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粉鍛連杆拋丸運動仿真分析與優化

文章出處:www.onenonly.com.cn人氣:614發表時間:2018-06-18

    要:

拋丸強化工藝能提高粉鍛連杆的疲勞強度和使用壽命。運用PROE建立拋丸器實體模型, 采用離散單元法和EDEM仿真分析不同分丸輪轉速、彈丸直徑和拋丸角度下的拋丸運動規律, 得出不同的工藝參數組合。結合正交試驗法對工藝參數進行優化並得到最優方案。對優化方案進行拋丸強度、表麵覆蓋率的試驗驗證, 確定連續穩定的拋丸強化工藝方案為分丸輪轉速為2 800 r/min, 拋丸角度為10°, 彈丸直徑為0.7 mm, 可有效提高拋丸強化質量和效率。

 

粉鍛連杆生產過程是采用傳統粉末冶金和精密鍛造相結合的新加工工藝, 兼有兩者的優點, 其某些物理和力學性能達到甚至超過普通鍛件的水平, 且可靠性高, 成本低, 在汽車行業中得到了廣泛的應用[1]李森蓉, 王愛華, 李念辛.粉末鍛造發動機連杆發展[J].粉末冶金工業, 1995, 5 (5) :185.">[1]。粉鍛連杆製造工藝中, 拋丸強化是後加工工序, 可以使粉鍛連杆的表麵產生殘餘壓應力層, 從而使其疲勞強度和使用壽命得到提高[2]張丹.水平移動式拋丸機械工作原理研究及彈丸的動態仿真分析[D].吉林:吉林大學, 2007.">[2]。拋丸強化是指彈丸在離心力的作用下, 高速撞擊零部件表麵並使表層 (約0.1~0.8 mm深) 發生塑性變形的過程[3]李紹忠.粉末鍛造連杆在發動機上的應用[J].粉末冶金工業, 1998, 8 (6) :36.">[3]。拋丸強化工藝參數是影響強化效果的關鍵因素, 本文以長城汽車股份有限公司生產的鐵基粉鍛連杆為拋丸對象, 采用已有的連續通過式德國Rosler拋丸機, 研究不同工藝參數對拋丸強化效果的影響, 得出能進行實際生產的拋丸強化工藝參數組合方案, 以提高粉鍛連杆拋丸質量和拋丸效率。

1 粉鍛連杆拋丸強化原理

1.1 拋丸強化影響因素

鐵基粉鍛連杆的生產工序為:原料→配料及混料→壓製→高溫燒結→熱鍛→機加工 (去閃邊、雙麵磨等) →拋丸[4]王國強, 郝萬軍, 王繼新.離散單元法及其在EDEM上的實踐[M].西安:西北工業大學出版社, 2010.">[4]。在拋丸強化工藝中, 按照粉鍛連杆需達到的性能要求製定合理的工藝工序, 所以, 對連杆表麵層擊打的力也不同。根據拋丸強化的影響因素不同, 建立影響拋丸工藝的函數公式, 得出影響拋丸強化效果的主要參數。拋丸強化效果的函數公式可寫為[2]張丹.水平移動式拋丸機械工作原理研究及彈丸的動態仿真分析[D].吉林:吉林大學, 2007.">[2]:

式中:B為拋丸效果;M為彈丸材料;P為拋打工件表麵性能;V為拋丸速度;D為彈丸的直徑;H為彈丸與工件表麵距離;α為拋射角度;T為拋丸時間;Q為單位時間內的拋丸量。

由式 (1) 可得, 在拋丸工藝設備和工件表麵性能一定時, 彈丸材料、彈丸直徑和拋丸速度是決定連杆拋丸強化效果的主要因素。而彈丸的材料和直徑都屬於拋丸介質中的因素, 所以對拋丸強化工藝影響最主要的因素為拋丸速度和拋丸介質。

1.2 拋丸速度函數的建立

拋丸速度指彈丸從拋丸器葉片中被拋出的絕對速度, 是矢量, 包括大小和方向[5]劉攀, 劉對賓, 李賀, 等.粉末鍛造連杆的研究[J].粉末冶金工業, 2016, 26 (2) :75.">[5]。對彈丸在拋丸器葉片上的運動過程和受力進行分析, 如圖1所示。根據受力分析及彈丸運動規律, 建立函數關係式。

圖1 彈丸受力情況及運動過程示意圖

圖1 彈丸受力情況及運動過程示意圖   下載原圖

注:G為彈丸重力, N;FN為葉片對彈丸壓力, N;Ff為彈丸受到葉片摩擦力, N;R為葉片外徑, m;r為葉片內徑, m;ρ為彈丸所在任意位置的半徑, m;θ為彈丸重力與彈丸對葉片壓力的夾角, (°) 。

