Page 79 - 《应用声学》2023年第3期

第 42 卷 第 3 期 张炜舜等： 阵列式压电振子超声复合喷丸强化 517

激励，进行谐响应分析，得到激振片的振动响应，在 拟的 7075铝合金 Johnson-Cook 本构模型的参数如
设计频率20 kHz时激振片谐响应分析的结果如图 7 表1所示。
所示。
表 1 7075 铝合金 Johnson-Cook 本构模型参数
Table 1 Parameters of Johnson-Cook con-
stitutive model for 7075 aluminum alloy

参数 A/MPa B/MPa n C
取值 473 210 0.3813 0.033

工件采用六面体结构化网格，网格单元类型为
C3D8R 单元，对中心网格进行加密。弹丸和靶面之
间采用罚接触算法，剪切应力不受限制，弹性滑动
图 7 20 kHz 激振片位移云图
刚度无限大，各向同性库仑摩擦系数为 0.2。对实际
Fig. 7 Displacement diagram of exciter at 20 kHz
喷丸模型进行一定的简化，该仿真处理模型如图 8
激振片上波峰位置对弹丸激发的作用效果更 所示。
加显著，因此该位置对应的被加工工件表面残余应
力也更强烈，而其余部分强化效果相对不明显。为

了改善压电振子阵列型USP强化的均匀性，在改进
的装置中，工件自身相对于激振片做往复运动，从而
使工件表面各个部分都能被弹丸有效地撞击，提高
超声强化的均匀性。

3 工件往复运动USP强化过程仿真分析

图 8 仿真处理模型
通过仿真软件软件，对工件往复运动下 USP强
Fig. 8 The simulation model
化过程进行仿真，分析在不同工件运动频率下，工件
表面的应力分布情况。 在喷丸强化仿真中，喷丸室固定，通过改变被
加工工件的往复运动频率，分析工件的移动对喷丸
3.1 建立仿真模型
强化均匀性的影响，仿真工艺参数如表2所示。
将喷丸模型导入仿真进行有限元仿真。对模型
分析步、变量输出和接触条件等进行设置，振动激 表 2 工艺参数
励频率为 20 kHz，振动幅值为 30 µm。对弹丸、喷 Table 2 Process parameters
丸室和激振片等采用刚体约束，不考虑其变形。为
组号 频率/Hz 振幅/µm 时间/s 弹丸半径/mm 弹丸数量
了使弹丸初始状态更符合实际，利用 Python 脚本 A 0 20 1 0.75 30
随机生成若干弹丸。工件材料为 7075 铝合金，选择 B 30 20 1 0.75 30
Johnson-Cook 本构模型来描述 7075 铝合金的塑性 C 60 20 1 0.75 30
力学性能。Johnson-Cook 本构模型的表达式如下 D 90 20 1 0.75 30
所示：
喷丸强化仿真的结果如图 9 所示。对于不同的
∗ m
n
∗
σ= (A + Bε ) (1 + C ln ˙ε ) (1 − (T ) ) , (1)
模型，分别采用0 Hz、30 Hz、60 Hz、90 Hz的运动频
式(1) 中：σ 为等效应力；ε为等效塑性应变；˙ε 为相 率。模拟结果显示，在工件都进行辅助运动的情况
∗
对等效塑性应变率。 下，不同运动频率下，工件表面的等效应力分布面
不考虑温度效应，A、B、C、n 是与材料本身性 积和最大应力值变化并不明显。但相对于工件静止
能有关的参数，可以通过实验获取。本文有限元模 时，工件表面等效应力分布面积都有明显增大。