CN103589855A - 一种冷振复合残余应力均化的方法 - Google Patents

Abstract

一种冷振复合残余应力均化的方法，该方法包括以下步骤：一、分析时效件的残余应力分布，以获知残余应力整体水平；二、确定评价残余应力均化效果的应用方式，完成冷振复合时效前期测试；三、制定冷振复合残余应力均化方法的低温与振动实施方案，制定工艺流程，选取温度、激振力、激振频率、激振位置、支撑位置和工作时间等工艺参数；四、依据所选工艺参数，对工件实施低温处理；五、对低温处理后的时效件进行振动时效处理；六、进行冷振复合时效后期测试，评价冷振复合残余应力均化效果。本发明利用低温和振动的复合效应实现残余应力均化，加强振动时效的效果，提高工件的使用寿命。

Description

一种冷振复合残余应力均化的方法

技术领域

本发明涉及一种冷振复合残余应力均化的方法，它是一种利用低温和振动时效的复合效应实现金属工件或者毛坯残余应力均化的方法。本发明属于机械制造中的产品质量控制工艺技术领域。

背景技术

在机械制造行业，尤其是各种高尖端装备制造业，对于金属工件的综合性能要求越来越高。类似于飞机发动机机匣在加工时出现变形过大或者使用时出现裂纹破坏等问题，极大地影响了航空企业的生产效益，而航天关重件因为性能需要，成本昂贵，若因变形而报废，则损失巨大。零部件出现的这些问题都与残余应力相关，研究发现，金属工件的各种成型方式都会产生一定程度大小的残余应力。鉴于残余应力对工件的强度、疲劳寿命、抗应力腐蚀性能和结构尺寸稳定性都有很大影响，在机械制造中不可忽视对残余应力调控的工艺流程，达到将残余应力控制在合理范围内的目的。

目前国内企业对残余应力的处理主要方式为热时效和振动时效。

热时效是指通过对工件进行加热、保温以及冷却处理，使材料在温度场的作用下将残余应力释放、降低和均化。热时效实践应用广泛，残余应力均化效果明显，然而却存在周期长、成本高和温度控制不当易产生二次应力的问题。考虑对工件材料组织的影响，热时效一般都会安排在工件精加工之前，对于工件制造完成后的残余应力均化则需要进一步处理。

对比加热方式，从热力学角度分析还可以考虑制冷方式。由于低温可以提高某些材料的性能，部分企业采用深冷处理工艺来调整残余应力。深冷处理是指将工件冷却到零下特定温度，保持温度一段时间后再升温，通过温度梯度来实现残余应力均化，根据温度梯度作用方式不同可以分为深冷急热法和冷热循环法两种。深冷处理工艺具有改善材料性能，提高工件疲劳寿命和尺寸精度稳定性的特点，同时也存在处理不当使材料变脆，对于复杂形状工件的残余应力均化效果有限的问题。

振动时效通常是指当振动工件产生的动应力与残余应力叠加超过材料屈服极限时，材料发生微量的塑性变形，从而使材料内部的内应力得以松弛和均化。世界各国从上个世纪60年代开始对振动时效的机理和工艺进行研究，其特点体现为成本较低、周期短并且节能。同热时效相比，振动时效呈现逐渐替代的趋势。然而，振动时效通过振动作为能量输入，从力学角度分析必然受到激振力、激振频率和激振时间等参数的影响，则在实际生产应用的过程中出现了一些困扰。例如对于铝合金厚板经过振动时效后残余应力均化的水平不能达到要求，原因在于特定工况下振动时效产生特定的振型，对特定区域起到显著效果，却难以实现理想的残余应力全面均化，同时为了保证时效件不受到损伤，需要将激振力、激振频率和激振时间等参数限制在合理的范围内。

发明内容

1、目的

本发明的目的是提供一种冷振复合残余应力均化的方法，它利用低温和振动时效的复合效应解决现有振动时效技术作用效果有限的问题，以便获得加工变形小、服役尺寸稳定和高疲劳寿命的工件。

