CuCrZr结晶辊喷丸强化工艺优化仿真分析与实验验证

摘要

[目的]双辊薄带连铸用CuCrZr合金结晶辊在电镀前需将表面粗糙度Ra控制在2.0～3.5μm范围内，但喷丸强化引起的表面粗化与亚表层压应力层深度的提升之间存在矛盾。本研究是要在该粗糙度约束下，通过工艺参数协同调控，最大化残余压应力强化层深度，为电镀前喷丸预处理提供优化方案。[方法]基于Abaqus/Explicit建立多丸粒随机冲击有限元模型，获取不同喷丸参数下的表面粗糙度与残余应力场响应。先通过正交试验得出主要影响因子，再以单因素实验明确各参数对表面完整性的影响趋势，划定工艺窗口；最后基于Box-Behnken设计构建满意度函数回归模型，在粗糙度约束下对压应力层深度进行全局寻优，并通过表面轮廓仪和X射线衍射分层残余应力测试验证优化结果。[结果]正交试验结果表明，喷丸直径对CuCrZr合金表面粗糙度和压应力层深度的影响最为显著，喷丸速率次之，覆盖率影响可忽略。较优喷丸参数为：喷丸速率10 m/s，喷射角度60°，喷丸直径0.4 mm。验证实验显示，该条件下实测Ra为2.03μm，残余压应力峰值为-389.1 MPa，压应力层深度达250μm，仿真与实测值的相对误差均低于7%。微观组织观察到由表及里的梯度变形层及高密度位错结构，未出现过喷损伤。[结论]本研究提出的优化框架有效化解了高强度喷丸引发的表面粗糙化与深层强化需求间的相互制约关系，为喷丸强化工艺设计提供了依据。

关键词

铜铬锆合金结晶辊 / 喷丸 / 强化 / 电镀 / 表面粗糙度 / 残余压应力

基金资助

山东省自然科学基金面上项目（ZR2021ME222）; 山东省重点研发计划（科技型中小企业创新能力提升工程）（2025TSGCCZZB0834）