185 / 2022-09-19 21:54:26

高频微锻工艺残余应力各向异性产生机理及调控方法

高频微锻,残余应力,表面强化,表面光整,抗疲劳制造

高频微锻（High-frequency Micro-forging）工艺是一种新型的零件表面改性方法，其特点在于强化工具的运动具有良好的可控性，可以同时实现零件的表面光整与强化。图 1a是典型电磁驱动微锻装置的结构示意图，冲杆在驱动系统的激励下，在限位块和工件表面之间进行往复直线运动，材料承受冲杆的周期性机械锤击后，产生塑性变形，引起表面改性。微锻装置可集成在数控机床或者工业机械臂末端，实现具有复杂形状零件的表面光整/强化。

高频微锻工艺引入的残余应力具有明显的各向异性，步进方向(Y)的残余应力压应力往往要大于进给方向(X)的残余压应力。然而在实际应用中，常常要求残余应力场具有各向同性，因此需要对高频微锻工艺引入的残余应力场进行调节。为此，本文建立了的高频微锻工艺的有限元模型(图 1b)，对该工艺引入的残余应力场进行了仿真；在此基础上，分析了残余应力场的形成机理及其各向异性的产生原因。研究发现，高频微锻过程中，每次锤击作用都会在其周围引起较大的塑性变形，之前锤击在该区域产生的残余应力被释放，这导致微锻工艺引入的残余应力场与冲击路径相关，最后一次冲击会显著影响其周围残余应力场的分布，残余应力场的各向异性也由此产生(图 1c)。根据该理论提出了减小残余应力场各向异性的方法，并开展了工艺实验对其进行验证(图 1d)。