CN108456772A - 一种确定超声振动时效工艺参数的方法 - Google Patents

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Abstract

确定超声振动时效工艺参数的方法，其特征在于：采用有限元数值模拟技术和正交试验法相结合的方法确定超声振动时效的工艺参数；首先采用有限元数值模拟技术对超声振动时效工艺开展研究，确定超声振动时效工艺包含的主要工艺参数；然后采用正交试验法制定超声振动时效实验方案，开展实验研究，得到超声振动时效工艺参数的确定方法。采用本发明提出的一种确定超声振动时效工艺参数的方法确定超声振动时效的工艺参数，能够解决超声振动时效工艺所包含的主要工艺参数尚不完善和超声振动时效工艺参数的确定仍然主要依靠经验的难题，最终确保工件经过超声振动时效处理后能够获得稳定的时效效果。

Description

一种确定超声振动时效工艺参数的方法
技术领域
本发明涉及振动时效技术领域，特指一种确定超声振动时效工艺参数的方法。
技术背景
振动时效技术，是通过振动，使工件内部残余应力与附加振动应力之和超过材料的屈服极限，材料内部产生微量塑性变形，从而使材料内部残余应力得以降低。振动时效技术具有处理效果好、处理时间短、环境污染小、能耗低、易于现场操作等特点，属于高效节能绿色环保的时效处理技术；在二十一世纪振动时效技术具备了取代传统热时效技术的可能。因此，对振动时效工艺开展研究具有非常重要的工程应用价值，能够为振动时效技术的推广应用提供技术支持。
振动时效的工艺直接影响其消除残余应力的效果，是振动时效技术领域研究的一个重点。振动时效的工艺参数主要包括激振频率、激振动应力以及激振时间。
(1)激振频率
对于振动时效激振频率的确定，主要依据的是传统的扫频法，即首先对时效工件进行扫频激振处理，找出其在扫频范围内最大的共振峰，确定工件的共振频率；然后确定工件的亚共振区，在亚共振区内选择共振峰值的1/3～2/3所对应的频率为振动时效的激振频率。
(2)激振动应力
对于激振动应力的确定方法，主要是依据振动时效的宏观机理进行展开的，即激振器产生的动应力的幅值与残余应力之和应大于时效工件的屈服强度，而动应力的幅值应小于工件的疲劳极限；尹河迟、陈立功等学者提出，对于时效工件的激振动应力的取值范围一般应为(抗拉强度-屈服极限)/3～屈服极限/3；何闻等学者研究高频振动时效工艺时，对于激振动应力的选取主要依据的是加速度振级，但是并未提到加速度振级的确定方法。上述研究表明，对于激振动应力的选取还存在较大的主观性，主要是依靠经验。对于时效工件进行超声振动时效处理时，主要采用超声振动幅值来表征激振动应力，但是对超声振动幅值的确定方法也是主要靠经验。
(3)激振时间
目前在超声振动时效工艺实践应用中，通常采用以下两种方法确定振动时效的激振时间：①按时效工件的重量；②按时效工件振动时效处理过程中的振动响应，当加速度曲线出现上升后变平、上升后下降然后变平等现象后在持续振动时效处理3～5min即可。一般累计振动时效处理的时间不应超过40min。
综上所述，目前对振动时效工艺参数的制定还存在着较大的主观性，主要是依靠经验来确定具体的工艺参数值，导致振动时效工艺在应用中，经常会出现残余应力消除效果不稳定和不理想的情况，因此有必要对振动时效工艺开展进一步的研究，得到振动时效工艺参数的确定方法，为振动时效工艺的推广与应用提供技术支持。此外，传统振动时效技术是将激振设备(即可调速电机)固定在工件上，对工件进行整体激振，而超声振动时效技术是将超声变幅杆与工件表面接触，对工件进行局部超声振动时效处理，表明超声振动时效技术与传统振动时效技术在对工件激振处理方式上存在差异，即超声振动时效工艺包含的工艺参数理应与传统振动时效技术有所区别，但是目前对于超声振动时效的工艺开展研究时，也是局限在研究激振频率、激振动应力以及激振时间三个工艺参数对超声振动时效效果的影响，对于工艺参数的确定也主要依靠经验。综上所述，为了获得理想的超声振动时效效果，有必要对超声振动时效工艺包含的主要工艺参数开展进一步的研究，同时对超声振动时效工艺参数的确定方法开展深入的研究。
