CN103602801A - 一种热振复合残余应力均化的方法 - Google Patents

一种热振复合残余应力均化的方法 Download PDF

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Abstract

本发明一种热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，完成热振复合时效前期测试；三、制定热振复合残余应力均化方法的热与振动实施方案，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，对工件实施热振复合时效残余应力均化；五、进行热振复合时效后期测试，评价热振复合残余应力均化效果。本发明利用热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，提高工件的使用稳定性。

Description

一种热振复合残余应力均化的方法
技术领域
本发明涉及一种热振复合残余应力均化的方法，它是一种利用热时效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
随着国民经济的稳步发展以及科技进步的需要，以航空航天为代表的先进制造领域对产品的性能要求越来越高。然而飞机采用的大型整体薄壁结构件在机械加工过程中往往会出现加工变形超标问题，直接导致工件报废、工期延误等不良后果；航空发动机上一些热端关键件在高温和振动的工作条件下，也会产生较大的服役变形，直接影响零件的工作状态和使用寿命；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。科研结果表明，导致这些问题的首要因素为毛坯中存在的残余应力。
目前，企业上消除残余应力的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，残余应力均化的效果明显，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。
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热振复合残余应力均化的方法，它利用热时效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，以便获知残余应力的整体水平；
确定评价热振复合残余应力均化效果的应用方式，完成热振复合时效的前期测试；
制定热振复合残余应力均化方法的热与振动实施方案及相关工艺流程，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；
依据上述所选工艺参数，对时效件实施热振复合时效残余应力均化；
进行热振复合时效后期测试，评价热振复合残余应力均化效果。
该方案的主要特征是：
热时效以温度场整体施加形式作用于时效件，并与振动时效有机结合以实现热振复合残余应力均化；
热振复合时效的作用对象主要是金属材料毛坯以及不同加工成型方式（如铣削、锻造等）的工件，但不局限于此，可以扩展作用于复合材料材质等时效件。
需要针对时效件的材料和结构制定匹配工艺方案，分为先热后振或者热振同时的两种方案；
热时效主要作用于残余应力的全面均化，控制其温度不改变时效件材料的组织形态和性能；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；
热时效温度场的升降温过程保持缓速；
热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，同时相比常规的热时效，缩短了处理时间。
综上所述，本发明一种热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，进行热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，确定适合时效件的先热后振或者热振同时的方案，并完成相关工艺流程的制定，从而选取出温度、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：在自制的热振复合时效设备中，根据步骤三得到的工艺方案和工艺参数，将时效件安装在振动平台合适位置处，进而实施热振复合时效；
步骤五：热振复合时效完成后，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，以便获知热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，确定适合时效件的先热后振或者热振同时的方案，并完成相关工艺流程的制定，从而选取出温度、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其模态参数，对于体积小，刚度低等特征的时效件可采用先热后振的方案，对于体积大，刚度高等特征的时效件可采用热振同时的方案；根据时效件材料的组织形态和性能，选取合适的热时效温度，如对于铝合金时效件的作用温度范围为100-250℃；根据时效件的结构形状选取合适的热时效工作时间和冷却方式，如薄壁件选取保温时间约为20分钟，并选取随炉冷却方式；根据时效件的结构形状特点选择振动相关工艺参数，如梁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“在自制的热振复合时效设备中，根据步骤三得到的工艺方案和工艺参数，将时效件安装在振动平台合适位置处，进而实施热振复合时效”，其具体实现过程如下：由于自制的热振复合时效设备中其热时效系统控制时效件的温度作用场，不影响振动时效系统的硬件工作，因此先将振动时效系统根据步骤三得到的振动相关参数进行搭建，然后将时效件直接安装在振动平台合适位置处，之后完成热时效系统的搭建。过后根据步骤三得到的热时效温度等参数对热时效系统的控制器进行设置，根据步骤三得到的激振频率等参数对振动时效系统的控制器进行设置，进而根据步骤三制定的工艺流程完成时效件的热振复合时效实施。
3、优点及效果
（1）本发明通过热时效与振动时效的复合作用来完成残余应力均化。热时效的温度因改变了时效件的材料屈服极限和刚度，微观上增加了分子活力，则进一步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。
（2）本发明完成的时效件的热振复合残余应力均化，是对时效件工作环境的预处理，使热振复合残余应力均化后的时效件更加稳定耐用。
（3）本发明为生产制造提供了一种新方法，为不同金属材料的生产工艺制定提供了新思路。
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热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，进行热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，确定适合时效件的先热后振或者热振同时的方案，并完成相关工艺流程的制定，从而选取出温度、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：在自制的热振复合时效设备中，根据步骤三得到的工艺方案和工艺参数，将时效件安装在振动平台合适位置处，进而实施热振复合时效；
步骤五：热振复合时效完成后，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，以便获知热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，确定适合时效件的先热后振或者热振同时的方案，并完成相关工艺流程的制定，从而选取出温度、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其模态参数，对于体积小，刚度低等特征的时效件可采用先热后振的方案，对于体积大，刚度高等特征的时效件可采用热振同时的方案；根据时效件材料的组织形态和性能，选取合适的热时效温度，如对于铝合金时效件的作用温度范围为100-250℃；根据时效件的结构形状选取合适的热时效工作时间和冷却方式，如薄壁件选取保温时间约为20分钟，并选取随炉冷却方式；根据时效件的结构形状特点选择振动相关工艺参数，如梁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“在自制的热振复合时效设备中，根据步骤三得到的工艺方案和工艺参数，将时效件安装在振动平台合适位置处，进而实施热振复合时效”，其具体实现过程如下：由于自制的热振复合时效设备中其热时效系统控制时效件的温度作用场，不影响振动时效系统的硬件工作，因此先将振动时效系统根据步骤三得到的振动相关参数进行搭建，然后将时效件直接安装在振动平台合适位置处，之后完成热时效系统的搭建。过后根据步骤三得到的热时效温度等参数对热时效系统的控制器进行设置，根据步骤三得到的激振频率等参数对振动时效系统的控制器进行设置，进而根据步骤三制定的工艺流程完成时效件的热振复合时效实施。

