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粉锻连杆抛丸运动仿真分析与优化

文章出处:www.sdpaowanji.com人气:519免费资料大全:2018-06-18

    要:

抛丸强化工艺能提高粉锻连杆的疲劳强度和使用寿命。运用PROE建立抛丸器实体模型, 采用离散单元法和EDEM仿真分析不同分丸轮转速、弹丸直径和抛丸角度下的抛丸运动规律, 得出不同的工艺参数组合。结合正交试验法对工艺参数进行优化并得到最优方案。对优化方案进行抛丸强度、表面覆盖率的试验验证, 确定连续稳定的抛丸强化工艺方案为分丸轮转速为2 800 r/min, 抛丸角度为10°, 弹丸直径为0.7 mm, 可有效提高抛丸强化质量和效率。

 

粉锻连杆生产过程是采用传统粉末冶金和精密锻造相结合的新加工工艺, 兼有两者的优点, 其某些物理和力学性能达到甚至超过普通锻件的水平, 且可靠性高, 成本低, 在汽车行业中得到了广泛的应用[1]李森蓉, 王爱华, 李念辛.粉末锻造发动机连杆发展[J].粉末冶金工业, 1995, 5 (5) :185.">[1]。粉锻连杆制造工艺中, 抛丸强化是后加工工序, 可以使粉锻连杆的表面产生残余压应力层, 从而使其疲劳强度和使用寿命得到提高[2]张丹.水平移动式抛丸机械工作原理研究及弹丸的动态仿真分析[D].吉林:吉林大学, 2007.">[2]。抛丸强化是指弹丸在离心力的作用下, 高速撞击零部件表面并使表层 (约0.1~0.8 mm深) 发生塑性变形的过程[3]李绍忠.粉末锻造连杆在发动机上的应用[J].粉末冶金工业, 1998, 8 (6) :36.">[3]。抛丸强化工艺参数是影响强化效果的关键因素, 本文以长城汽车股份有限企业生产的铁基粉锻连杆为抛丸对象, 采用已有的连续通过式德国Rosler抛丸机, 研究不同工艺参数对抛丸强化效果的影响, 得出能进行实际生产的抛丸强化工艺参数组合方案, 以提高粉锻连杆抛丸质量和抛丸效率。

1 粉锻连杆抛丸强化原理

1.1 抛丸强化影响因素

铁基粉锻连杆的生产工序为:原料→配料及混料→压制→高温烧结→热锻→机加工 (去闪边、双面磨等) →抛丸[4]王国强, 郝万军, 王继新.离散单元法及其在EDEM上的实践[M].西安:西北工业大学出版社, 2010.">[4]。在抛丸强化工艺中, 按照粉锻连杆需达到的性能要求制定合理的工艺工序, 所以, 对连杆表面层击打的力也不同。根据抛丸强化的影响因素不同, 建立影响抛丸工艺的函数公式, 得出影响抛丸强化效果的主要参数。抛丸强化效果的函数公式可写为[2]张丹.水平移动式抛丸机械工作原理研究及弹丸的动态仿真分析[D].吉林:吉林大学, 2007.">[2]:

式中:B为抛丸效果;M为弹丸材料;P为抛打工件表面性能;V为抛丸速度;D为弹丸的直径;H为弹丸与工件表面距离;α为抛射角度;T为抛丸时间;Q为单位时间内的抛丸量。

由式 (1) 可得, 在抛丸工艺设备和工件表面性能一定时, 弹丸材料、弹丸直径和抛丸速度是决定连杆抛丸强化效果的主要因素。而弹丸的材料和直径都属于抛丸介质中的因素, 所以对抛丸强化工艺影响最主要的因素为抛丸速度和抛丸介质。

1.2 抛丸速度函数的建立

抛丸速度指弹丸从抛丸器叶片中被抛出的绝对速度, 是矢量, 包括大小和方向[5]刘攀, 刘对宾, 李贺, 等.粉末锻造连杆的研究[J].粉末冶金工业, 2016, 26 (2) :75.">[5]。对弹丸在抛丸器叶片上的运动过程和受力进行分析, 如图1所示。根据受力分析及弹丸运动规律, 建立函数关系式。

图1 弹丸受力情况及运动过程示意图

图1 弹丸受力情况及运动过程示意图   下载原图

注:G为弹丸重力, N;FN为叶片对弹丸压力, N;Ff为弹丸受到叶片摩擦力, N;R为叶片外径, m;r为叶片内径, m;ρ为弹丸所在任意位置的半径, m;θ为弹丸重力与弹丸对叶片压力的夹角, (°) 。

