42CrMo钢超声滚挤压表面硬度有限元分析及参数优化_王排岗.pdf

第 48 卷 第 3 期Vol.48 No.3FORGING&STAMPING TECHNOLOGY 2023 年 3 月Mar.202342CrMo 钢超声滚挤压表面硬度有限元分析及参数优化王排岗1,2,王晓强1,2,王浩杰1,2,曹丽茹1,2(1.河南科技大学 机电工程学院,河南 洛阳 471003;2.机械装备先进制造河南省协同创新中心,河南 洛阳 471003)摘要:为了提高 42CrMo 钢零件的耐腐蚀性和抗疲劳性,基于 ABAQUS 建立了超声滚挤压有限元仿真模型,通过单因素试验和响应曲面法,分析了工艺参数对 42CrMo 钢表面硬度的作用规律和影响程度,同时对所建立的二阶响应曲面模型进行了显著性检验和工艺参数优化。结果表明,42CrMo 钢的表面硬度随转速和进给速度的提高呈现先增加后下降的趋势,随着振幅和静压力的增大而增大。由响应曲面分析可知,振幅对表面硬度的影响最大,优化得到最优工艺参数组合为:转速为418 rmin-1、进给速度为 15 mmmin-1、振幅为 25 m、静压力为 600 N。对优化结果进行超声滚挤压试验,将仿真优化结果和试验结果进行对比,误差在 5%以内,验证了超声滚挤压仿真模拟对 42CrMo 钢的表面硬度进行预测的可行性。关键词:超声滚挤压;42CrMo 钢;表面硬度;本构模型;有限元分析DOI:10.13330/j.issn.1000-3940.2023.03.021中图分类号:TG376.1 文献标志码:A 文章编号:1000-3940(2023)03-0152-07Finite element analysis and parameter optimization on surface hardness of ultrasonic rolling for 42CrMo steel Wang Paigang1,2,Wang Xiaoqiang1,2,Wang Haojie1,2,Cao Liru1,2(1.College of Mechanical and Electrical Engineering,Henan University of Science and Technology,Luoyang 471003,China;2.Collaborative Innovation Center of Advanced Manufacturing of Mechanical Equipment,Luoyang 471003,China)Abstract:To improve the corrosion resistance and fatigue resistance of 42CrMo steel parts,a finite element simulation model of ultrasonic rolling was established based on ABAQUS,and through single factor test and response surface method,the effect rules and influence de-grees of process parameters on the surface hardness of 42CrMo steel were analyzed.At the same time,the significance test and process pa-rameters optimization of the established second-order response surface model were carried out.The results show that the surface hardness of 42CrMo steel increases first and then decreases with the increasing of rotational speed and feeding speed,and increases with the in-creasing of amplitude and static pressure.From the response surface analysis,it can be seen that the amplitude has the greatest impact on the surface hardness,and the optimal process parameters combination obtained by optimization is the rotation speed of 418 rmin-1,the feeding speed of 15 mmmin-1,the amplitude of 25 m were and the static pressure of 600 N.The ultrasonic rolling test was carried out on the optimization results,and the simulation optimization results were compared with the test results,and the error is within 5%,which verifies the feasibility of the ultrasonic rolling simulation to predict the surface hardness of 42CrMo steel.Key words:ultrasonic rolling;42CrMo steel;surface hardness;constitutive model;finite element analysis收稿日期:2022-05-01;修订日期:2022-08-17基金项目:国家自然科学基金资助项目(U1804145);国家重点研究计划(2018YFB2000405)作者简介:王排岗(1994-),男,硕士E-mail:1395055213 通信作者:王晓强(1972-),男,博士,教授E-mail:wang_xq2002 42CrMo 钢作为一种高强度钢,经过调质处理后,具有良好的抗疲劳特性和抗多次冲击能力,被广泛应用于风电轴承套圈的生产与制造1。