CN107273630B - 一种通过参数反演计算调控残余应力加工参数的方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于加工残余应力领域，并公开了一种通过参数反演计算调控残余应力加工参数的方法。该方法包括：(a)从残余应力分布曲线中获取表示该残余应力分布特点的特征指标；(b)分别预设调控残余应力加工参数的初始值，并计算特征指标的初始值，绘制特征指标随加工参数变化的曲线并得到拟合曲线；(c)分别建立加工参数各自的特征指标增量和拟合曲线的关系式；(d)赋值并反演计算得到所需加工参数。通过本发明，实现定量调控加工残余应力，该算法操作简便，减少试验次数，降低生产成本，改善工件加工残余应力分布，提高零件抗疲劳寿命。

Description

一种通过参数反演计算调控残余应力加工参数的方法

技术领域

本发明属于加工残余应力领域，更具体地，涉及一种通过参数反演计算调控残余应力加工参数的方法。

背景技术

工件已加工表面层的残余应力分布对零件的抗腐蚀抗疲劳寿命有重大影响，表面残余拉应力容易诱发腐蚀疲劳裂纹扩展，从而降低零件服役寿命；而表面残余压应力有利于减缓腐蚀疲劳裂纹扩展，从而延长零件服役寿命。当加工工序为最后一道工序时，加工表面层的残余应力分布更是对零件的服役寿命有直接影响，而加工残余应力的分布则受到加工参数(包括刀具参数)的影响，比如对于切削加工而言，不同切削速度、进给量、切深和刀具前角所造成的残余应力分布是不一样的；对于磨削加工，不同磨削速度、进给量、磨削深度和砂轮粒度等，所造成的残余应力分布也是不一样的，目前已有大量文献从理论建模、实验测量研究不同加工参数对残余应力分布的影响情况，在一定程度上实现了采用加工参数和材料属性来预测残余应力分布。

在一定的残余应力分布下，工件的抗腐蚀抗疲劳寿命是可以通过实验进行估计的，从而可以判断何种残余应力分布对抗腐蚀疲劳寿命最有益，然而，如何通过加工实现这些对抗腐蚀疲劳寿命最有益的残余应力，目前尚未看到有相关报道，从理论上来说，一定的加工参数的组合只会得到一定的残余应力分布，然而一定的残余应力分布却会对应着无数种加工参数的组合。如何解决这种从残余应力向加工参数映射的“一对多”的关系，是通过加工来实现所需残余应力分布所要解决的关键问题，通过加工实现所需的残余应力，称为加工残余应力的调控，实际上，为了增大残余压应力，可以采用特殊工艺手段，比如喷丸、热处理等等。但这些加工手段也只是定性的调控残余应力，实际采用这些加工手段时其也有相关的加工参数，仍然要面对如何设定加工参数以定量地调控残余应力、获得所需的残余应力分布；目前通过加工对残余应力进行调控的方法，主要是采用试验法，即根据经验先设定一组加工参数，然后采用这组加工参数进行尝试加工，加工完后再测量残余应力分布是否满足需求，若不满足需求则调整加工参数，再进行尝试加工，如此循环反复，直到得到所需的残余应力分布。这中试验法需要耗费大量人力、物力和财力，而且当工件材料改变时，需要再次采用试验法去寻找合适的加工参数，这又进一步增加了调控残余应力的成本。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种通过参数反演计算调控残余应力加工参数的方法，通过反演方程组计算影响残余应力的参数，从而使得加工后的残余应力达到预设值，由此解决残余应力的定量调控的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种通过参数反演计算调控残余应力加工参数的方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：

(a)针对待加工的工件，获取其加工表面层的残余应力分布曲线，并从该曲线中提取反映该残余应力分布特点的多个特征指标Drs，同时获取与所述特征指标相对应的多个加工参数A_i，i＝1,2,3...n，i是所述特征指标相应的编号，n是所述特征指标的总个数；

(b)对每个加工参数A_i均预设初始值a₁₀,a₂₀,...,a_i0,...,a_n0，根据该初始值计算得到所述特征指标的初始值H(a₁₀,a₂₀,...,a_i0,...,a_n0)，与此同时，分别绘制所述特征指标Drs随各个所述加工参数A_i变化的曲线，并得到各自的拟合曲线Drs(A_i)；