由图1可知, 抛丸运动中弹丸受到3个力的作用, 即弹丸重力G、叶片对弹丸的支撑力FN和弹丸与叶片之间的摩擦力Ff。以地面为绝对坐标, 叶片为相对坐标, 弹丸为研究对象, 建立弹丸运动相关方程式, 如式 (2) ~ (4) 。

弹丸运动受力方程为:

抛丸速度矢量方程为:

抛丸加速度矢量方程为:

因为弹丸尺寸小、质量轻, 可以看作质点运动, 根据牛顿第二定律公式:

依据受力原理对力进行分解, 然后在x轴和y轴建立方程组:

取x=ρ, 根据微分原理, 建立弹丸运动微分方程:

式 (7) 为特征方程, 根据高等数学相关常识进行求解, 最终得到弹丸的绝对速度简化方程为:

式中:m为弹丸质量, g;f为滑动摩擦系数;Ve为弹丸的牵连速度, m/s;Vr为弹丸的相对速度, m/s;Va为弹丸的绝对速度, m/s;ae为弹丸的牵连加速度, m/s2;ar为弹丸相对加速度, m/s2;aa为弹丸绝对加速度, m/s2;ac为弹丸科氏加速度, m/s2;t为时间, s。

因此, 根据式 (8) 可以得出, 抛丸速度Va与分丸轮转速w成线性函数关系, 并且随着分丸轮转速的增加而增加。综上分析, 分丸轮转速和弹丸直径是影响抛丸速度变化的主要因素, 同样也是影响抛丸强化效果的主要因素。

2 粉锻连杆抛丸运动仿真分析

2.1 建立抛丸器及弹丸模型

运用PROEApp建立抛丸器三维模型, 并导入离散元仿真分析AppEDEM中, 如图2所示。在EDEM中建立弹丸模型, 模拟弹丸流运动, 如图3所示。根据要求定义抛丸器模型材料属性和边界条件, 弹丸尺寸、泊松比、剪切模量和颗粒工厂等[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]。

图2 导入EDEM中的抛丸器模型

图2 导入EDEM中的抛丸器模型   下载原图

2.2 抛丸速度的仿真分析

通过以上受力分析, 分丸轮转速、弹丸直径和抛丸角度是影响抛丸速度变化的主要因素[7]Lawley, Alan, Murphy, et al.Metallography of powder metallurgy materials[J].Materials Characterization, 2003, 51 (5) :315.">[7], 因此, 建立抛丸速度的仿真分析, 找出抛丸速度与分丸轮转速、弹丸直径和抛丸角度的最佳搭配。

2.2.1 不同分丸轮转速下抛丸速度的仿真分析

研究分丸轮转速对抛丸速度的影响, 需要采用控制变量法进行仿真参数设定, 以抛丸速度的平均值和稳定性为仿真目标, 作为评价标准[7]Lawley, Alan, Murphy, et al.Metallography of powder metallurgy materials[J].Materials Characterization, 2003, 51 (5) :315.">[7]。依据现场粉锻连杆生产工艺和经验, 类似连杆这种中小型锻件进行抛丸强化, 分丸轮转速一般都控制在2 000 r/min以上。因此, 依次取分丸轮转速2 200、2 400、2 600、2 800、3 000 r/min作为仿真分析参数, 取0~2 s作为时间区间, 抛丸速度为纵坐标, 时间轴为横坐标。通过仿真分析得出当分丸轮转速为2 800 r/min和3 000 r/min时, 抛丸速度变化比较平缓, 工艺稳定, 变化曲线如图4所示。

图3 弹丸颗粒模型

图3 弹丸颗粒模型   下载原图

图4 不同分丸轮转速下的抛丸速度变化曲线

图4 不同分丸轮转速下的抛丸速度变化曲线   下载原图

(a) 2 800 r/min; (b) 3 000 r/min。

2.2.2 不同弹丸直径下抛丸速度的仿真分析

根据弹丸使用原则, 粉锻连杆抛丸强化工艺采用铸钢丸材料[8]宋正和, 朱斌.汽车发动机用粉末冶金曲轴主轴承盖的模具设计[J].锻压技术, 2011, 36 (5) :101.">[8], 其他因素设定, 采用控制变量法进行仿真分析, 取弹丸直径0.6、0.7、0.8、0.9、1.0、1.2 mm为仿真参数。以仿真时间为横坐标, 抛丸速度为纵坐标建立不同弹丸直径与抛丸速度的关系曲线。通过仿真分析, 得出弹丸直径为0.7 mm和0.8 mm时, 抛丸速度比较稳定, 如图5所示。