Claims (3)

1.一种热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，进行热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，确定适合时效件的先热后振或者热振同时的方案，并完成相关工艺流程的制定，从而选取出温度、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：在自制的热振复合时效设备中，根据步骤三得到的工艺方案和工艺参数，将时效件安装在振动平台合适位置处，进而实施热振复合时效；
步骤五：热振复合时效完成后，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，以便获知热振复合时效对时效件的作用效果。
2.根据权利要求1所述的一种热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，确定适合时效件的先热后振或者热振同时的方案，并完成相关工艺流程的制定，从而选取出温度、激振力、激振频率、激振位置、支撑位置和工作时间工艺参数”，其具体实现过程如下：由时效件的材料和结构形状分析其模态参数，对于体积小，刚度低特征的时效件采用先热后振的方案；对于体积大，刚度高特征的时效件采用热振同时的方案；根据时效件材料的组织形态和性能，选取合适的热时效温度，如对于铝合金时效件的作用温度范围为100-250℃；根据时效件的结构形状选取合适的热时效工作时间和冷却方式，如薄壁件选取保温时间约为20分钟，并选取随炉冷却方式；根据时效件的结构形状特点选择振动相关工艺参数，如梁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所述的一种热振复合残余应力均化的方法，其特征在于：步骤四中所述的“在自制的热振复合时效设备中，根据步骤三得到的工艺方案和工艺参数，将时效件安装在振动平台合适位置处，进而实施热振复合时效”，其具体实现过程如下：由于自制的热振复合时效设备中其热时效系统控制时效件的温度作用场，不影响振动时效系统的硬件工作，因此先将振动时效系统根据步骤三得到的振动相关参数进行搭建，然后将时效件直接安装在振动平台合适位置处，之后完成热时效系统的搭建；过后根据步骤三得到的热时效温度参数对热时效系统的控制器进行设置，根据步骤三得到的激振频率参数对振动时效系统的控制器进行设置，进而根据步骤三制定的工艺流程完成时效件的热振复合时效实施。
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