[发明专利]一种基于材料真实状态的喷丸强化表面完整性参数预测方法

说明书

本发明公开了一种基于材料真实状态的喷丸强化表面完整性参数预测方法，包括以下步骤：1、根据材料实测的表面粗糙度数据点进行三维表面重构；2、依据硬度与屈服强度转化公式，将实测的硬度梯度转化为屈服强度梯度；3、依据X射线进行残余应力检测，将初始残余应力进行添加；4、利用赫兹接触理论计算单个弹丸撞击后的弹坑半径；5、依据覆盖率计算所需要的弹丸数目；6、以计算好的弹丸数目和重构好的材料真实状态的模型利用ABAQUS进行计算。本发明的技术效果是：在考虑材料真实状态下，预测不同喷丸覆盖率下的表面完整性参数，所获得的结果准确可靠，为不同弹丸直径、弹丸流量等工艺情况下的喷丸覆盖率的选择、使用提供依据。

技术领域

本发明属于机械加工领域，具体涉及一种基于材料真实状态的喷丸强化表面完整性参数预测方法。

背景技术

喷丸强化能细化零件表层材料的晶粒，并引入一定深度残余压应力层，使已加工好的零件表面形貌发生改变，这些因素会综合影响零件疲劳寿命。对零件进行表面喷丸强化处理，可以显著提高其抗疲劳性能，延长零部件的使用寿命。广泛应用于高速列车、航天航空、风电、船舶等领域关键零部件表面强化。

喷丸强化工艺中零件的表面完整性参数是指零件的表面粗糙度、残余应力、晶粒尺寸、位错密度等，在工程实际中常用的两个参数为表面粗糙度和残余应力。零件喷丸强化的工艺参数有弹丸直径、喷射角度、喷射速度、覆盖率、喷射压力和弹丸流量，目前，研究这些工艺参数影响残余应力、表面粗糙度的规律不够深入，在实际喷丸强化工艺中，若要得到工程中所要求的残余应力及表面粗糙度，一般是凭借操作者的经验定好丸料的材料和硬度、喷射压力、喷丸流量等参数，只改变喷嘴移动速度及喷丸时间，然后进行大量的喷丸强化试验，根据试验结果来确定喷丸工艺参数。喷丸试验过程耗时耗力，使喷丸工艺效率较低，而且经喷丸后的零件的性能也难以满足实际要求。因此需要一种快速、准确预测残余应力等表面完整性指标的方法，以指导或替代喷丸强化工艺过程中的物理试验。

随着计算机性能的显著提升和数值模拟技术的迅速发展，使用有限元等方法进行喷丸研究逐渐开展起来，充分运用有限元软件的强大计算能力，能用来表示喷丸强化工艺参数与表面完整性参数的关系。但由于靶体形状的多样性及喷丸工艺参数的广泛性，需要对靶体材料的初始状态进行考虑，以提高预测精度和准确性。

中国专利文献CN 104866652A公开了一种基于ABAQUS的喷丸强化变形的有限元模拟方法，它是利用弹丸撞击法得到不同喷丸工艺参数下的残余应力分布，将应力分布为结果，建立喷丸强化残余应力有限元模型，为工艺参数优化奠定基础。其缺点是残余压应力场与喷丸强化工艺参数的关系模型建立过程较复杂，且未能考虑模型的初始表面形貌及硬度等参数。

中国专利文献CN 109359365A公开了一种考虑弹丸随机效应的喷丸工艺数值模拟，它利用ABAQUS的Python脚本语言进行编程，确定弹丸参数，建立喷丸强度计算方法，其缺点是没有考虑喷丸之后的表面完整性参数，它以残余应力、粗糙度结果为考核区来预测的喷丸强度，不能预测残余应力和粗糙度。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明所要解决的技术问题就是提供一种基于材料真实状态的喷丸强化表面完整性参数预测方法，它能预测不同喷丸覆盖率条件下获得的喷丸后工件表面完整性参数，且建立模型过程简单实用。

本发明所要解决的技术问题是通过这样的技术方案实现的，它包括

步骤1、根据材料实测的表面粗糙度数据点进行三维表面重构；

步骤2、依据硬度与屈服强度转化公式，将实测的硬度梯度转化为屈服强度梯度，利用Python编程语言和所得的材料局部屈服强度，为喷丸添加材料属性；

步骤3、依据X射线进行残余应力检测，将初始残余应力进行添加；

步骤4、根据喷丸过程中弹丸撞击靶体的过程，利用赫兹接触理论计算单个弹丸撞击后的弹坑半径；