面轴向残余应力先增大后减小。     

抽油杆表面滚压强化的实验研究

通过对轮滚压实验,借助于疲劳实验机、应力分析仪等手段对35CrMo钢试件的表面滚压强化进行了研究。结果表明:经滚压后试件表面存在一定深度的硬化层,且随滚压量的增大而增加;试件的疲劳性能随着硬度的增加先增加后减小;滚压使试件表面产生了较大的残余压应力,疲劳性能明显提高,随着残余压应力的增加,试件的疲劳性能增加;当滚压量为0.08mm时,滚压次数从1次增加到3次时,试件的疲劳循环次数从3.86×106增加到4.13×106,之后再增加滚压次数对疲劳性能影响不大;要产生0.06mm的滚压量,分3次滚压时试件的疲劳性能最好;滚压次数一定时,随着滚压量的增加,试件的疲劳性能先增加后减少。     

二维超声滚压7050铝合金的微观组织与力学性能

采用二维超声滚压加工方法对7050铝合金进行处理,研究二维超声滚压加工对铝合金表面微观形貌与力学性能的影响。结果表明:经过二维超声滚压处理后,铝合金表面微观形貌明显改善,当滚压次数为4次时,表面微观形貌最均匀;随着滚压次数增加,表面粗糙度值先减小后增大,最大降幅达73%。铝合金表面硬度值、残余压应力随滚压次数的增大而增大,且硬度最大提高了43%,表面残余压应力值最大为242.9 MPa。     

螺母表面滚压强化有限元分析

滚压强化能够提高零件的疲劳强度和综合力学性能。对螺母表面进行滚压强化有限元分析,预测滚压强化后螺母表面的残余应力的分布状况。通过ABAQUS软件对螺母表面滚压强化进行数值模拟,比较了不同压下量、进给速度、滚压速度对残余应力分布的影响。结果表明,滚轮速度对螺母的表面强化有着显著的影响。随着滚压速度的增加,螺母圆角部位残余应力逐渐增大,且滚压速度越大,圆角部位的等效应力分布越均匀。但是过快的滚压速度会导致螺母表面产生划痕,不利于疲劳强度的提高。     

表面超声滚压处理工艺对高速列车车轴钢表面状态的影响

为提高高速列车车轴钢的疲劳性能,对车轴钢EA4T进行了表面超声滚压处理(SURP)。综合运用了粗糙度测量仪、扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射应力分析仪、显微硬度仪以及金相显微镜研究了表面超声滚压处理工艺参数中静压力和进给速度对高速列车车轴钢表面粗糙度、表面残余应力状态、表层显微硬度及微观组织的影响规律。结果表明:在试验参数范围内,静压力和进给速度越低,车轴钢的表面粗糙度越低;SURP后,试样表面轴向残余压应力得到大幅度提高,并且随着静压力的增加而增加,随着进给速度的增加而减小;表面硬度以及塑性变形层厚度随两参数的变化规律与残余应力的变化规律相似。     

Al6061铣削精加工表层残余应力分布试验研究

目的探索铣削精加工工艺参数对Al6061工件表层残余应力的影响,提高零件的疲劳寿命。方法设计研究了只改变其中一个参数,其他参数不变的情况下,铣削精加工Al6061工件表层残余应力的分布情况。结果在平行于铣削进给方向(x direction)和垂直于铣削进给方向(y direction),所得表层残余应力均为压应力。随主轴转速的增大,所得工件表面残余压应力减小,残余应力最大值深度增加。当改变每齿进给时,随着每齿进给的增加,工件表面残余压应力减小,残余应力最大值出现在表面;随着铣削深度的增加,工件表面残余压应力减小,对残余应力最大值影响不大;随着铣削宽度的增加,工件表面残余压应力先减小后增大,残余应力最大值从表面向深度层移动。当主轴转速为10 000 r/min、每齿进给为0.015 mm、铣削深度为0.5 mm、铣削宽度为11.8 mm时,对表层残余应力的影响最大,影响层深约245μm,残余压应力最大值为147.67 MPa,其峰值深度约为80μm。结论 Al6061铣削精加工时,如果要获得较大的表面残余压应力,应该选择主轴转速、每齿进给、铣削深度、铣削宽度都较小。在切深方向,如果要获得较大残余压应力,应该选择较大的主轴转速和铣削宽度、较小的每齿进给、合适的铣削深度。     