由于风电轴承套圈的工况比较恶劣,并且长期承受较大的周期载荷,因此,要求其表面具有较低的粗糙度和较高的硬度。但由于 42CrMo 钢的密度大、导热性差、硬度高等特性,在加工过程中难以保证表面精度,是典型的难加工材料2。超声滚挤压技术是一种近净成形工艺,与抛光、磨削、喷丸等表面强化加工工艺相比,超声滚挤压的加工效率不仅很大程度上有所提高,而且可以在加工表面产生加工硬化现象,进而提高零件的耐腐蚀性和抗疲劳性能。在超声滚挤压加工过程中,选取合理的工艺参数对加工结果有着很大的影响,因此,研究超声滚挤压加工过程中工艺参数对 42CrMo 钢零件表面硬度的影响,并对工艺参数进行优化,对于提高零件的疲劳寿命有着非常重要的意义。近年来,随着先进制造技术的发展,许多学者对超声滚挤压技术进行了大量研究。张飞等3采用超声滚压技术对 45 钢进行加工,并对其表面质量进行分析。结果表明,滚压后的试样表面产生了晶粒细化,表面粗糙度降低了 2.97 m,残余压应力提高了 352 MPa,疲劳极限值增加了 107 MPa。Tolga Bozdana A 等4利用超声深冷滚压技术对 Ti-6Al-4V钛合金进行加工。试验结果显示,超声深冷滚压可有效提高材料表层的残余压应力,在层深 0.2 mm处,残余压应力可以达到 900 MPa。Liu Y 等5采用压痕试验和仿真模拟法探究超声滚压表面的力学特性,分析了工艺参数对评价指标的影响,得到了工件表层的屈服强度和硬化指数。Li F Q 等6为深入研究超声滚压加工对 Ti-6Al-4V 钛合金表面特性的影响,利用 ABAQUS 软件模拟了不同超声滚压力对表层残余应力的作用。仿真结果表明,表面残余应力随着滚压压力的增加而降低,并且残余压应力在滚压压力为 600 N 时最大。刘治华等7采用超声滚压技术对 18CrNiMo7-6 钢进行加工,发现试样表面经过超声滚压后粗糙度明显降低,显微硬度明显提高。在塑性成形领域,国内外学者采用有限元模拟和试验设计相结合的方法对加工硬化行为进行了大量研究。武民等8对 TC4 钛合金进行了不同振动方向的超声侧铣试验。结果表明,法向方向得到的显微硬度最大,显微硬度随着转速的提高逐渐增大。Shinya Kanou 等9采用试验和仿真相结合的方法,研究了冲击速度和冲击尺寸对喷丸处理的多晶体金属表面加工硬化的影响。结果表明,在大的冲击载荷作用下,变形优先沿着晶界而不是在晶粒内部进行。王晓强等10对 GCr15 钢进行超声滚挤压强化试验,结果表明,经过超声滚挤压处理的 GCr15 钢,其表面硬化层深度可达 250 m,其表面硬度随静压力的增大而提高,随进给速度的增大而降低,随工件转速的增大先提高后降低。韩璐等11设计了超声磨削和普通磨削对比试验,分析了超声振动和磨削参数对表面完整性的影响。结果表明,与普通磨削相比,超声辅助磨削提高了表层硬度、残余压应力和晶粒细化层厚度。Lu X 等12根据镍基高温合金硬度和应变的关系,利用有限元软件构建了微铣削槽三维仿真模型,分析了加工表面显微硬度的分布,为提高镍基高温合金的表面完整性提供了参考。综上所述,国内外众多学者对超声滚挤压技术做了大量的研究,然而采用有限元分析和试验设计相结合的方法对 42CrMo 钢超声滚挤压表面硬度进行研究的文献较少。因此,本文首先通过 ABAQUS建立超声滚挤压有限元仿真模型,分析工艺参数对42CrMo 钢棒料表面硬度的影响;其次在仿真试验数据的基础上,运用响应曲面法建立工艺参数和表面硬度的预测模型,并对其进行优化求解;最后对最优参数组合进行试验验证,对比仿真优化和试验结果,验证有限元分析的可行性,对提高金属零件的表面性能具有重要的理论意义。1 仿真试验设计1.1 试验材料试验材料选用强度高和韧性好的 42CrMo 钢棒料,其化学元素成分(%,质量分数)为:C 0.37,Mn 0.77,Cr 0.98,Mo 0.21,Si 0.15,Ni 0.04,Fe 97.44。直径为 50 mm、长度为 320 mm 的 42CrMo钢棒料经调质处理后,其基本物理参数如表 1 所示。表 1 42CrMo 钢的物理参数Table 1 Physical parameters of 42CrMo steel参数密度/(kgm-3)弹性模量/GPa泊松比屈服强度/MPa热膨胀系数数值78502120.289301.2410-51.2 试验原理超声滚挤压技术作为新型的无切屑表面近净成形技术,加工原理简图如图 1 所示。交流电首先在超声波发生器的作用下转变为超声频电能,随后再由换能器将超声频电能转换为超声频振动,超声频振动经由变幅杆进行放大,驱动工具头振动加工。金属零件在进行超声滚挤压强化后,表层发生金属流动和塑性变形,使内部结构的晶粒发生位错和滑移,导致零件表面出现加工硬化现象,从而使零件的表面硬度得到提高。1.3 42CrMo 钢材料的本构模型Johnson-Cook 本构模型的结构形式比较简单,多应用于描述金属的应力、应变关系。在超声滚挤压加工过程中,高应变率会使材料局部产生大量的热量,进而对材料的表层特性产生影响。为了更加真实有效地反映材料特性,改进后的 J-C 本构模型如式(1)所示。改进后的 J-C 本构模型参数如表 2所示13。351第 3 期王排岗等:42CrMo 钢超声滚挤压表面硬度有限元分析及参数优化 图 1 超声滚挤压加工原理示意图Fig.1 Schematic diagram of princip