基于铝合金的电磁驱动锤击力建模及实验.pdf

第49 卷第4期2023年8 月文章编号：1 6 7 3-51 96（2 0 2 3)0 4-0 0 2 4-0 6兰州理工大学学报Journal of Lanzhou University of TechnologyVol.49No.4Aug.2023基于铝合金的电磁驱动锤击力建模及实验崔帅华1，林晓辉*1.2，朱思捷，蔡伟煌，孙宇奇1（1.厦门理工学院机械与汽车工程学院，福建厦门36 1 0 2 4；2.厦门市智能制造高端装备研究重点实验室，福建厦门36 1 0 2 4)摘要：以6 0 6 1 铝合金为研究对象，建立预测机械锤击力对工件表面形变的数学模型.对该模型进行LS-Dyna有限元分析，并搭建工业机器人和音圈电机组成的机械锤击装置，探究锤击力对工件表面形变和硬度的影响，进而验证和修正理论模型.结果表明：工件表面形变随锤击力增加而增大，有限元仿真结果与数学模型的预测结果较为相近，平均误差为9.0 5%；进一步通过对单点锤击实验结果分析得到锤击模型的修正系数为0.7.同时锤击力越大，表面硬度也越高，锤击力为6 9N时，工件表面硬度提升90.45%.关键词：机械锤击；锤击建模；LS-Dyna分析；表面硬度中图分类号：TG176Modeling and experimental of hammering force of electromagneticCUI Shuai-hua,LIN Xiao-huil-2,ZHU Si-jie,CAI Wei-huang,SUN Yu-qil(1.School of Mechanical and Automotive Engineering,Xiamen University of Technology,Xiamen 361024,China;2.Xiamen Key Laborato-ry of Intelligent Manufacturing Equipment,Xiamen 361024,China)Abstract:A mathematical model for predicting the mechanical hammering force on the surface deforma-tion of a workpiece was developed using 6061 aluminum alloy as the research object.LS-Dyna finite ele-ment analysis was performed on the model,and a mechanical hammering device consisting of an industrialrobot and a voice coil motor was built to investigate the effect of hammering force on the surface deforma-tion and hardness of the workpiece,and then the theoretical model was verified and modified.The resultsshowed that the surface deformation of the workpiece increases with the increase of hammering force,andthe FEM simulation results are similar to the prediction results of the mathematical model with an averageerror of 9.05%;further analysis of the experimental results of single-point hammering shows that the cor-rection coefficient of the hammering model is 0.7.Meanwhile,the surface hardness is the higher when thehammering force is the larger,and the surface hardness of the workpiece increases by 90.45%when thehammering force is 69 N.Key words:mechanical hammering;hammering modeling;LS-Dyna analysis;surface hardness铝合金材料因具有密度低、塑性高、耐腐蚀性好等优良特点，被广泛应用于汽车轻量化、船舶运输、航空航天、电子通信和工程建设等众多领域1-3，科学技术的发展使得对铝合金的表面质量要求也不断增加。目前最为常见的强化方法为喷丸强化4，但是喷丸这种非导向性的强化工艺虽然可以有效提高工件强度,却难以对表面精度进行控制.