GH4169高速铣削加工残余应力分布规律试验

目的通过研究GH4169高速铣削过程中切削工艺参数对加工残余应力的影响规律,改进工艺参数的选取,提高此类零件的疲劳寿命。方法设计了GH4169高速铣削工艺参数与加工残余应力之间的单因素试验。通过仅改变一个切削参数、其余切削参数不变的方式,得到了工件表面残余应力和切削深度方向残余应力与切削参数之间的变化规律。结果铣削进给方向(x方向)和垂直进给方向(y方向)的表面残余应力主要表现为拉应力,且随着铣削深度和每齿进给量的增加而增加,随着铣削速度的增加而减小;在切削深度方向上,不同切深值所在平面的x方向和y方向的残余应力主要表现为压应力,随着层深的增加先增大后减小。残余应力峰值随铣削深度和每齿进给量的增大而增大,随铣削速度的增大而减小,残余应力最大深度基本在80μm以内。结论 GH4169高速铣削加工中,如果要获得较小的表面残余拉应力,应该选用较小的铣削深度和每齿进给量,较大的铣削速度;在切深方向,如果要获得较大的残余压应力,应该选用较大的铣削深度和每齿进给量,较小的铣削速度。反之亦然。     

冲击波动态传播特性对激光喷丸残余应力场的影响

以TC4钛合金为研究对象,基于Johnson-Cook本构模型,分析了高应变率效应对激光喷丸过程中塑性波波速的影响。通过三维有限元方法模拟了不同作用参数激光喷丸诱导冲击波的传播过程,探讨了多次激光喷丸作用后残余压应力饱和现象的产生机理及利用该效应获得均匀表面残余压应力的方法。结果表明:高应变率效应对激光喷丸作用过程中塑性波速度有显著影响,塑性波的速度与所产生的塑性应变呈反比关系。功率密度越大,初始产生的塑性应变越大,塑性波速度越小,冲击波能量衰减越快,冲击波压力幅值降低越快;相同激光喷丸功率密度,随着作用次数的增加,产生的塑性应变逐渐减小,塑性波速度增大,冲击波压力衰减变缓,使激光喷丸诱导的残余压应力逐渐增大;作用次数达到3~4次时,衰减过程基本相似,诱导的残余压应力增幅不大,作用效果基本达到饱和。利用多次激光喷丸作用产生的饱和效应,当激光光斑搭接率超过50%时,即可使搭接区域作用次数达到3次及以上,使激光喷丸作用效果达到饱和,可获得均匀的表面残余压应力。     

7050铝合金二维超声滚压加工残余应力场研究

目的研究二维超声滚压后7050铝合金残余应力场的形成过程和表层残余应力的分布规律。方法利用有限元软件模拟二维超声滚压加工,分析残余应力场的形成过程及表层残余应力的分布规律;采用正交试验方法进行7050铝合金二维超声滚压加工试验,研究工艺参数对表面残余应力的影响规律,并与有限元分析结果相对比,验证有限元模拟的合理性。结果在二维超声滚压加工过程中,7050铝合金表层材料应力随时间先减小后增大,最后趋于稳定,形成残余应力。残余压应力沿滚压深度方向先增大后减小,再转化为残余拉应力。残余压应力层厚度约为1.05 mm,最大残余压应力值约为285 MPa。在相同的工艺参数下,有限元分析结果与试验结果基本吻合。静压力对表面残余应力的形成影响最大,表面残余压应力随静压力的增大而增大。结论二维超声滚压加工使7050铝合金表面发生剧烈的塑性变形,并形成一定深度的残余压应力。铝合金表面残余压应力随静压力的增大而增大,而与转速和进给量无关。     

