CN102230146A - 铝合金中厚板预拉伸后锯切区超声波振动消减残余应力方法 - Google Patents

铝合金中厚板预拉伸后锯切区超声波振动消减残余应力方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种铝合金中厚板预拉伸后锯切区超声波振动消减残余应力方法，所述步骤为：1、基于前期数据统计，为计算机模拟提供边界条件，模拟确认铝合金中厚板夹具夹持区域、拉伸区域；测试统计出铝合金中厚板预拉伸工序后残余应力过渡区域；2、根据测试统计数据，使用计算机模拟，采用通用的有限元方法预测生产中的铝合金中厚板预拉伸工序后残余应力过渡区域；3、使用的超声波振子做振源；并在过渡区域布置超声波发生器，使得超声波冲击力能均匀作用在中厚板过渡区表面；4、再使用控制器，同步控制超声波振子，使其同步输出；5、测试过渡区域的残余应力分布特点，结合计算机模拟分析，评价锯切区域。

Description

铝合金中厚板预拉伸后锯切区超声波振动消减残余应力方法
技术领域
本发明涉及铝合金加工的方法，特别是铝合金中厚板预拉伸方法后锯切区残余应力消减方法。
背景技术
得益于大型热轧机的研制生产并使用，使得大量的优质铝合金中厚板问世。由于大规格整体中厚板取代了传统的结构型铆接蒙皮板，极大的减轻了飞机本体质量，同时保证了合金的强度。因此，铝合金中厚板在航空航天业的应用中有着重要的地位。据统计，空客公司2010年飞机制造中，铝合金总用量高达100kt。旗下最新制造的A380客机，铝用量占总材料用量的22％。。而波音公司铝合金总用量与空客相当。旗下最新投入运营的777型飞机，铝合金的用量高达50％。铝合金中厚板不仅是在航空航天业，在交通、兵器装备、轻工业等众多工业部门都有着广泛的用途。例如铝合金中厚板在汽车上的应用，在满足相同力学性能的条件下，比钢减少了60％的质量，在碰撞过程中比钢多吸收50％的能量，加之铝合金的可回收性，不需要防锈处理，使得汽车向轻型化、更安全、更省油、更环保的方向发展，并大有取代钢成为主要的汽车用料的趋势。但是铝合金中厚板关键设备热轧机的昂贵，以及中厚板存在淬火难均一化等技术难题，造成铝合金中厚板的生产成本过高，制约了铝合金中厚板在很多行业的应用。在航天航空业的应用中，由于中厚板淬火后的大量残余应力的存在，使得后期加工易出现工件变形，导致工件报废。近年来预拉伸方法的应用，极大的消除了淬火残余应力，消除率高达96％以上。从而提高了成品率，降低了铝合金中厚板的成本。但是预拉伸方法不会消除钳口夹持区以及过渡区域的残余应力，使得这部分区域不得不切除。据某铝厂数据显示，铝合金中厚板在预拉伸方法后锯切率高达25％以上。这是目前制约铝合金中厚板成本的重要因素，也从而限制了厚板的推广和应用。但是国内外对预拉伸方法钳口夹持区和过渡区域残余应力的研究报道极少，更未见针对相关区域残余应力消除的方法。
铝合金厚板由于其优良的特点，能在多个领域得到应用。但是由于其成本原因，铝合金中厚板多局限在航空航天业中使用。
发明内容
本发明的目的是：提供一种铝合金中厚板预拉伸方法后锯切区残余应力消减方法。
本发明的技术方案如下：
本发明的铝合金中厚板预拉伸后锯切区超声波振动消减残余应力方法，其特征在于：所述步骤为：
1、首先，基于前期数据统计，为有限元软件模拟提供边界条件，模拟确认铝合金中厚板夹具夹持区域、拉伸区域；测试统计出铝合金中厚板预拉伸工序后残余应力过渡区域；残余应力测试选用业内测量技术成熟的半破坏法-钻孔法，使用的标准为ANSI/ASTM E 837-2001采用钻孔应变测量法测定剩余应力的试验方法。
2、根据测试统计数据，使用计算机模拟，采用通用的有限元方法预测生产中的铝合金中厚板预拉伸工序后残余应力过渡区域；
3、使用超声波振子做振源；并在过渡区域布置超声波发生器，使得超声波冲击力能均匀作用在中厚板过渡区表面；
4、使用控制器，同步控制超声波振子，使其同步输出；
5、测试过渡区域的残余应力分布特点，结合计算机模拟分析，评价锯切区域。
所述布置超声波振动装置每边三个，左右对称分布在过渡区域，但是每边的超声波发生装置位置等距或不等距。
所述超声波振动装置位置较靠近夹具夹持区，每边3个装置之间分布稍有偏离等距，更好的产生均匀振动。
所述超声波同步输出控制的使用工作频率为16-20kHz，振幅：30-60μm，激振时间＜5min，工作频率＜20khz，避免出现共振。
所述先期效果由半破坏式应力检测方法-钻孔法得出；后期生产中可以由前期数据，通过计算机模拟出。
根据有限元模拟效果为依据，对进行锯切，并保留3％的误差。
本发明的工作原理是：在本发明之前的预拉伸方法，通过一定拉伸量的塑性变形，使得中厚板内部沿厚度在轧制方向上的残余应力重新分布，趋向均匀，达到消除残余应力的目的。但是夹具区域内金属被夹具制约而导致变形困难，根据塑性金属学原理，拉伸区域的变形较均匀，由于变形的协调性，拉伸区和夹具区会出现一个难变形区域和均匀变形区域的过渡区域。这就造成了大量残余应力在过渡区域。不得不在后期被锯切掉。而我们使用新型超声波振源，对过渡区域施加动应力(超声波振动力)。当动应力与过渡区残余应力之和达到材料的屈服极限，将发生塑性变形，使得区域的约束变形得以释放，从而降低了区域内的残余应力。
本发明优点：超声波振动装置，设备操作简单，方法步骤简单，能耗低，效果好，很大程度提升了产品竞争力，降低了产品的生产成本，提高了铝合金中厚板的市场竞争力，并拓宽了其应用范围。
附图说明
图1本发明文中所指的铝合金厚板夹具夹持区域、过渡区域、拉伸区域示意图
图2本发明超声波振动装置安装测试示意图
图3超声波振动装置平面布置图
图1中1----夹具夹持区域，2----过渡区域，3----拉伸区域
图2中4----超声波发生装置，5----超声波同步输出控制器
图3中2----过渡区域，4----超声波发生装置
具体实施方式
参见图1，基于前期数据统计，为计算机模拟提供边界条件，模拟确认铝合金中厚板夹具夹持区域1、过渡区域2、拉伸区域3。拉伸区域3的残余应力消除效果较好，过渡区域2和夹具夹持区域1都是以前要被切除的区域，统称为锯切区域。确定这块区域，为后期区部振动消减残余应力做准备。
参见图2，布置超声波振动装置4。超声波振动装置4左右位置成对称分布。但是每边的超声波发生装置4位置不是严格等距。超声波同步输出控制。，使用工作频率16-20kHz，振幅：30-60μm。激振时间，＜5min；工作频率＜20khz，避免出现共振，影响到拉伸区。
参见图3，布置超声波振动装置4，装置位置较靠近夹具夹持区域1，3个装置分布位置约有特色，稍有偏离等距，更好的产生均匀振动。
先期效果由半破坏式应力检测方法-钻孔法得出。后期生产中可以由前期数据，通过计算机模拟出。
根据计算机模拟效果为依据，进行锯切，并保留3％的误差。

