1、第 48 卷 第 6 期Vol.48 No.6FORGING&STAMPING TECHNOLOGY 2023 年 6 月Jun 2023某汽车曲轴热锻模喷丸强化刘绍波1,李晓峰1,王亚军2(1.重庆工商职业学院 智能制造与汽车学院,重庆 401520;2.重庆大学 材料科学与工程学院,重庆 400030)摘要:为延长 5CrNiMo 钢热锻模具的服役寿命,提出了喷丸强化工艺。首先,通过喷丸过程的仿真模型和实验验证,确定了最佳喷丸工艺参数,即钢球直径为 0.6 mm、喷丸速度为 75 ms-1、覆盖率为 150%,并分析了参数对残余应力分布的影响。其次,对比分析了未喷丸处理和最佳工艺参数下喷丸
2、处理后的 5CrNiMo 钢试样,结果表明,喷丸处理后的试样表面硬度增加了约 10%,相比于未喷丸处理试样,喷丸处理试样的摩擦因数显著降低、耐磨损性明显提高。这是由于凹痕吸附的大量石墨形成了石墨隔离层,使得金属表面直接接触面积减小。最后,将最佳喷丸工艺应用于某汽车曲轴终锻模具生产实践,结果表明,未喷丸处理的模具在服役 6000 件次后表面存在大量的压塌、疲劳裂纹及过量磨损,而喷丸处理后的模具表面未出现这些缺陷,寿命提高约 50%。关键词:喷丸强化;5CrNiMo 钢;热锻模;耐磨性;服役寿命DOI:10.13330/j.issn.1000-3940.2023.06.025中图分类号:TG178
3、 文献标志码:A 文章编号:1000-3940(2023)06-0185-06Shot peening strengthening on hot forging die for an automobile crankshaftLiu Shaobo1,Li Xiaofeng1,Wang Yajun2(1.College of Intelligent Manufacturing and Automobile,Chongqing Technology and Business College,Chongqing 401520,China;2.College of Material Science a
4、nd Engineering,Chongqing University,Chongqing 400030,China)Abstract:To improve the service life of hot forging die for 5CrNiMo steel,a shot peening strengthening process was proposed.Firstly,through the simulation model and experimental verification of shot peening process,the optimal shot peening p
5、rocess parameters were ob-tained to be the steel ball diameter of 0.6 mm,the initial speed of 75 ms-1 and the coverage rate of 150%,and the influences of param-eters on the residual compressive stress distribution were analyzed.Secondly,the samples of 5CrNiMo steel without shot peening and with shot
6、 peening under the best process parameters were compared and analyzed.The results show that the surface hardness of samples increa-ses by about 10%after shot peening.Compared with the sample without shot peening,the friction coefficient of the sample with shot pee-ning decreases significantly,and th
7、e wear resistance is significantly improved.This is because the large amount of graphite adsorbed by the dent forms a graphite isolation layer,which reduces the direct contact area of metal surfaces.Finally,the optimal shot peening process was applied to the production of an automobile crankshaft fi
8、nal forging die.Production verification shows that there are a large number of collapse,fatigue cracks and excessive wear on the surface of the mold without shot peening treatment after 6000 pieces of service,while these defects do not appear on the surface of the mold after shot peening,and its ser