(c)结合步骤(b)得到的特征指标的初始值和拟合曲线，构建特征如下关系式(一)、(二)和(三)来计算指标增量

和总特征指标增量△Drs，其中，i为任意整数，n为所述特征指标的总数量，

△Drs＝Drs-H(a₁₀,a₂₀,...,a_i0,...,a_n0) (三)；

(d)对所需达到的残余应力对应的特征指标Drs和所述特征指标增量

赋值，结合步骤(c)中的关系式进行反演计算，由此得到所需达到的需残余应力相对应的加工参数值A_i。

进一步优选地，所述特征指标包括表面残余应力最大值、表面层内最大残余压应力深度或表面拉应力层深度。

进一步优选地，在步骤(b)中，所述加工参数包括切削速度、进给量、切削深度、刀具刃口半径或刀具前角。

进一步优选地，在步骤(b)中，所述特征指标的初始值H(a₁₀,a₂₀,...,a_i0,...,a_n0)通过残余应力解析模型计算或实验测量得到。

进一步优选地，在步骤(b)中，绘制所述特征指标Drs随所述加工参数A_i变化的曲线，通过加工残余应力理论模型或实验测量获得。

进一步优选地，在步骤(d)中，反演计算按照下列步骤进行，首先对所需达到的残余应力对应的特征指标Drs和特征指标增量

赋值，然后结合所述关系式(一)、(二)和(三)，构成反演方程组如下，最后计算该方程组得到所需参数A_i的值，其中，C₀，C_i是预设的常数，其根据经验值设定，

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

1、本发明提供通过反演方程组计算影响残余应力的参数，从而使得加工后的残余应力达到预设值，突破了目前仅有从加工参数到残余应力的映射局限，实现残余应力的定量调控；

2、本发明通过采用线性反演方程式的方式构成方程组，该方程组结构简单，清晰直观的放映各个参数和变量之间的关系，计算过程简单，计算时间短；

3、本发明提供的计算调控残余应力加工参数的方法适用于锻造、焊接、激光加工、线切割、磨削、钻孔、车削、镗孔、铣削、喷丸、热处理等加工方式，适用范围广；

4、本发明通过计算影响残余应力的加工参数的值，实现定量调控加工残余应力，该算法操作简便，有利于减少加工中的试验的次数，从而降低生产成本，并能改善工件加工残余应力分布，提高零件抗疲劳寿命。

附图说明

图1是按照本发明的优选实施例所构建的通过参数反演计算调控残余应力加工参数的方法的流程图；

图2是按照本发明的优选实施例所构建的不同表面层内深度下的残余应力分布曲线图和曲线特征指标Drs的示意图；

图3是按照本发明的优选实施例所构建的不同切削速度下残余应力分布曲线图；

图4是按照本发明的优选实施例所构建的不同进给量下残余应力分布曲线图；

图5是按照本发明的优选实施例所构建的特征指标随切削速度变化的曲线分布图；

图6是按照本发明的优选实施例所构建的特征指标随进给量变化的曲线分布图；

图7是按照本发明的优选实施例所构建的残余应力Drs(V)和Drs(t_c)随C₁变化的曲线图；

图8是按照本发明的优选实施例所构建的在t_c＝0.207mm,V＝60m/min下计算出的残余应力曲线与按照本发明提供的方法实验得到的残余应力曲线对比图；

图9是按照本发明的优选实施例所构建的在t_c＝0.11mm,V＝29.42m/min下计算出的残余应力曲线与按照本发明提供的方法实验得到的残余应力曲线对比图；

图10是按照本发明的优选实施例所构建的在t_c＝0.172mm,V＝36.3m/min下计算出的残余应力曲线与按照本发明提供的方法实验得到的残余应力曲线对比图；

图11是按照本发明的优选实施例所构建的在t_c＝0.19mm,V＝40.7m/min下计算出的残余应力曲线与按照本发明提供的方法实验得到的残余应力曲线对比图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

图1是按照本发明的优选实施例所构建的通过参数反演计算调控残余应力加工参数的方法的流程图，如图1所示，下面将结合以正交切削加工的残余应力的实例说明本方法：

(a)将工件加工表面层内的残余应力分布曲线确定其特征指标，图2是按照本发明的优选实施例所构建的不同表面层内深度下的残余应力分布曲线图和曲线特征指标Drs的示意图，如图2所示，本例只研究x方向的残余应力曲线特征指标中的最大残余压应力深度Drs。

(b)设定残余应力曲线的特征指标及其与之相关的加工参数的参考值，对于切削加工而言，影响Drs的加工参数包括切削速度V和进给量t_c，分别设定其参考值为V₀＝60m/min和t_c0＝0.11mm/r，利用正交切削残余应力解析模型算得H(V₀,t_c0)，作为Drs的参考值，注意模型假设的材料为镍铝青铜合金，其元素成分如表1所示，模型中的其他输入变量如表2和表3所示所示。