针对超声振动时效工艺所包含的主要工艺参数尚不完善和超声振动时效工艺参数的确定仍然主要依靠经验，导致工件经过超声振动时效处理后无法获得稳定的时效效果的不足，本发明提出一种确定超声振动时效工艺参数的方法，即采用有限元数值模拟技术和正交试验法相结合的方法确定超声振动时效的工艺参数，首先采用有限元数值模拟技术确定超声振动时效工艺包含的主要工艺参数，然后采用正交试验法得到超声振动时效工艺参数的确定方法。
发明内容
针对超声振动时效工艺所包含的主要工艺参数尚不完善和超声振动时效工艺参数的确定仍然主要依靠经验，导致工件经过超声振动时效处理后无法获得稳定的时效效果的不足，本发明提出一种确定超声振动时效工艺参数的方法，即采用有限元数值模拟技术和正交试验法相结合的方法确定超声振动时效的工艺参数，解决超声振动时效工艺所包含的主要工艺参数尚不完善和超声振动时效工艺参数的确定仍然主要依靠经验的难题，为超声振动时效工艺的推广应用提供技术支持。
确定超声振动时效工艺参数的方法，其特征在于：采用有限元数值模拟技术和正交试验法相结合的方法确定超声振动时效的工艺参数；首先采用有限元数值模拟技术对超声振动时效工艺开展研究，确定超声振动时效工艺包含的主要工艺参数；然后采用正交试验法制定超声振动时效实验方案，开展实验研究，得到超声振动时效工艺参数的确定方法。
所述的确定超声振动时效工艺参数的方法，其特征在于：首先采用有限元软件建立时效工件的有限元模型；其次对建立的时效工件的有限元模型进行淬火热处理的模拟分析，得到具有初始残余应力的时效工件的有限元模型；然后采用单因素分析法，研究不同超声振动条件作用下的时效工件的残余应力变化规律；最后确定超声振动时效工艺包含的主要工艺参数。
所述的确定超声振动时效工艺参数的方法，其特征在于：首先采用正交试验法制定超声振动时效实验方案，选取残余应力消除率作为评价指标；其次在超声振动时效实验前测试得到时效工件的初始残余应力值；然后按照正交试验法制定的实验方案，开展超声振动时效实验，得到超声振动时效处理后时效工件的残余应力值，并计算得到时效工件的残余应力消除率；最后采用方差分析法对超声振动时效实验结果进行分析，研究超声振动时效工艺参数的独立作用和交互作用对时效效果的影响程度，并采用F检验法对工艺参数的显著性进行检验，最终得到超声振动时效工艺参数的确定方法。
进一步所述的确定超声振动时效工艺参数的方法，其特征在于：采用所述的有限元数值模拟技术确定的超声振动时效工艺参数主要包括激振频率、振动幅值、激振时间以及压紧力。
进一步所述的确定超声振动时效工艺参数的方法，其特征在于：所述的压紧力指的是超声变幅杆与时效工件表面相互接触时的作用力。对时效工件进行超声振动时效处理时，是将超声变幅杆压紧在时效工件表面进行局部超声振动时效处理，若是超声变幅杆与时效工件表面的压紧力太小，超声振动能量无法有效注入到时效工件中去，反之若超声变幅杆与时效工件表面的压紧力太大，使得超声变幅杆振动变得困难，也无法将超声振动能量有效的注入到时效工件中去。正是由于对超声振动时效工艺的研究和应用过程中忽视了压紧力对超声振动时效效果的影响，导致工件经过超声振动时效处理后无法获得稳定的时效效果，因此压紧力理应成为超声振动时效工艺的关键工艺参数，值得进行进一步的深入研究。
