摘 要：为了定量分析滚压强化的作用效果，采用大变形弹塑性接触有限单元法对表面滚压强化工艺过程进行了三维有限元模拟，分析了不同压入量下轴类试样表面层残余应力和变形的分布规律。结果表明，当压入量小于0.053 mm时，只产生可恢复的弹性变形，不能起到强化作用，压入量达到0.053 mm时试样表层开始产生塑性变形，随着压入量的增加，试样表面残余压应力的幅值和深度呈非线性增加。压入量为0.15 mm和0.2 mm两种情况下，残余压应力层深度为1.1 mm和2.2 mm，切向残余压应力为-389 MPa和-788 MPa，塑性变形量为0.74%和8.5%。高强钢表面滚压强化有限元仿真分析结果可为分析和优化滚压强化工艺提供了有效的技术手段，为优化滚压强化工艺提供参考，为滚压工艺制订提供支持。
关键词：高强钢；滚压强化；有限元分析
引 言
滚压强化技术是一种简单有效的表面强化手段，对于降低零件表面粗糙度、引入高值残余压应力，从而改善零件的耐磨性和抗疲劳性能有重要意义[1-5]。滚压强化工艺中，影响滚压强化效果和质量的工艺参数较多，要获得较好的滚压质量，必须优化出适宜的工艺参数，如果完全依靠试验方法来研究，会非常耗时费力，且不能准确掌握滚压层的残余应力和硬化层分布规律[6-10]。近年来，有限元数值仿真越来越多的应用于表面强化工艺残余应力和变形行为的分析，而且许多分析结果被证实具有较好的准确度[11-15]。为深入地掌握表面滚压过程对高强钢表面强化的作用机理，指导工艺参数的优化调整，本文对高强钢轴类零件滚压过程三维有限元模拟中的关键问题进行了研究，对滚压过程中的滚压工具进行了必要的简化，建立起符合实际滚压过程的有限元仿真模型，同时对工件网格进行了合理的划分，给出了滚压工具头与工件之间接触约束及边界条件的处理方法。研究了不同滚压工艺参数对工件残余应力、变形和硬化层分布规律的影响，为认识滚压强化机理提供了基于有限变形弹塑性有限元法。
1 滚压强化技术
1.1 技术原理
滚压强化技术工作过程如图1所示，首先将刀柄卡在车床刀架处，滚压工具的压头与工件接触。压头为圆锥形，与工件形成点接触。工件旋转带动压头转动，压头与支撑滚轮之间为滚动接触，可以有效减少压头的耗损。滚压工具对工件进行滚压处理时，压头通过与工件接触将压力施压在工件表面，从而完成对工件的滚压处理，压力通过压头传递给工件，滚压过程中在工件表面层内形成微观塑性变形，同时形成大量的位错增殖，使表层材料产生晶粒细化，从而达到优化表面结构，强化表面性能的目的。
作者：何嘉武