表面精度的控收稿日期：2 0 2 2-1 2-0 2基金项目：福建省自然科学基金（2 0 2 1 J011200）通讯作者：林晓辉（1 98 5-），男，福建厦门人，博士，副教授.Email:文献标志码：Adrive based on aluminum alloy制工艺中抛光加工5 应用最为广泛，但却无法提高零件表面硬度.机械锤击强化技术使用碳化钨球头以一定的频率往复撞击工件表面，并通过将锤击装置安装在数控机床或工业机器人等设备上来控制加工轨迹，实现对工件的定向冲击6-7，在表面形成残余压应力层来提高工件表面硬度.另一方面，通过合理的设置工艺参数可以在提高工件硬度的同时有效降低工件表面粗糙度8-9.其中锤击力的变化不仅会对工件表面硬度产生直接影响，锤击工件表面时形成的不同凹痕形变也会影响相邻锤击点之间的形貌，进而对加第4期工样品的整体表面形貌产生影响，所以建立一个能直接反映电磁驱动锤击力与工件凹痕形变关系的数学模型至关重要.Miaol101建立了一个综合性的数学模型来预测被撞击目标靶件中的残余应力以及在表面产生的压痕大小，并对阿尔门试片中的残余应力和变形弧高度进行了预测.西北工业大学的肖旭东11进行喷丸研究时在静态球腔模型中引人应变速率指数，建立了喷丸时弹丸撞击速度与工件应变速率之间的关系，并根据能量守恒定律推导出撞击速度和凹痕形变之间的关系.西安理工大学的孙圭2 使用电镐作为锤击加工的驱动源，建立锤击件以额定速度撞击工件表面的撞击过程模型，并在此基础上进一步研究锤击加工工艺对板件成形的影响.Mannens13研究不同锤击参数在对X3CrNiMo13-4表面进行锤击平整时的影响，得到表面粗糙度低且硬度大的平整加工表面.Lechner CL14将机械锤击用于对45#钢表面的加工，检测分析了不同锤击参数下的表面纹理情况，并据此对锤击参数进行了改进.目前对于小球碰撞的数学模型基本上都是应用在喷丸工艺的研究上，其将速度作为预测表面变形的研究对象，未涉及到研究力对表面变形影响的数学模型.本文根据赫兹接触理论建立一个预测机械锤击力对工件表面变形影响的数学模型，通过LS-Dyna有限元仿真和锤击实验验证该数学模型的正确性，对实验和数学模型之间的误差进行分析，计算出用于补偿误差的修正系数.最后通过调节音圈电机电流生成不同大小的锤击力对6 0 6 1铝合金样品进行光栅轨迹锤击，探究锤击力与表面硬度之间的关系.1锤击建模机械锤击的工具头是直径D为10 mm的球形锤头，加工工件表面为平面.锤击过程可描述为一个刚性球头撞击一个半径无限大的弹性体的赫兹接触模型.根据Miao的研究10 1可知,在弹塑性变形过程中刚性球体与目标弹性体表面接触时涉及到的运动方程为43ToP3dudt式中：为冲击球体密度；为冲击速度；p为平均压强；锤击深度h、锤击半径r与刚性球体半径R三者之间的几何关系为r十(R一h)=R,如图1所示，且球体半径R的值远大于锤击深度h的值，因此可得：r=V2hR崔帅华等：基于铝合金的电磁驱动锤击力建模及实验球形锤头一工件图1机械锤击示意图Fig.1 Schematic diagram of mechanical hammering式中：4元pR3为冲击刚性球体质量，等价于锤击件整3体质量m；平均压强p为3o，6，为材料屈服强度；将公式(2)及已知数据代人公式（1)中，可得h=6元R0s锤击过程中的总锤击力F为音圈电机产生的电磁驱动力与锤击机构自身重力的合力，可用力传m与公式(3)联1感器测得；利用动能定理FL=立可得锤击深度h为2FLh=6元R0sL为锤头运动距离，将式（2)与式（4)联立可得锤击半径r为-144FLR=3元0 s2LS-Dyna锤击仿真所用工件为6 0 6 1-T651铝合金，锤击加工时音圈电机产生的电磁驱动力对工件表面冲击较强，形成的凹痕周围应变速率较大，所以采用在金属成型过程中能较好反映大冲击、高应变速率的Johnson-Cook模型15-16 .锤击工艺产生的热量对成形效果影响较小，所以采用简化后的JC模型：=(A+Be)(1+Cln*)其中:A为材料屈服强度,MPa;B为材料应变硬化元?(1)(2)25X(3)(4)(5)(6)系数,MPa;n为材料应变硬化指数;C为材料应变率系数；为等效塑性应变；e*为无量纲化应变率.根据邓云飞等17 对6 0 6 1-T651铝合金JC本构模型的研究可知其属性参数分别为屈服强度A=278.2MPa，硬化系数B=245.2MPa，硬化指数n=0.817,应变率系数C=0.0256,密度p=2700kg/m,弹性模量E=64GPa,泊松比=0.33.26在赫兹接触模型中，考虑到碳化钨球头硬度远高于铝合金，锤击件被定义为刚体，在有限元模拟中同样将其定义为刚体，可以有效减少计算时间，但应确保简化后的锤击件模型质量与实际模型质量一致.将锤击件用电子天平进行称重，测得实际质量为0.46 kg.模型中靶件的网格划分如图2 所示，尺寸为10mmX10 mmX2mm.锤击发生时,靶件表层变形最为明显，对计算精度要求最高，底部靶材的网格规格对计算结果影响逐渐减小.故将表层网格设置为精度最高的0.1mm0.1mm，并沿高度方向把靶材网格大小按等差数列依次排布，在保证计算精度的同时大幅提高了计算效率.锤击件被设置为刚体，其网格大小对计算时间不产生影响，将其网格规格设置为 1 mm.