9、vice life is increased by about 50%.Key words:shot peening strengthening;5CrNiMo steel;hot forging die;wear resistance;service life收稿日期:2022-08-25;修订日期:2022-11-18基金项目:重庆市教委科研项目(KJQN201904001)作者简介:刘绍波(1986-),男,学士,讲师E-mail:LSB3119 随着中国制造业的发展,长寿命、低成本模具的制造获得了广泛关注1-3。模具表面强化是延长模具寿命、降低成本的有效途径之一。其中喷丸强化4和渗氮、
10、渗碳工艺5是常用的表面强化手段,在结构件的强化处理中获得了广泛应用。喷丸强化使材料表面发生塑性变形,可将表层的应力状态改变为残余压应力状态且能够细化晶粒,进而提高材料的硬度、强度及耐疲劳性能6。国内外对表面强化工艺的研究较多。Wang X L 等7对喷丸速度、钢球直径和覆盖比 3 个参数对最大残余压应力、疲劳性能的影响进行了研究,结果表明,所建立的喷丸有限元模型能较好地预测压痕残余应力场和韧窝尺寸,利用响应面法可以较好地优化这些响应变量。最佳喷丸速度为 88 ms-1、钢球直径为 0.8 mm、喷丸覆盖率为 170%,采用最佳工艺参数喷丸处理后的 42CrMo 合金试样的疲劳寿命提高了 104
11、%。Lin Q J 等8采用有限元方法和 Python 建立了一个多重喷丸模型以分析喷丸覆盖范围的演变,讨论了覆盖层对残余应力、塑性应变和表面形貌的影响。预测结果表明,在给定的工艺条件下,随着喷丸覆盖率从 100%增加至 400%,最大残余压应力和塑性应变逐渐增大,但残余压应力层和塑性应变层的宽度变化不显著。石德勇9将喷丸强化工艺应用于曲轴模具的强化处理。通过对喷丸处理的 5CrNiMo 钢试样进行显微硬度实验、粗糙度检测和磨损性能实验,证实了该方法对于提高模具寿命的有效性,并进行了生产验证。王伟雄等10研究了热锻模具表面喷丸渗碳强化工艺,提出了一套适用于热锻模具的表面喷丸渗氮强化处理工艺,经
12、过实际生产验证,效果较好。余盈燕等11分别采用喷丸处理、氮碳共渗及喷丸+氮碳共渗复合 3 种工艺对 5CrNiMo 钢模具进行了表面强化处理。结果表明,喷丸+氮碳共渗复合强化处理获得的渗氮白亮层厚度比氮碳共渗处理后的厚度增加了 1 倍,渗层深度增加 2 倍,同时其耐磨性也得到了显著提高。针对热锻模的服役特点,提出热锻模的喷丸强化技术,并研究钢球直径、喷丸速度及覆盖率对残余应力分布的影响,得到最佳喷丸工艺参数,实现了提高热锻模具服役寿命的目的,为长寿命、低成本的模具制造提供了理论支持。1 喷丸仿真1.1 实验材料5CrNiMo 钢具有价格经济、韧性良好、强度高、耐磨性好等特点,其在 500600
13、 温度下的力学性能与室温接近,尤其在 550 时仍具有较高的硬度。因此,本文选用 5CrNiMo 钢作为实验和生产试制的材料,对其进行喷丸及渗氮研究,其化学成分如表1 所示,其中,Ni 元素能够提升材料的高温性能,Cr、Mn 元素和 C 元素形成碳化物能够提高材料的强度、硬度和耐磨性能,Mo 元素不仅能够形成碳化物还可以提高碳化物的稳定性。表 1 5CrNiMo 钢的化学成分(%,质量分数)Table 1 Chemical compositions of 5CrNiMo steel(%,mass fraction)CMoMnCrNiSiPS0.50 0.600.15 0.300.50 0.80
14、0.50 0.801.40 1.800.400.030.031.2 仿真模型为了研究喷丸处理对材料的影响,首先使用有限元法对喷丸过程进行数值仿真。喷丸过程是一种典型的快速冲击过程,主要涉及材料的塑性变形。目前,常用的分析软件有 Ansys、Marc、Abaqus 等,本文选择 Abaqus 中的显示动力学模块。如图 1 所示,5CrNiMo 钢试样的尺寸为 3 mm3 mm3 mm,钢球的直径为 0.8 mm,其力学性能可参考文献12。钢球被随机分布在试样的上方,表面覆盖率设置为 100%,平均初始速度设为 50 ms-1,钢球的杨氏 模 量 为 210 GPa,泊 松 比 为 0.3,密 度
15、 为7850 kgm-3,屈服强度为 1550 MPa13。图 1 喷丸强化仿真模型Fig.1 Simulation model of shot peening strengthening图2 为等效应变场的分布情况,试样在100%覆盖率下,仍有少许区域未发生塑性变形,这是由于钢球被随机分布在试样的正上方,局部区域钢球未能与试样发生碰撞。图 2 等效塑性应变分布仿真结果Fig.2 Simulation result of equivariant plastic strain distribution1.3 模型检验由于在实验过程中,分析整个试样的残余应力、塑性变形场较为困难,因此,选取 4 个
16、特征参数来681锻压技术 第 48 卷分析误差。4 个参数的实验与仿真结果如表 2 所示。表 2 仿真结果与实验结果对比Table 2 Comparison between simulation and experimental results参数表面残余压应力/MPa最大残余压应力/MPa最大残余压应力距表面的距离/mm残余压应力场深度/mm实验值-950-1140.00140.00240仿真值-933.2-1122.17130.28250相对误差/%1.771.566.944.16由表 2 可知,实验结果与仿真结果具有一定误差,误差产生的原因可能为:(1)实验中为多个钢球多次重复撞击试样,撞击非严格垂直撞击,而仿真中只考虑了弹丸的垂直撞击,且钢球的分布存在一定的随机性;(2)仿真中钢球与材料之间的摩擦状态与实际摩擦情况有差别;(3)残余压应力场深度的测量结果存在一定误差。但仿真与实验结果的最大相对误差仅为 6.94%,该仿真模型可用于研究喷丸过程。2 喷丸对强化效果的影响2.1 工艺参数对残余应力的影响喷丸强化效果受喷丸工艺参数的直接影响,如钢球喷丸速度、钢球直径、覆盖率等14。为