进一步所述的确定超声振动时效工艺参数的方法，其特征在于：所述的有限元软件为ANSYS有限元软件。
进一步所述的确定超声振动时效工艺参数的方法，其特征在于：所述的评价指标为残余应力消除率，其计算公式为式中δ为残余应力消除率，σ初始表示时效工件未经超声振动时效处理的初始残余应力，σ振后表示时效工件经过超声振动时效处理后的残余应力。
进一步所述的确定超声振动时效工艺参数的方法，其特征在于：所述的工艺参数的显著性包括了工艺参数独立作用和交互作用的显著性。
本发明的技术构思是：采用有限元数值模拟技术和正交试验法相结合的方法确定超声振动时效的工艺参数，即首先采用有限元数值模拟技术对超声振动时效工艺开展研究，确定超声振动时效工艺包含的主要工艺参数；然后采用正交试验法制定超声振动时效实验方案，得到超声振动时效工艺参数的确定方法。
本发明的有益效果如下：
1、采用本发明提出的一种确定超声振动时效工艺参数的方法确定超声振动时效工艺包含的主要工艺参数，能够解决超声振动时效工艺所包含的主要工艺参数尚不完善的难题，这也是工件经过超声振动时效处理后能够获得稳定的时效效果的前提。
2、采用本发明提出的一种确定超声振动时效工艺参数的方法得到超声振动时效工艺参数的确定方法，能够解决超声振动时效工艺参数的确定仍然主要依靠经验的难题，最终确保时效工件在本发明提出的方法确定的工艺参数作用下能够获得稳定的时效效果。
3、采用本发明提出的一种确定超声振动时效工艺参数的方法确定超声振动时效工艺包含的主要工艺参数时，采用的是有限元数值模拟的技术，能够降低成本，同时有限元数值模拟的程序能够实现自动循环操作，减少了确定超声振动时效工艺包含的主要工艺参数所需要的时间，能够提高效率，有利于该方法的推广应用。
4、采用本发明提出的一种确定超声振动时效工艺参数的方法得到超声振动时效工艺参数的确定方法时，采用的是正交试验法，能够分析工艺参数的独立作用和交互作用对时效效果的影响，同时能够对工艺参数的独立作用和交互作用的显著性进行分析，因此能够确保得到的超声振动时效工艺参数的确定方法是合理的，能够在工程应用中进行推广。
附图说明
图1一种确定超声振动时效工艺参数的方法的流程示意图。
具体实施方式
参照附图，进一步说明本发明：
确定超声振动时效工艺参数的方法，其特征在于：采用有限元数值模拟技术和正交试验法相结合的方法确定超声振动时效的工艺参数；首先采用有限元数值模拟技术对超声振动时效工艺开展研究，确定超声振动时效工艺包含的主要工艺参数；然后采用正交试验法制定超声振动时效实验方案，开展实验研究，得到超声振动时效工艺参数的确定方法。
所述的确定超声振动时效工艺参数的方法，其特征在于：首先采用有限元软件建立时效工件的有限元模型；其次对建立的时效工件的有限元模型进行淬火热处理的模拟分析，得到具有初始残余应力的时效工件的有限元模型；然后采用单因素分析法，研究不同超声振动条件作用下的时效工件的残余应力变化规律；最后确定超声振动时效工艺包含的主要工艺参数。
所述的确定超声振动时效工艺参数的方法，其特征在于：首先采用正交试验法制定超声振动时效实验方案，选取残余应力消除率作为评价指标；其次在超声振动时效实验前测试得到时效工件的初始残余应力值；然后按照正交试验法制定的实验方案，开展超声振动时效实验，得到超声振动时效处理后时效工件的残余应力值，并计算得到时效工件的残余应力消除率；最后采用方差分析法对超声振动时效实验结果进行分析，研究超声振动时效工艺参数的独立作用和交互作用对时效效果的影响程度，并采用F检验法对工艺参数的显著性进行检验，最终得到超声振动时效工艺参数的确定方法。