球形锤头靶件：图2 网格划分示意图Fig.2Meshing diagram按照实验时的实际情况，对靶件除受力面外的其余各面进行约束.在锤击加工时，锤击件锤击方向为垂直向下，所以对锤击件进行“Remote Displace-ment约束（约束除垂直方向上其余各方向自由度）,并在锤击方向上对其施加一定的力.在锤击过程中锤击件与铝合金样品两者相接触时，摩擦力对锤击变形的影响可以忽略不计，故将有限元分析中的接触类型定义为 Frictionless.在机械锤击力为6 5N时，仿真结果如图3所示，工件在深度方向上的模拟变形量为0.0 9 6 2mm，相同情况下，根据上述锤击模型计算得出理论深度变形量为0.12 17 mm.类似地从小到大依次给0.0961790.085.4930.0748060.0641200.0534330.0427460.0320600.0213730.0106870Fig.3 Hammer deformation cloud diagram(mm)兰州理工大学学报锤击件施加不同锤击力进行有限元仿真，工件在横截面方向产生的变形如图4所示，可见，变形量随着锤击力增大逐渐增加.120100806040200200040006000800010000直径方向形变d/mm图4横截面方向形变模拟示意图Fig.4 Schematic diagram of cross-sectional directionaldeformation simulation对锤击数学模型进行相应的理论直径值计算，结果如图5所示，可见，理论直径值与模拟直径值随锤击力增加而增大的趋势相似，对两者的值进行计算分析，可得两者平均误差为9.0 5%.此结果较好地证明上述锤击数学模型的正确性，同时对后续锤击实验具有一定的指导作用.2.600240022002.000A18001600140020图5不同锤击力下的形变理论值与模拟值Fig.5TTheoretical and simulated values of deformationunder different hammering forces3实验3.1实实验准备实验平台主要由ABBIRB-6700工业机器人、锤击装置、铝合金样品以及夹具等组成，如图6 所示.锤击装置以型号为XVLC180-005-00N的音圈电机做为驱动源，连续推力为90.5N，峰值推力可达18 0 N,最大功率为142 W，具有响应快、精度高、力特性好等优点，可以很好满足机械锤击加工需求.图3锤击形变云图（mm）锤头材料为碳化钨，其硬度远大于6 0 6 1铝合金，且具有良好耐磨性，通过中间的辅助连接件与驱动源第49卷21N32N43N54N65N75N86N96N+理论值模拟值4060力F/N80100第4期崔帅华等：基于铝合金的电磁驱动锤击力建模及实验2音圈电机相连，实现对工件表面往复锤击.整个锤击装置与工业机器人末端法兰连接在一起，通过工业机器人编程示教来控制锤击加工轨迹.工业机器人型号为ABB公司生产的IRB-6700,其重复路径精度为0.1mm，重复定位精度为0.0 5mm，手腕扭矩为98 1Nm，负载最大可达2 0 0 kg.12.261021Ny/1 749.254 m0-10-17.64x/1 749.254 m音圈电机一辅助连接件锤头一工业机器人一锤击机构一工件样品一夹具13.1343N10y/1 749.254 m0-10-20-25.45x/1 749.254 m图6 机械锤击实验装置图Fig.6 Mechanical hammering experimental device机械锤击实验中涉及到的研究参数主要有锤击力、锤击距离、频率、行距和步距.锤击力大小主要与电流有关，通过对音圈电机电流调节完成对力的控制.锤击距离根据MaglinMRH20磁栅位移传感器读数计算得出.实验加工轨迹为光栅式，光栅路径行距可通过工业机器人示教编程完成；在光栅路径每一行中，相邻锤击点之间的距离即步距,步距大小受18.141565Ny/1 749.254 m0-15-30-35.03x/1 749.254 m音圈电机控制的锤击频率和机器人示教编程控制的运行速度共同影响.锤击加工的6 0 6 1-T651铝合金样品尺寸规格为50 mmX50mm2mm.3.2单点锤击实验在单点锤击实验中，不需要考虑行距和步距.其余参数如锤击频率、锤击距离与锤击电流都对锤击力有一定影响,其中电流对锤击力影响最大,为增强实验稳定性，将锤击距离和锤击频率设置为恒定值，设置锤击距离为3mm，锤击频率为2 Hz,并通过调节音圈电机电流来实现对不同锤击力的输出控制.对单点锤击后的铝合金样品采用ZygoNew-View9000光学轮廓仪进行检测，其使用非接触式相干扫描干涉术(CSI)成像和测量样品，并提供形象的图形和高分辨率数值分析来精确描绘测试样品表面结构.