表1镍铝青铜合金的化学成分

表2镍铝青铜合金的物理属性

表3残余应力解析模型中其他输入变量的取值

通过加工残余应力理论模型或实验测量获得在每个加工参数(如切削速度、进给量、切深、刀具前角等)独立作用下的表面层内残余应力分布曲线，并拟合出特征指标随加工参数的变化曲线。图3是按照本发明的优选实施例所构建的不同切削速度下残余应力分布曲线图，图4是按照本发明的优选实施例所构建的不同进给量下残余应力分布曲线图，如图3和4所示。

图5是按照本发明的优选实施例所构建的特征指标随切削速度变化的曲线分布图，图6是按照本发明的优选实施例所构建的特征指标随进给量变化的曲线分布图，将残余应力曲线的Drs提取出来，其和切削速度、进给量的拟合曲线如图5和6所示，拟合函数分别为Drs(V)＝128e^-0.04012V+65.15e^-0.002407V和Drs(tc)＝74.3e^1.945tc-50.43e^-7.369tc。

(c)将多个加工参数对残余应力曲线的特征指标的作用视作是线性叠加的，并以这些叠加的残余应力的特征指标及其增量作为参数矩阵M，然后按照线性反演方程式列出特征指标间关系的线性方程组：G·M＝F，其中G为系数矩阵，F为观测数据(即常数项)。以切削加工残余应力为例，切削速度和进给量对Drs的影响的增量分别为△Drs^V＝Drs(V)-H(V₀,t_c0)和△Drs^tc＝Drs(tc)-H(V₀,t_c0)，则其对总的Drs的影响的线性叠加为△Drs＝△Drs^V+△Drs^tc，其中△Drs又可以表示为△Drs＝Drs-H(V₀,t_c0)。将以上4个式子中的变量除了H(V₀,t_c0)，其余6个变量△Drs^V、△Drs^tc、Drs(V)、Drs(tc)、△Drs和Drs均视作参数，则这4个式子可以联立成线性方程组：

写成矩阵G·M＝F的形式为：

(d)上一步得到的线性方程组(2)中方程的数目为4，参数的数目为6，因此有无穷多解。为求得唯一解，需要增加已知条件，使得方程组的数目等于参数的数目。增设的已知条件为：(I)所需的残余应力分布特征指标的具体值，(II)设定这些具体值在不同加工参数中的分配。增设的已知条件要能使得上述方程的个数等于参数的个数。以切削加工残余应力为例，要求加工过后表面层内最大残余压应力深度要达到Drs＝C₀；由于Drs会同时受到切削速度和进给量的影响，可以设定由进给量带来的Drs的增量为△Drs^tc＝C₁(或者设定由切削速度带来的Drs的增量为△Drs^V＝C₂)。这样就增加了2个已知条件，补充到式(2)中为：

写成矩阵G·M＝F的形式为：

式(4)有唯一解，解得

可见若将C₁视作变量，Drs(V)和Drs(t_c)视作函数，则其关系可用直线表示，图7是按照本发明的优选实施例所构建的残余应力Drs(V)和Drs(t_c)随C₁变化的曲线图，如图7所示，图中表示，垂直于C₁轴的点划线跟Drs(V)和Drs(t_c)的函数图线分别相交于A、B点，说明当确定了C₀、C₁和H(V₀,t_c0)后，可唯一确定Drs(V)和Drs(t_c)的值，根据第(2)步中的切削条件，可算得H(V₀,t_c0)＝79μm，而所要求的Drs＝C₀本处设定为C₀＝100μm，C₁的确定分为几种情况：

a)△Drs单独分配给△Drs^tc,则△Drs^tc＝C₁＝21μm,△Drs^V＝0μm；

b)△Drs单独分配给△Drs^V,则△Drs^tc＝C₁＝0μm,△Drs^V＝21μm；

c)△Drs平均分配给△Drs^tc和△Drs^V则△Drs^tc＝C₁＝10.5μm,△Drs^V＝10.5μm；

d)△Drs随机分配给△Drs^tc和△Drs^V,如△Drs^tc＝C₁＝16μm,则△Drs^V＝5μm。

这4中情况的C₁的赋值将会得到4种情况的Drs(t_c)和Drs(V)的结果：

a)Drs(t_c)＝100μm,Drs(V)＝79μm；

b)Drs(t_c)＝79μm,Drs(V)＝100μm；

c)Drs(t_c)＝89.5μm,Drs(V)＝89.5μm；

d)Drs(t_c)＝95μm,Drs(V)＝84μm。

最后利用第(3)步中的Drs(t_c)和Drs(V)的拟合式Drs(V)＝128e^-0.04012V+65.15e^-0.002407V和Drs(t_c)＝74.3e^1.945tc-50.43e^-7.369tc计算出4种t_c和V的取值情况：