Claims (6)

1.一种铝合金中厚板预拉伸后锯切区超声波振动消减残余应力方法，其特征在于：所述步骤为：
(1)首先，基于前期数据统计，为有限元软件模拟提供边界条件，模拟确认铝合金中厚板夹具夹持区域、拉伸区域；测试统计出铝合金中厚板预拉伸工序后残余应力过渡区域；
(2)根据测试统计数据，使用计算机模拟，采用通用的有限元方法，预测生产中的铝合金中厚板预拉伸工序后残余应力过渡区域；
(3)使用超声波振子做振源；并在过渡区域布置超声波发生器，使得超声波冲击力能均匀作用在中厚板过渡区表面；
(4)使用控制器，同步控制超声波振子，使其同步输出；
(5)测试过渡区域的残余应力分布特点，结合计算机模拟分析，评价锯切区域。
2.根据权利要求1所述的铝合金中厚板预拉伸后锯切区超声波振动消减残余应力方法，其特征在于：所述布置超声波振动装置每边三个，左右对称分布在过渡区域，每边的超声波发生装置位置等距或不等距。
3.根据权利要求1或2所述的铝合金中厚板预拉伸后锯切区超声波振动消减残余应力方法，其特征在于：所述超声波振动装置位置较靠近夹具夹持区域，每边3个装置之间分布不等距。
4.根据权利要求1所述的铝合金中厚板预拉伸后锯切区超声波振动消减残余应力方法，其特征在于：所述超声波同步输出控制的使用工作频率为16-20kHz，振幅：30-60μm，激振时间＜5min，工作频率＜20kHz。
5.根据权利要求1所述的铝合金中厚板预拉伸后锯切区超声波振动消减残余应力方法，其特征在于：所述先期效果由半破坏式应力检测方法-钻孔法得出；后期生产中可以由前期数据，通过计算机模拟出。
6.根据权利要求1或5所述的铝合金中厚板预拉伸后锯切区超声波振动消减残余应力方法，其特征在于：根据计算机模拟效果为依据，对进行锯切，并保留3％的误差。
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