超声滚压工艺对镍基单晶高温合金DD6表面完整性和疲劳寿命的影响

目的 改善长期服役于高温高压环境的镍基单晶高温合金DD6材料的表面完整性,提高其使用寿命。方法 采用超声滚压表面强化工艺(Ultrasonic Rolling Process,USRP)对镍基单晶高温合金DD6试样进行表面强化,用正交试验法对三因素三水平的试样组进行试验,使用三维形貌仪、显微硬度仪、XRD射线衍射仪和MTS万能疲劳试验机探究静压力、进给速度和加工遍数等超声滚压参数对镍基单晶合金表面完整性和疲劳寿命的影响规律。结果 对于镍基单晶材料,超声滚压强化工艺能有效降低其表面粗糙度,提高表面显微硬度,并在材料内部引入一定的残余应力,并提升疲劳寿命。经USRP处理后,不同晶体取向的材料能够取得的最佳表面增益效果为,表面硬度从465HV提高到679.2HV,表面粗糙度从0.703 μm降低至0.253 μm,表面引入了约为782 MPa的残余压应力。不同晶向材料的疲劳寿命提升表现为,应力水平为742.4 MPa时,疲劳寿命提升1.3倍;应力水平为649.6 MPa时,疲劳寿命提升1.5倍。结论 超声滚压工艺能够有效降低DD6材料的表面粗糙度、提高表面显微硬度,并在表面引入一定的残余应力,疲劳断裂模式主要为沿{110}面的滑移断裂。在低于742.4 MPa的应力加载时,超声滚压强化可以明显提高DD6材料在高温下的疲劳寿命。     

深层滚压加工对高碳铬轴承钢超长寿命疲劳行为的影响

深层滚压加工对高碳铬轴承钢超长寿命疲劳行为的研究表明：与深层滚压加工前相同,在高应力幅短寿命区,疲劳裂纹萌生于试样表面;由于表面压缩残余应力的影响,疲劳强度有所提高．在低应力幅长寿命区,疲劳裂纹萌生位置从未经深层滚压加工试样的次表面向深层滚压加工试样内部没有压缩残余应力和硬化层的位置转移;因弯曲应力梯度的影响,疲劳强度有了较大的提高．深层滚压加工可以提高高碳铬轴承钢在超长寿命区的旋转弯曲疲劳强度．     

超声滚压12Cr2Ni4A齿轮钢残余压应力特性研究及参数优化

目的 实现高效率、低表面粗糙度和大残余压应力制造。方法 利用ANSYS软件建立12Cr2Ni4A齿轮钢外圆超声滚压有限元模型,分析超声滚压加工后,残余应力场的分布规律。搭建12Cr2Ni4A齿轮钢试验平台,研究工艺参数对工件表层残余应力的影响规律。同时对有限元模型进行验证。运用非线性曲线拟合方法,构建超声滚压工件表面残余应力及其表面粗糙度预测模型,基于赫兹接触理论和压痕几何关系,建立外圆超声滚压加工效率理论模型。结果 经过超声滚压加工后,12Cr2Ni4A齿轮钢表层残余压应力显著提升,且沿滚压深度方向,呈现先增大后减小趋势。最大残余压应力随着初始静压力的增加,峰值点逐渐从表层向次表层移动,最大残余压应力值为?654 MPa,此时硬化层深度约为0.8 mm。经优化得到最优参数为:F=315 N,vf=0.32 mm/min,n=269 r/min。结论 12Cr2Ni4A齿轮钢表层残余压应力随静压力的增大,呈线性增加趋势,随主轴转速和进给量的增大略微减小。参数优化后,加工效率得到进一步提升,工件能够获得良好的表面状态。     