不同锤击力下测得的工件形变三维形貌图如图7 所示，可见，变形量随锤击力增大显著增加，实验结果与数学模型理论结果和有限元仿真结果三者相互验证.19.4786N15y/1 749.254 m0-15-30-35.57x/1 749.254 m图7 单点锤击三维形貌图Fig.7 Three-dimensional topography of single-pointhammering使用光学轮廓仪测量功能从锤击力为7 5N时得到的单点三维形貌中间截取一个横截面来进行观察测量，可得到单点锤击在横截面方向产生的变形量如图8 所示，对其测量可知，7 5N锤击力锤击产生的实际形变直径为1.545mm.2820厂100-10-20-30-400图8 横截面方向形变示意图Fig.8 Schematic diagram of cross-sectional directionaldeformation使用不同锤击力进行单点锤击实验，在铝合金样品表面产生的形变量结果如图9 所示.根据数学模型得到的理论直径值曲线和实验得到的实际直径值曲线两者增大趋势相同，但仍存在一定误差.产生误差的主要原因为在锤击结束后铝合金样品中部分能量会发生释放，弹性形变部分消失，使得锤击产生的变形量减小，发生塑性形变部分形成最终凹痕.为此在上述建立的数学模型中引人修正系数，使计算得到的理论数值能更好地与实际结果相符合，更加具有参考性.根据图9 所示数据，将锤击加工后得到的各个实际数值除以其相应理论值后取平均值得修正系数 为 0.7.2.8002.4002.0001600120080020图9不同锤击力下的形变理论值与实际值Fig.9 Theoretical and actual values of deformation underdifferent hammering forces3.3锤击硬度实验锤击力变化不仅对工件表面形变有显著影响，也直接影响着被加工工件表面硬度,因此进行一个探究锤击力大小对表面硬度影响的单因素实验尤为重要.将音圈电机频率设置为15Hz，锤击距离同单点实验时一致，设为3mm,光栅路径的行距和间距均设置为0.15mm,加工区域为7 mmX7mm的矩形.检测铝合金样品表面硬度的测量仪器为HX-1000TMC型带图像分析自动转塔显微硬度计，在5N试验力下持续10 s后选择在50 倍目镜下观测硬度计在工件表面留下的菱形压痕，并根据其对角兰州理工大学学报线长度计算当前硬度值，为保证数据准确性，硬度值取测量组数据中去除最大值和最小值后剩余组数据的平均值。不同锤击力下铝合金样品表面硬度值变化如图10 所示.可见，铝合金样品初始硬度约为8 9 HV，经锤击加工后样品表面硬度有了显著提高，且随锤0.51.0直径方向形变d/mm理论值+实际值4060力F/N第49卷1.52.080100击力增加硬度值呈上升趋势，在6 9 N时硬度达到最大值16 9.5HV,提高了9 0.45%.180160H/1401201008020图10 不同锤击力下的表面硬度值Fig.10SSurface hardness values under different hammer-ing forces4结论对单点锤击进行数学理论建模，并通过有限元仿真以及单点锤击实验对模型进行验证校准；探究机械锤击加工时锤击力度对工件表面硬度的影响规律.得到主要结论如下：1）构建受电磁驱动力进行的机械锤击加工与工件形变之间的数学理论模型，通过有限元仿真对其进行验证得到工件表面形变随着锤击力增加而增大，且数学模型与有限元仿真两者结果的增大趋势相近，平均误差为9.0 5%.2）在不同锤击力下对6 0 6 1铝合金工件进行单点锤击实验，测量统计出实际变形量变化趋势与数学模型变化趋势类似，计算分析得到锤击数学模型修正系数为 0.7.3）锤击力大小对工件表面硬度有显著影响，锤击力度越大，工件表面硬度越高，表面硬度最大提高了 90.45%.参考文献：1李德福，王希靖.6 0 8 2 铝合金摩擦塞补焊接头焊核区晶体特征J.兰州理工大学学报，2 0 2 2,48（3）：7-12.2李有堂，王亚东.加载角度对高速列车铝合金焊接接头裂纹扩展路径的影响J.兰州理工大学学报，2 0 19，45（2）：16 0-16 5.3熊柏青，闫宏伟，张永安，等.我国航空铝合金产业发展战略研究J.中国工程科学，2 0 2 3,2 5（1）：8 8-95.4孙一帆，胡国杰，刘梦金，等.喷丸强化对2 0 2 4铝合金/钛合金初始硬度8 9 HV3040力F/N506070第4期崔帅华等：基于铝合金的电磁驱动锤击力建模及实验29铆接件微动疲劳性能的影响J.表面技术，2 0 2 3,52（1）：38 1-393.5武俊.航空铝合金结构件表面磨料气射流抛光加工工艺研究D.淮南：安徽理工大学，2 0 2 0.6SCHULZE V,BLEICHER F,GROCHE P.Surface modifica-tion by machine hammer peening and burnishing JJ.CIRPAnnal-Manufacturing Technology,2016,65(2):809-832.7BLEICHER F,LECHNER C,HABERSOHN C,et al.Mecha-nism of surface modification using machine hammerpeeningtechnology J.CIRP Annal Manufacturing 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