滚压加工表面强化机理的研究

滚压加工是一种对零件表层进行局部微塑性加工，实现零件表面强化的无切屑加工工艺，能改善零件疲劳磨损性能，显著提高其使用寿命和可靠性。该技术近年来得到飞速发展，被广泛应用于机械、车辆、航空等领域，但其表面强化机理如压缩残余应力和冷作硬化等方面的研究相对滞后。本项目拟采用弹塑性力学、有限元方法建立滚压加工压入过程、滚压过程的数学物理模型和有限元模型，其中考虑微塑性尺寸效应和晶粒的影响；将建立的模型和实验设计与优化方法结合以实现表面强化效果的预报和控制；同时结合摩擦磨损理论建立滚压表面强化区域的实际工况细观模型，分析表面强化作用对零件微裂纹衍生和扩展、损伤积累、疲劳磨损等的影响；以建立的模型为基础编制滚压加工软件。本课题的完成将初步建立滚压加工表面强化机理理论，对喷丸、激光喷丸等类似工艺也具有重要的参考价值。

缺乏系统性的滚压表面强化机理的理论研究制约了滚压技术的发展和广泛应用，本项目采用解析方法、数值模拟和实验方法，从微观、细观到宏观，建立了滚压表面强化理论。采用解析方法研究了滚压平整机理，发现平整特性仅取决于工件屈服强度而与弹性参数无关，滚压最多能降低表面粗糙度至初始值的12.5%～25%；采用经典弹塑性理论基于有限元方法，建立了工具压入工件、单道次和多道次滚压过程中切削粗糙表面变形形态、应力应变、残余应力、冷作硬化的变化规律，与实验结果对比发现，该模型适用于次表层表面强化机理；据此提出最表层强化的本质是晶粒在滚压方向上逐步被拉长，破碎，由表及里生成晶粒大小梯度结构的观点，得到了基于实验方法建立的滚压过程中表层晶粒演变规律的验证，通过加大滚压力进行多次滚压，生成了纳米-亚微米-微米梯度纳米结构表层，研究了其晶粒形态、织构、取向的变化，发现表面性能得到了较大的提升；采用Voronoi函数生成表层初始晶粒形态，基于CPFEM模型得到了滚压过程中晶粒变形和微观残余应力分布；采用实验方法分析了滚压强化表层的表面使役特性如摩擦、微动磨损行为，并依据响应曲面优化方法得到了最佳工艺参数组合。