由圖1可知, 拋丸運動中彈丸受到3個力的作用, 即彈丸重力G、葉片對彈丸的支持力FN和彈丸與葉片之間的摩擦力Ff。以地麵為絕對坐標, 葉片為相對坐標, 彈丸為研究對象, 建立彈丸運動相關方程式, 如式 (2) ~ (4) 。

彈丸運動受力方程為:

拋丸速度矢量方程為:

拋丸加速度矢量方程為:皙湣皙湣皙湣皙

因為彈丸尺寸小、質量輕, 可以看作質點運動, 根據牛頓第二定律公式:

依據受力原理對力進行分解, 然後在x軸和y軸建立方程組:

取x=ρ, 根據微分原理, 建立彈丸運動微分方程:

式 (7) 為特征方程, 根據高等數學相關知識進行求解, 最終得到彈丸的絕對速度簡化方程為:

式中:m為彈丸質量, g;f為滑動摩擦係數;Ve為彈丸的牽連速度, m/s;Vr為彈丸的相對速度, m/s;Va為彈丸的絕對速度, m/s;ae為彈丸的牽連加速度, m/s2;ar為彈丸相對加速度, m/s2;aa為彈丸絕對加速度, m/s2;ac為彈丸科氏加速度, m/s2;t為時間, s。

因此, 根據式 (8) 可以得出, 拋丸速度Va與分丸輪轉速w成線性函數關係, 並且隨著分丸輪轉速的增加而增加。綜上分析, 分丸輪轉速和彈丸直徑是影響拋丸速度變化的主要因素, 同樣也是影響拋丸強化效果的主要因素。

2 粉鍛連杆拋丸運動仿真分析

2.1 建立拋丸器及彈丸模型

運用PROE軟件建立拋丸器三維模型, 並導入離散元仿真分析軟件EDEM中, 如圖2所示。在EDEM中建立彈丸模型, 模擬彈丸流運動, 如圖3所示。根據要求定義拋丸器模型材料屬性和邊界條件, 彈丸尺寸、泊鬆比、剪切模量和顆粒工廠等[6]Fleissner F, Gaugele T, Eberhard P.Applications of the discrete element method in mechanical engineering[J].Multibody System Dynamics, 2007, 18 (1) :81.">[6]。

圖2 導入EDEM中的拋丸器模型

圖2 導入EDEM中的拋丸器模型   下載原圖

2.2 拋丸速度的仿真分析

通過以上受力分析, 分丸輪轉速、彈丸直徑和拋丸角度是影響拋丸速度變化的主要因素[7]Lawley, Alan, Murphy, et al.Metallography of powder metallurgy materials[J].Materials Characterization, 2003, 51 (5) :315.">[7], 因此, 建立拋丸速度的仿真分析, 找出拋丸速度與分丸輪轉速、彈丸直徑和拋丸角度的最佳搭配。

2.2.1 不同分丸輪轉速下拋丸速度的仿真分析

研究分丸輪轉速對拋丸速度的影響, 需要采用控製變量法進行仿真參數設定, 以拋丸速度的平均值和穩定性為仿真目標, 作為評價標準[7]Lawley, Alan, Murphy, et al.Metallography of powder metallurgy materials[J].Materials Characterization, 2003, 51 (5) :315.">[7]。依據現場粉鍛連杆生產工藝和經驗, 類似連杆這種中小型鍛件進行拋丸強化, 分丸輪轉速一般都控製在2 000 r/min以上。因此, 依次取分丸輪轉速2 200、2 400、2 600、2 800、3 000 r/min作為仿真分析參數, 取0~2 s作為時間區間, 拋丸速度為縱坐標, 時間軸為橫坐標。通過仿真分析得出當分丸輪轉速為2 800 r/min和3 000 r/min時, 拋丸速度變化比較平緩, 工藝穩定, 變化曲線如圖4所示。

圖3 彈丸顆粒模型

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圖4 不同分丸輪轉速下的拋丸速度變化曲線

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(a) 2 800 r/min; (b) 3 000 r/min。

2.2.2 不同彈丸直徑下拋丸速度的仿真分析

根據彈丸使用原則, 粉鍛連杆拋丸強化工藝采用鑄鋼丸材料[8]宋正和, 朱斌.汽車發動機用粉末冶金曲軸主軸承蓋的模具設計[J].鍛壓技術, 2011, 36 (5) :101.">[8], 其他因素設定, 采用控製變量法進行仿真分析, 取彈丸直徑0.6、0.7、0.8、0.9、1.0、1.2 mm為仿真參數。以仿真時間為橫坐標, 拋丸速度為縱坐標建立不同彈丸直徑與拋丸速度的關係曲線。通過仿真分析, 得出彈丸直徑為0.7 mm和0.8 mm時, 拋丸速度比較穩定, 如圖5所示。

