齿面喷丸强化后表面微观形貌仿真分析

首先采用软件ABAQUS模拟齿轮喷丸加工，进行有限元仿真，作为对比分析，分别构造了25丸粒和49丸

齿轮传动在当代工业制造业里广泛应用，喷丸工艺是一种很好的大幅度提高齿轮的弯曲疲劳强度的措施。喷丸齿轮表面微观形貌对润滑特性的影响很大，当前粗糙度影响润滑的研究重点放在了机加工形貌对润滑特性的影响，而对齿面喷丸强化后形成的粗糙形貌对润滑的研究仅仅停留在试验阶段。

主要研究弹丸直径和喷丸强度对20Cr2Ni4A 钢试样表层显微组织、残余奥氏体、残余应力、显微硬度、表面形貌、摩擦磨损性能和冲蚀性能的影响。

利用ABAQUS 软件研究了弹丸直径和喷丸速度对9310钢表层残余应力场和表面粗糙度的影响[1] [2]。

表面喷丸强化技术是工程上应用最广的表面强化技术之一。

通过喷丸强化技术在工件表面引入残余压应力，并改善工件表层组织结构，使工件表面的硬度和强度、抗疲劳性能以及抗应力腐蚀性能等均能得到显著提高[3] [4]。Nobre、Coelho 等人研究发现齿轮经过喷丸强化处理后， 表层显微硬度得到提高， 组织得以改善， 并产生较大的残余压应力， 表面完整性得到改善， 因此疲劳寿命得以提高[5]。

S. A. Meguid 和A. Gariepy 等[6]建立了具有四个对称面的喷丸强化元胞模型， 利用少量板材单元模拟了大量弹丸对板材的撞击过程。H. Y. Miao 等人[7]采用类似的模型研究了多个喷丸工艺参数对残余应力分布的影响规律。建立了无对称面的三维喷丸强化模型，研究了弹丸撞击位置随机分布情况下，喷丸强度、覆盖率、粗糙度与弹丸数目的定量关系。

本文以揭示齿面喷丸微观形貌为目标，拟建立一种合理的描述齿面喷丸的微观形貌的数学模型，使其不局限于实验性的探究，为齿轮全齿喷丸强化后润滑分析做理论支撑，对于改善这种工况下的润滑性能有很强的指导价值和现实意义。

2. 有限元分析 本文运用ABAQUS/Explict 有限元软件对喷丸强化进行有限元仿真，再利用Matlab 对表面微观形貌进行数值模拟[8]。目的是为了获取齿轮喷丸后金属表面微观形貌的数值模型。同时也获得机加工表面形貌的数值模型。

2.1. 喷丸强化有限元模型建立 目前多弹丸喷丸强化有限元模型分为几种，本文借鉴9 丸粒模型的建模方法，喷丸强化仿真采用了常用的25 丸粒模型喷丸、典型的3D 四层49 丸粒偏置模型[9]。如图1 所示。

2.2. 覆盖率对比 25 丸粒模型喷丸强化时，喷丸形成的凹坑规则明显且独立，没有相互影响，因此可以单独研究凹坑