金屬表面超聲滾壓加工理論及表層力學(xué)性能研究.pdf

1、超聲表面滾壓加工(USRP)是一種新興的表面納米化技術(shù)，可以提高金屬材料表面的綜合性能。
　　本文首先在考慮應(yīng)變、應(yīng)變率和循環(huán)加載特性的基礎(chǔ)上修正了非線性各向同性-隨動硬化本構(gòu)模型用以描述金屬材料在超聲表面滾壓加工過程中的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，并針對軸類用供貨態(tài)和調(diào)質(zhì)態(tài)40Cr鋼進行了不同應(yīng)變幅和不同應(yīng)變速率下的對稱應(yīng)變控制低周疲勞試驗，以獲取其材料參數(shù)。
　　其次，建立了基于壓電效應(yīng)原理的USRP動力監(jiān)測系統(tǒng)，以40Cr鋼為載體，

2、研究了超聲表面滾壓的動力響應(yīng)，獲得了按正弦函數(shù)變化的動態(tài)沖擊力的頻率和幅值，結(jié)果發(fā)現(xiàn)隨著靜壓力和振幅的增加，沖擊力有所增加，相對于靜壓力，振幅的影響更為顯著。據(jù)此對超聲表面滾壓過程進行有限元模擬，得到了加工過程中工作頭的運動狀態(tài)，從而進一步對工作頭沖擊40Cr鋼表面的彈塑性球面應(yīng)力波問題進行了求解。通過特征線法給出了彈塑性球面波傳播的任意質(zhì)點在任意時刻的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)和運動速度。
　　再次，用有限元手段分析了超聲表面滾壓過程中整體模

3、型的能量分布，定義并求得了超聲表面滾壓加工的效率和功率，獲得了表面納米化工藝中關(guān)注的表面特征參量隨USRP加工參數(shù)的變化規(guī)律。模擬結(jié)果表明：經(jīng)過超聲表面滾壓處理后，表層殘余應(yīng)力分布比較均勻，表面各方向的應(yīng)力分量均為壓應(yīng)力，隨著深度的增加壓應(yīng)力先增大后減小。隨著車床主軸轉(zhuǎn)速、加工頭徑向進給速率的降低和靜壓力、振幅和加工遍數(shù)的增加，最大殘余壓應(yīng)力的數(shù)值和深度以及殘余壓應(yīng)力范圍均有不同程度的增加。表面粗糙度隨著主軸轉(zhuǎn)速和進給速率的增加而增加，

4、隨靜壓力和振幅的增加先減小后增大。通過等效塑性應(yīng)變表征了材料的加工硬化程度。
　　最后，采用納米壓痕技術(shù)測試了超聲滾壓后材料表層的力學(xué)性能，包括彈性模量、納米硬度、以屈服強度和應(yīng)變硬化指數(shù)表征的材料塑性參數(shù)和殘余應(yīng)力。彈性模量、納米硬度和屈服強度由材料的表面向內(nèi)部逐漸減小，并隨USRP靜壓力、振幅和加工遍數(shù)的增加顯著提高，應(yīng)變硬化指數(shù)呈相反趨勢。在距離表面500μm以內(nèi)，40Cr鋼表層殘余應(yīng)力均為壓應(yīng)力，隨著距表面距離的增加，殘余