2.2.3 拋丸角度的選取

拋丸角度是指定向套窗口與葉片之間的相對角度[9]郭彪, 葛昌純, 張隨財, 等.粉末鍛造技術與應用進展[J].粉末冶金工業, 2011, 21 (3) :45.">[9]。通常定向套與葉片之間相對角度調整範圍為9~20 (°) 之間。根據工件特點及生產經驗, 粉鍛連杆屬於中小型鍛件, 拋丸角度一般在15°以下, 因此, 選取9°、10°、12°為研究對象。

3 粉鍛連杆拋丸強化工藝參數優化

采用正交試驗法對拋丸強化工藝參數進行組合優化[10]Requena G, Degischer H P.Creep behaviour of unreinforced and short fibre reinforced Al Si12Cu Mg Ni piston alloy[J].Materials Science&Engineering:A, 2006, 420 (1/2) :265.">[10]。在進行優化時可以添加工藝水平, 使正交試驗更加全麵和正確。建立拋丸強化工藝參數水平表, 如表1所示。建立L9 (33) 正交表, 共進行9次試驗, 最終得出水平和、水平均值和極差值, 如表2所示。

圖5 不同彈丸直徑下的拋丸速度變化曲線

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表1 拋丸強化工藝參數水平表     下載原表

表1 拋丸強化工藝參數水平表

表2 仿真結果正交試驗表     下載原表

表2 仿真結果正交試驗表

根據表2中的極差值R可知, 拋丸速度的影響因素按主次順序分別為分丸輪轉速、彈丸直徑和拋丸角度;再通過水平均值與極差值的比較, 以及當拋丸速度為70 m/s時的穩定性綜合分析, 拋丸強化工藝的最佳方案為分丸輪轉速2 800 r/min, 拋丸角度為10°, 彈丸直徑為0.7 mm。

4 粉鍛連杆拋丸運動仿真試驗驗證

通過EDEM離散元仿真分析和正交試驗參數優化[11]Park J O, Kim K J, KANG D Y, et al.An experimental study on the optimization of powder forging process parameters for an aluminum-alloy piston[J].Journal of Materials Processing Technology, 2001, 113 (1/3) :486.">[11], 確定了粉鍛連杆拋丸強化工藝的最佳參數組合。然而, 如果要確定仿真優化結果, 要與長城汽車股份有限公司現有拋丸強化工藝方案 (分丸輪轉速3 000 r/min, 拋丸角度10°, 彈丸直徑0.6 mm) 進行對比。因此, 需要進行粉鍛連杆拋丸強度、表麵覆蓋率的試驗驗證。

4.1 拋丸強度的檢測

采用Almen試片法對拋丸後的粉鍛連杆進行強度檢測[12]毛誌強.粉末冶金零件在汽車上的應用[J].粉末冶金工業, 2003, 13 (1) :8.">[12]。粉鍛連杆拋丸強度 (弧高值) 要求在0.30~0.38 mm A之間。因此, 選用A型Almen試片進行測量。

將A型Almen試片固定在專用夾具上, 設定拋丸工藝, 將試片與粉鍛連杆一起進行拋丸強化, 拋丸後的Almen試片在專用拋丸試片量規上測量強度, 結果如表3所示。

表3 不同拋丸參數下的拋丸強度     下載原表

表3 不同拋丸參數下的拋丸強度

4.2 表麵覆蓋率的檢測

表麵覆蓋率是指被拋丸工件表麵上彈坑麵積占工件總表麵積的百分比[13]翟連方.拋丸強化的機理、評定和應用[J].熱處理技術與裝備, 2008 (4) :53.">[13]。將拋丸強化後的粉鍛連杆進行拋光等處理, 並置於電子掃描顯微鏡下, 對拋丸擊打的麵積進行檢測, 計算表麵覆蓋率[14]Munjiza A, Cleary P W.Industrial particle flow modelling using discrete element method[J].Engineering Computations, 2009, 26 (6) :698.">[14], 如式 (9) 所示。

式中:S1為拋丸擊打麵積;S2為拋丸工件總表麵積;η為拋丸表麵覆蓋率。

上述試驗1和試驗2的粉鍛連杆的表麵覆蓋率都達到了98%以上, 且試驗2的工件致密性更好, 如圖6所示。

圖6 拋丸後工件表麵的金相顯微組織

圖6 拋丸後工件表麵的金相顯微組織   下載原圖

(a) 試驗1; (b) 試驗2。

5 結論

通過對拋丸強化的理論分析和仿真分析, 得出了影響拋丸強化工藝的主要因素, 即分丸輪轉速、彈丸直徑和拋丸角度。結合正交試驗法對仿真分析工藝參數進行優化, 得出最佳拋丸強化工藝參數組合, 並通過拋丸強度和表麵覆蓋率進行了試驗驗證, 確定了優化參數組合的正確性, 即:分丸輪轉速2 800 r/min, 拋丸角度為10°, 彈丸直徑為0.7 mm。