2.2.3 抛丸角度的选取

抛丸角度是指定向套窗口与叶片之间的相对角度[9]郭彪, 葛昌纯, 张随财, 等.粉末锻造技术与应用进展[J].粉末冶金工业, 2011, 21 (3) :45.">[9]。通常定向套与叶片之间相对角度调整范围为9~20 (°) 之间。根据工件特点及生产经验, 粉锻连杆属于中小型锻件, 抛丸角度一般在15°以下, 因此, 选取9°、10°、12°为研究对象。

3 粉锻连杆抛丸强化工艺参数优化

采用正交试验法对抛丸强化工艺参数进行组合优化[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]。在进行优化时可以添加工艺水平, 使正交试验更加全面和正确。建立抛丸强化工艺参数水平表, 如表1所示。建立L9 (33) 正交表, 共进行9次试验, 最终得出水平和、水平均值和极差值, 如表2所示。

图5 不同弹丸直径下的抛丸速度变化曲线

图5 不同弹丸直径下的抛丸速度变化曲线   下载原图

表1 抛丸强化工艺参数水平表     下载原表

表1 抛丸强化工艺参数水平表

表2 仿真结果正交试验表     下载原表

表2 仿真结果正交试验表

根据表2中的极差值R可知, 抛丸速度的影响因素按主次顺序分别为分丸轮转速、弹丸直径和抛丸角度;再通过水平均值与极差值的比较, 以及当抛丸速度为70 m/s时的稳定性综合分析, 抛丸强化工艺的最佳方案为分丸轮转速2 800 r/min, 抛丸角度为10°, 弹丸直径为0.7 mm。

4 粉锻连杆抛丸运动仿真试验验证

通过EDEM离散元仿真分析和正交试验参数优化[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], 确定了粉锻连杆抛丸强化工艺的最佳参数组合。然而, 如果要确定仿真优化结果, 要与长城汽车股份有限企业现有抛丸强化工艺方案 (分丸轮转速3 000 r/min, 抛丸角度10°, 弹丸直径0.6 mm) 进行对比。因此, 需要进行粉锻连杆抛丸强度、表面覆盖率的试验验证。

4.1 抛丸强度的检测

采用Almen试片法对抛丸后的粉锻连杆进行强度检测[12]毛志强.粉末冶金零件在汽车上的应用[J].粉末冶金工业, 2003, 13 (1) :8.">[12]。粉锻连杆抛丸强度 (弧高值) 要求在0.30~0.38 mm A之间。因此, 选用A型Almen试片进行测量。

将A型Almen试片固定在专用夹具上, 设定抛丸工艺, 将试片与粉锻连杆一起进行抛丸强化, 抛丸后的Almen试片在专用抛丸试片量规上测量强度, 结果如表3所示。

表3 不同抛丸参数下的抛丸强度     下载原表

表3 不同抛丸参数下的抛丸强度

4.2 表面覆盖率的检测

表面覆盖率是指被抛丸工件表面上弹坑面积占工件总表面积的百分比[13]翟连方.抛丸强化的机理、评定和应用[J].热处理技术与装备, 2008 (4) :53.">[13]。将抛丸强化后的粉锻连杆进行抛光等处理, 并置于电子扫描显微镜下, 对抛丸击打的面积进行检测, 计算表面覆盖率[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为抛丸击打面积;S2为抛丸工件总表面积;η为抛丸表面覆盖率。

上述试验1和试验2的粉锻连杆的表面覆盖率都达到了98%以上, 且试验2的工件致密性更好, 如图6所示。

图6 抛丸后工件表面的金相显微组织

图6 抛丸后工件表面的金相显微组织   下载原图

(a) 试验1; (b) 试验2。

5 结论

通过对抛丸强化的理论分析和仿真分析, 得出了影响抛丸强化工艺的主要因素, 即分丸轮转速、弹丸直径和抛丸角度。结合正交试验法对仿真分析工艺参数进行优化, 得出最佳抛丸强化工艺参数组合, 并通过抛丸强度和表面覆盖率进行了试验验证, 确定了优化参数组合的正确性, 即:分丸轮转速2 800 r/min, 抛丸角度为10°, 弹丸直径为0.7 mm。

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