喷丸强度对TC17及GH4169合金表面完整性和高温疲劳性能的影响

对钛合金TC17以及镍基高温合金GH4169光滑旋转弯曲疲劳试样进行喷丸强化,研究了不同喷丸强度下合金的表面粗糙度、表面残余应力和高温疲劳寿命。结果表明,喷丸后两种合金的表面粗糙度随着喷丸强度的增大而上升,当喷丸强度达到0.15 mm A以上时,表面粗糙度显著变大。喷丸后表面残余应力均为压应力,TC17合金的残余压应力的数值随着喷丸强度的增大呈现先增大再减小的趋势,而GH4169合金表面残余压应力数值随喷丸强度的增大而减小。在疲劳性能方面,TC17合金喷丸后的疲劳寿命随喷丸强度的增大呈现先增大再减小的趋势,特别是在高强度条件(大于0.10 mm A)下,喷丸反而降低了疲劳寿命,而GH4169合金的疲劳寿命随喷丸强度的增大而增大,说明不同合金对喷丸强度的优化工艺范围具有差别,钛合金对喷丸强度变化敏感性强。     

58SiMn高强度钢车削表面完整性的试验研究

目的研究58Si Mn高强度钢表面完整性评价指标受切削参数影响的变化规律。方法分别设计单因素和正交试验,采用涂层硬质合金刀具对58Si Mn高强度钢进行车削加工试验,通过采集相关数据,分别讨论了切削深度、进给速度和切削速度变化对表面粗糙度、残余应力、显微硬度和表层微观组织变化等方面的影响。结果进给速度对表面粗糙度的影响最显著,切削速度次之,切削深度的变化对表面粗糙度无直接影响。已加工表面的残余应力随切削速度和进给量的增大而增大。显微硬度随切削深度的增大而减小,随进给量的增大而增大,层深上的显微硬度则呈现先减小后增大的趋势。表层微观组织受切削速度影响不大,未出现明显的相变和晶粒歪曲。结论降低进给速度是减小工件表面粗糙度最直接有效的方法,提高切削速度并不能使表面粗糙度明显减小。工件表面的轴向和切向残余应力均为拉应力,为提高零件使用性能,应采取相应的措施使之转化为压应力。     

齿轮齿面超声挤压强化有限元模拟

超声挤压强化可有效改善零件的表面质量,对齿轮进行超声强化可有效提高其传动的疲劳寿命和可靠性能。采用有限元分析法研究超声挤压强化过程中不同工艺参数对齿轮表面残余应力的影响规律。首先建立了齿轮超声挤压强化的三维有限元模型,然后基于该模型研究了静压力、进给速度、振幅对齿轮超声挤压后表面残余应力的影响规律。结果表明:超声强化后,齿轮表面残余应力约为360 MPa,静压力和工具头进给速度对强化后的残余应力分布影响较大,随着静压力增加,齿面最大残余应力和残余应力深度增大;随着工具头进给速度增加,表面最大残余应力和残余应力深度降低;而不同的振幅对齿面的残余应力影响差别不大。     

高强钢大直径内螺纹超声滚压强化技术

为改善高强钢内螺纹的表面质量,提升螺纹的疲劳寿命和可靠性能,将超声滚压强化技术应用于高强钢大直径内螺纹。采用光学显微镜、显微硬度仪、应力测试仪和疲劳试验机等仪器对滚压前后的螺纹试件表面的显微形貌、粗糙度、硬度、残余应力和疲劳寿命等进行分析。结果表明:超声滚压后螺纹表面残留的加工痕迹可基本消除,牙底表面粗糙度较未滚压降低约50%,较普通滚压降低约30%;超声滚压后表面硬度较未滚压提升17%,而较普通滚压提升约14%;超声滚压后表面残余压应力较未滚压提升60%,而较普通滚压提升约50%。超声滚压后工件疲劳寿命可达到未强化工件疲劳寿命的5倍以上。综上所述,超声滚压强化对于高强钢大直径内螺纹表面质量具有良好的提升效果。