2、技术方案

本发明采用了如下技术方案：

分析时效件的残余应力分布，以便获知残余应力整体水平；

确定评价冷振复合残余应力均化效果的应用方式，完成冷振复合时效的前期测试；

制定冷振复合残余应力均化方法的低温与振动实施方案及相关工艺流程，选取低温温度、激振力、激振频率、激振位置、支撑位置和工作时间等工艺参数；

依据上述所选工艺参数，对时效件实施冷振复合时效残余应力均化；

进行冷振复合时效后期测试，评价冷振复合残余应力均化效果。

该方案的主要特征是：

冷振复合残余应力均化方法施加时效件的流程是先进行低温处理并保持一段时间，结束后待时效件温度恢复到特定温度时进行振动时效处理；

低温处理借助温度梯度主要作用于残余应力的全面均化，同时可以实现材料性能的改善，振动时效主要作用于对特定的高不良应力区进行残余应力均化；

低温温度场的升降温过程保持缓速；

冷振复合时效的振动相关工艺参数选择比常规振动时效更加合理，即拓展了振动时效的应用范围，同时相比深冷处理工艺，缩短了处理时间。

综上所述，本发明一种冷振复合残余应力均化的方法，该方法具体步骤如下：

步骤一：根据生产实践中残余应力测试经验或者结合计算机数值仿真技术，分析时效件的残余应力分布规律，并且选取时效件特定参考位置；

步骤二：为了评价残余应力均化效果，对步骤一选取的时效件特定参考位置，进行冷振复合时效前的残余应力测试和尺寸形状测定；

步骤三：分析时效件的材料和结构形状，制定相关工艺流程，从而选取低温温度、激振力、激振频率、激振位置、支撑位置和工作时间等工艺参数；

步骤四：在自制的制冷箱体中，根据步骤三得到的低温温度和工作时间等工艺参数对时效件进行低温处理，整个过程需要控制升降温速率保持缓速；

步骤五：根据步骤三得到的振动相关工艺参数，对步骤四处理后的时效件进行振动时效处理；

步骤六：冷振复合时效完成后，对步骤一选取的特定位置再次进行残余应力测试和尺寸形状测定，以便获知冷振复合时效对时效件的作用效果。

其中，步骤三中所述的“分析时效件的材料和结构形状，制定相关工艺流程，从而选取低温温度、激振力、激振频率、激振位置、支撑位置和工作时间等工艺参数”，其具体实现过程如下：由时效件的材料和结构形状分析低温对模态参数的影响，若低温使固有频率改变范围较大，则需要等待时效件恢复到室温后进行振动时效，反之，则不必等待时效件恢复到室温（如在特定位置表面温度达到-20℃）就可以进行振动时效，以缩短时效时间。根据时效件材料的组织形态和性能，选取合适的低温温度，以便产生足够的温度梯度，如对于某些钢材可以冷却至-100℃；根据时效件的结构形状选取合适的低温保温时间，如对于壁厚只有5mm的时效件，保温不超过5分钟；根据时效件的结构形状特点选择振动相关工艺参数，如圆环类型时效件在振动台上的装夹位置选取，激振器在振动台上的激振位置选取，振动台的支撑方式选取及激振时间和激振频率的选择等。

其中，步骤四中所述的“在自制的制冷箱体中，根据步骤三得到的低温温度和工作时间等工艺参数对时效件进行低温处理，整个过程需要控制升降温速率保持缓速”，其具体实现过程如下：将时效件放入自制的液氮制冷箱中，根据步骤三得到的低温温度等参数对低温处理的控制器进行设置，制冷箱可以通过控制液氮的温度、流速和流量使整个箱体空间缓慢冷却到设定温度，时效件随箱冷却，对于薄壁件可控制降温速率在10℃/min，保持设定时间后取出。

其中，步骤五中所述的“根据步骤三得到的振动相关工艺参数，对步骤四处理后的时效件进行振动时效处理”，其具体实现过程如下：根据步骤三得到的振动相关参数搭建振动时效系统和设置控制器，如在振动台振型的节点或者节线处进行支撑等，其方式与常规的振动时效平台搭建类似，然后将时效件放置于振动台振型位移较大的合适位置，对步骤一选取的特定参考位置表面进行温度测量，在特定温度下将时效件与振动台装夹，进而实施振动时效。

3、优点及效果

本发明通过低温与振动时效的复合作用来完成残余应力均化，实现优势互补。低温处理强化了残余应力振动时效的效果，使振动能量输入可控而有效，同时相比深冷处理工艺，冷振复合时效降低了热作用成本，缩短处理时间。本发明为生产实践提供新方法，为制定生产工艺提供新思路。

附图说明

图1为本发明流程框图

具体实施方式

见图1，本发明所描述的一种冷振复合残余应力均化的方法，该方法具体步骤如下：

步骤一：根据生产实践中残余应力测试经验或者结合计算机数值仿真技术，分析时效件的残余应力分布规律，并且选取时效件特定参考位置；

步骤二：为了评价残余应力均化效果，对步骤一选取的时效件特定参考位置，进行冷振复合时效前的残余应力测试和尺寸形状测定；

步骤三：分析时效件的材料和结构形状，制定相关工艺流程，从而选取低温温度、激振力、激振频率、激振位置、支撑位置和工作时间等工艺参数；

步骤四：在自制的制冷箱体中，根据步骤三得到的低温温度和工作时间等工艺参数对时效件进行低温处理，整个过程需要控制升降温速率保持缓速；

步骤五：根据步骤三得到的振动相关工艺参数，对步骤四处理后的时效件进行振动时效处理；

步骤六：冷振复合时效完成后，对步骤一选取的特定位置再次进行残余应力测试和尺寸形状测定，以便获知冷振复合时效对时效件的作用效果。

其中，步骤三中所述的“分析时效件的材料和结构形状，制定相关工艺流程，从而选取低温温度、激振力、激振频率、激振位置、支撑位置和工作时间等工艺参数”，其具体实现过程如下：由时效件的材料和结构形状分析低温对模态参数的影响，若低温使固有频率改变范围较大，则需要等待时效件恢复到室温后进行振动时效，反之，则不必等待时效件恢复到室温（如在特定位置表面温度达到-20℃）就可以进行振动时效，以缩短时效时间。根据时效件材料的组织形态和性能，选取合适的低温温度，以便产生足够的温度梯度，如对于某些钢材可以冷却至-100℃；根据时效件的结构形状选取合适的低温保温时间，如对于壁厚只有5mm的时效件，保温不超过5分钟；根据时效件的结构形状特点选择振动相关工艺参数，如圆环类型时效件在振动台上的装夹位置选取，激振器在振动台上的激振位置选取，振动台的支撑方式选取及激振时间和激振频率的选择等。