a)t_c＝0.207mm,V＝60m/min；

b)t_c＝0.11mm,V＝29.42m/min；

c)t_c＝0.172mm,V＝36.3m/min；

d)t_c＝0.19mm,V＝40.7m/min。

这就是采用设定的残余应力来计算加工参数的最终结果。理论上，在加工中采用这些计算出来的加工参数可以实现所需的加工残余应力分布。图8是按照本发明的优选实施例所构建的在t_c＝0.207mm,V＝60m/min下计算出的残余应力曲线与按照本发明提供的方法实验得到的残余应力曲线对比图，图9是按照本发明的优选实施例所构建的在t_c＝0.11mm,V＝29.42m/min下计算出的残余应力曲线与按照本发明提供的方法实验得到的残余应力曲线对比图，图10是按照本发明的优选实施例所构建的在t_c＝0.172mm,V＝36.3m/min下计算出的残余应力曲线与按照本发明提供的方法实验得到的残余应力曲线对比图，图11是按照本发明的优选实施例所构建的在t_c＝0.19mm,V＝40.7m/min下计算出的残余应力曲线与按照本发明提供的方法实验得到的残余应力曲线对比图，将加工参数带入残余应力解析模型计算出残余应力曲线并和按照本发明提供的方法实验得到的残余应力曲线比较如图11所示。可见计算的和实验测量的残余应力曲线的特征指标Drs基本处在所期望的值100μm附近，说明提出的残余应力调控方法有一定效果。

以上只是以正交切削加工为例，其他加工方式如锻造、焊接、激光加工、线切割、磨削、钻孔、车削、铣削、镗孔、喷丸、热处理等等加工方式的残余应力调控，均可采用本发明的方法。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种通过参数反演计算调控残余应力加工参数的方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：

(a)针对待加工的工件，获取其加工表面层的残余应力分布曲线，并从该曲线中提取反映该残余应力分布特点的多个特征指标Drs，同时获取与所述特征指标相对应的多个加工参数A_i，i＝1,2,3...n，i是所述特征指标相应的编号，n是所述特征指标的总个数；

(b)对每个加工参数A_i均预设初始值a₁₀,a₂₀,...,a_i0,...,a_n0，根据该初始值计算得到所述特征指标的初始值H(a₁₀,a₂₀,...,a_i0,...,a_n0)，与此同时，分别绘制所述特征指标Drs随各个所述加工参数A_i变化的曲线，并得到各自的拟合曲线Drs(A_i)；

(c)结合步骤(b)得到的特征指标的初始值和拟合曲线，构建特征如下关系式(一)、(二)和(三)来计算指标增量

和总特征指标增量ΔDrs，其中，i为任意整数，n为所述特征指标的总数量，

ΔDrs＝Drs-H(a₁₀,a₂₀,...,a_i0,...,a_n0) (三)；

(d)对所需达到的残余应力对应的特征指标Drs和所述特征指标增量

赋值，结合步骤(c)中的关系式进行反演计算，由此得到所需达到的残余应力相对应的加工参数值A_i。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述特征指标包括表面残余应力最大值、表面层内最大残余压应力深度或表面拉应力层深度。

3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在步骤(b)中，所述加工参数包括切削速度、进给量、切削深度、刀具刃口半径或刀具前角。

4.如权利要求1所述的方法，在步骤(b)中，所述特征指标的初始值H(a₁₀,a₂₀,...,a_i0,...,a_n0)通过残余应力解析模型计算或实验测量得到。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤(b)中，绘制所述特征指标Drs随所述加工参数A_i变化的曲线，通过加工残余应力理论模型或实验测量获得。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤(d)中，反演计算按照下列步骤进行，首先对所需达到的残余应力对应的特征指标Drs和特征指标增量

赋值，然后结合所述关系式(一)、(二)和(三)，构成反演方程组如下，最后计算该方程组得到所需参数A_i的值，其中，C₀，C_i是预设的常数，其根据经验值设定，

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