方形光斑多点激光冲击强化42CrMo钢表面残余应力和变形的数值模拟研究.pdf
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1、设 计 与 研 究63方形光斑多点激光冲击强化 42CrMo 钢表面残余 应力和变形的数值模拟研究张鑫1*孔垂江2陈公领3朱然2刘冰2(1.单县能源有限公司,单县 274300;2.山东科技大学,青岛 266590;3.曹县科技创新服务中心,曹县 274400)摘要:通过改进的数值模拟方法研究方形光斑多点激光冲击对 42CrMo 钢表面残余应力和变形的影响。结果表明,随着冲击波峰值压力的增加,表面残余应力和表面变形都有所增大。同时,针对采煤机截齿表面进行激光冲击强化数值模拟,证明其表面可形成残余应力。关键词:激光冲击强化;方形光斑;42CrMo 钢;表面残余应力;表面变形Numerical S
2、imulation of Surface Residual Stress and Deformation of 42CrMo Steel Strengthened by Square Spot Multi-point Laser ShockZHANG Xin1*,KONG Chuijiang2,CHEN Gongling3,ZHU Ran2,LIU Bing2(1.Shanxian Energy Co.,Ltd.,Shanxian 274300;2.Shandong University of Science and Technology,Qingdao 266590;3.Caoxian Sc
3、ience and Technology Innovation Service Center,Caoxian 274400)Abstract:The effects of square spot multi-point laser shock on surface residual stress and deformation of 42CrMo steel are studied by an improved numerical simulation method.The results show that the surface residual stress and surface de
4、formation increase with shock wave peak pressure.At the same time,the numerical simulation of laser shock strengthening is carried out on the surface of shearer cutter,which proves that residual compressive stress can be formed on the surface.Keywords:laser shock intensification;square spot;42CrMo s
5、teel;surface residual stress;surface deformation42CrMo 钢属于超高强度钢,具有良好的综合力学性能及可加工性,在国内普遍用于制造采煤机和掘进机的截齿齿体。作业过程中,截齿工作环境恶劣,经常发生磨损失效,影响其使用寿命,同时降低了生产效率1。针对截齿齿体表面进行表面强化处理,可以延长截齿的疲劳寿命,降低成本。激光冲击强化技术是能够解决此类瓶颈难题的有效手段之一,采用短脉冲、高峰值功率密度的短脉冲激光穿过水层辐照金属零件表面,粘贴在金属表面的黑胶带吸收激光能量,在极短时间内与激光相互作用发生爆炸性气化,产生高温、高压等离子体。向外扩张时,由于受到
6、约束层水的作用而产生高压冲击波压力,并作用于材料表层使其产生塑性应变,形成具有一定深度的残余应力,从而延长金属零部件的疲劳寿命2。在以往的研究中,陈彬等针对回转支撑用钢42CrMo 进行了圆形光斑激光冲击强化,分析了不同激光能量对表面凹坑深度、残余应力和硬度的影响。激光能量为 5 J 时,对应的最高硬度为 709 HV3。张海东等分析了冷处理对42CrMo钢硬度和耐磨性的影响,结果经过深冷处理的 42CrMo 钢硬度为 52.5 HRC,耐磨性能提升 27.52%4。李凯针对 42CrMo 开展了摩擦磨损和电化学腐蚀实验,相比未处理试样,激光冲击后摩擦系数降低了 39.1%,腐蚀速度较低5。李
7、传君等研究发现,激光冲击强化可以提升 42CrMo 钢耐高温腐蚀性能,而残余应力幅值随着激光能量的增加而增加6。激光冲击强化过程复杂,影响强化效果的因素较多,通过有限元模拟优化分析关键激光的工艺参数,指导实际工程应用。目前,国内外文献对于多点激光冲击强化的数值模拟,通过显式动态分析和隐式静态分析之间的反复迭代获取最终结果,工作量大,周期长7-10。同时,一般是针对圆形光斑进行数值模拟研究,方形光斑的激光冲击强化研究较少。1三维模型建立1.1激光冲击强化有限元模拟方法改进的多点激光冲击强化有限元模拟方法包含两个显式动态分析步。对于前n-1 个激光冲击波载荷的加载分析,设置较短的显式分析步时间,然
8、后将前n-1基金项目:山东省自然科学基金面上项目(ZR2022ME150);山东省高等学校青年创新团队(01010410118)。*通信作者:张鑫。现 代 制 造 技 术 与 装 备642023 年第 7 期总第 320 期步显示分析结果导入最后一个分析步中,作为初始状态的应力场。对于最后一个激光冲击波载荷设置较长的显式分析步时间,以此得到稳定的应力场分布11。对于多点方形光斑的激光冲击波不同时刻、不同位置的加载,通过 ABAQUS 软件的用户子程序VDLOAD 实现自动加载。研究不同工艺参数对激光冲击强化效果的影响时,只需改变用户子程序,提高了仿真效率12。方形光斑冲击强化的有限元模拟流程,
9、如图 1 所示。激光冲击强化处理显式分析&VDLOAD短时间是输出残余应力显式分析&VDLOAD长时间否,i=i+1i=n图 1激光冲击强化有限元模拟流程图1.2确定网格划分及材料性能参数选取尺寸为 25 mm25 mm3 mm 的 42CrMo合金方块,方形光斑尺寸为 4 mm,光斑数量为 25 个,模型尺寸及冲击路径如图 2 所示。在激光加载区域选取有限单元,网格类型为 C3D8R。在边界区域选取无限单元,网格类型为 CIN3D8。表面网格划分尺寸为 0.150 mm0.150 mm,厚度方向网格尺寸为 0.075 mm,网格划分后的模型如图 3 所示。3 mm25 mmLSP 路径图 2
10、方形光斑冲击区域及轨迹有限单元无限单元YXZ图 3网格划分后的模型激光冲击强化过程中,国内外学者大多使用 J-C本构模型定义高应变率条件下材料的本构关系13。考虑激光冲击强化过程无明显的升温现象,J-C 模型表达式可简化为y=(A+Bn)(1+C ln*)(1)式中:为塑性应变;*=0,为无量纲塑性应变率;A、B、n均为材料的应变硬化特征参数,其中A为屈服应力,B为硬化模量,n为应变强化指数;C为应变率强化参数,反映了应变率对材料性能的影响。文中数值模拟选用的材料为 42CrMo 钢,材料参数如表 1 所示。表 142CrMo 钢材料参数材料屈服 应力/MPa硬化 模量/MPa应变 强化 指数
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