其中，步骤四中所述的“在自制的制冷箱体中，根据步骤三得到的低温温度和工作时间等工艺参数对时效件进行低温处理，整个过程需要控制升降温速率保持缓速”，其具体实现过程如下：将时效件放入自制的液氮制冷箱中，根据步骤三得到的低温温度等参数对低温处理的控制器进行设置，制冷箱可以通过控制液氮的温度、流速和流量使整个箱体空间缓慢冷却到设定温度，时效件随箱冷却，对于薄壁件可控制降温速率在10℃/min，保持设定时间后取出。

其中，步骤五中所述的“根据步骤三得到的振动相关工艺参数，对步骤四处理后的时效件进行振动时效处理”，其具体实现过程如下：根据步骤三得到的振动相关参数搭建振动时效系统和设置控制器，如在振动台振型的节点或者节线处进行支撑等，其方式与常规的振动时效平台搭建类似，然后将时效件放置于振动台振型位移较大的合适位置，对步骤一选取的特定参考位置表面进行温度测量，在特定温度下将时效件与振动台装夹，进而实施振动时效。

Claims (4)

1.一种冷振复合残余应力均化的方法，其特征在于：该方法具体步骤如下：

步骤一：根据生产实践中残余应力测试经验及结合计算机数值仿真技术，分析时效件的残余应力分布规律，并且选取时效件特定参考位置；

步骤二：为了评价残余应力均化效果，对步骤一选取的时效件特定参考位置，进行冷振复合时效前的残余应力测试和尺寸形状测定；

步骤三：分析时效件的材料和结构形状，制定相关工艺流程，从而选取低温温度、激振力、激振频率、激振位置、支撑位置和工作时间工艺参数；

步骤四：在自制的制冷箱体中，根据步骤三得到的低温温度和工作时间工艺参数对时效件进行低温处理，整个过程需要控制升降温速率保持缓速；

步骤五：根据步骤三得到的振动相关工艺参数，对步骤四处理后的时效件进行振动时效处理；

步骤六：冷振复合时效完成后，对步骤一选取的特定位置再次进行残余应力测试和尺寸形状测定，以便获知冷振复合时效对时效件的作用效果。

2.根据权利要求1所述的一种冷振复合残余应力均化的方法，其特征在于：步骤三中所述的“分析时效件的材料和结构形状，制定相关工艺流程，从而选取低温温度、激振力、激振频率、激振位置、支撑位置和工作时间等工艺参数”，其具体实现过程如下：由时效件的材料和结构形状分析低温对模态参数的影响，若低温使固有频率改变范围较大，则需要等待时效件恢复到室温后进行振动时效；反之，则不必等待时效件恢复到室温就可以进行振动时效，以缩短时效时间，如在特定位置表面温度达到-20℃；根据时效件材料的组织形态和性能，选取合适的低温温度，以便产生足够的温度梯度，如对于某些钢材冷却至-100℃；根据时效件的结构形状选取合适的低温保温时间，如对于壁厚只有5mm的时效件，保温不超过5分钟；根据时效件的结构形状特点选择振动相关工艺参数，如圆环类型时效件在振动台上的装夹位置选取，激振器在振动台上的激振位置选取，振动台的支撑方式选取及激振时间和激振频率的选择。

3.根据权利要求1所述的一种冷振复合残余应力均化的方法，其特征在于：步骤四中所述的“在自制的制冷箱体中，根据步骤三得到的低温温度和工作时间工艺参数对时效件进行低温处理，整个过程需要控制升降温速率保持缓速”，其具体实现过程如下：将时效件放入自制的液氮制冷箱中，根据步骤三得到的低温温度参数对低温处理的控制器进行设置，制冷箱通过控制液氮的温度、流速和流量使整个箱体空间缓慢冷却到设定温度，时效件随箱冷却，对于薄壁件控制降温速率在10℃/min，保持设定时间后取出。

4.根据权利要求1所述的一种冷振复合残余应力均化的方法，其特征在于：步骤五中所述的“根据步骤三得到的振动相关工艺参数，对步骤四处理后的时效件进行振动时效处理”，其具体实现过程如下：根据步骤三得到的振动相关参数搭建振动时效系统和设置控制器，如在振动台振型的节点或者节线处进行支撑，其方式与常规的振动时效平台搭建类似，然后将时效件放置于振动台振型位移较大的合适位置，对步骤一选取的特定参考位置表面进行温度测量，在特定温度下将时效件与振动台装夹，进而实施振动时效。

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