进一步所述的确定超声振动时效工艺参数的方法，其特征在于：采用所述的有限元数值模拟技术确定的超声振动时效工艺参数主要包括激振频率、振动幅值、激振时间以及压紧力。
进一步所述的确定超声振动时效工艺参数的方法，其特征在于：所述的压紧力指的是超声变幅杆与时效工件表面相互接触时的作用力。对时效工件进行超声振动时效处理时，是将超声变幅杆压紧在时效工件表面进行局部超声振动时效处理，若是超声变幅杆与时效工件表面的压紧力太小，超声振动能量无法有效注入到时效工件中去，反之若超声变幅杆与时效工件表面的压紧力太大，使得超声变幅杆振动变得困难，也无法将超声振动能量有效的注入到时效工件中去。正是由于对超声振动时效工艺的研究和应用过程中忽视了压紧力对超声振动时效效果的影响，导致工件经过超声振动时效处理后无法获得稳定的时效效果，因此压紧力理应成为超声振动时效工艺的关键工艺参数，值得进行进一步的深入研究。
进一步所述的确定超声振动时效工艺参数的方法，其特征在于：所述的有限元软件为ANSYS有限元软件。
进一步所述的确定超声振动时效工艺参数的方法，其特征在于：所述的评价指标为残余应力消除率，其计算公式为式中δ为残余应力消除率，σ初始表示时效工件未经超声振动时效处理的初始残余应力，σ振后表示时效工件经过超声振动时效处理后的残余应力。
进一步所述的确定超声振动时效工艺参数的方法，其特征在于：所述的工艺参数的显著性包括了工艺参数独立作用和交互作用的显著性。
采用本发明提出的一种确定超声振动时效工艺参数的方法确定超声振动时效的工艺参数，能够解决超声振动时效工艺所包含的主要工艺参数尚不完善和超声振动时效工艺参数的确定仍然主要依靠经验的难题，最终确保工件经过超声振动时效处理后能够获得稳定的时效效果。
本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。

Claims (8)

1.确定超声振动时效工艺参数的方法，其特征在于：采用有限元数值模拟技术和正交试验法相结合的方法确定超声振动时效的工艺参数；首先采用有限元数值模拟技术对超声振动时效工艺开展研究，确定超声振动时效工艺包含的主要工艺参数；然后采用正交试验法制定超声振动时效实验方案，开展实验研究，得到超声振动时效工艺参数的确定方法。
2.如权利要求1所述的确定超声振动时效工艺参数的方法，其特征在于：首先采用有限元软件建立时效工件的有限元模型；其次对建立的时效工件的有限元模型进行淬火热处理的模拟分析，得到具有初始残余应力的时效工件的有限元模型；然后采用单因素分析法，研究不同超声振动条件作用下的时效工件的残余应力变化规律；最后确定超声振动时效工艺包含的主要工艺参数。
3.如权利要求1所述的确定超声振动时效工艺参数的方法，其特征在于：首先采用正交试验法制定超声振动时效实验方案，选取残余应力消除率作为评价指标；其次在超声振动时效实验前测试得到时效工件的初始残余应力值；然后按照正交试验法制定的实验方案，开展超声振动时效实验，得到超声振动时效处理后时效工件的残余应力值，并计算得到时效工件的残余应力消除率；最后采用方差分析法对超声振动时效实验结果进行分析，研究超声振动时效工艺参数的独立作用和交互作用对时效效果的影响程度，并采用F检验法对工艺参数的显著性进行检验，最终得到超声振动时效工艺参数的确定方法。
4.如权利要求2所述的确定超声振动时效工艺参数的方法，其特征在于：采用所述的有限元数值模拟技术确定的超声振动时效工艺参数主要包括激振频率、振动幅值、激振时间以及压紧力。
5.如权利要求2所述的确定超声振动时效工艺参数的方法，其特征在于：所述的压紧力指的是超声变幅杆与时效工件表面相互接触时的作用力。
6.如权利要求3所述的确定超声振动时效工艺参数的方法，其特征在于：所述的有限元软件为ANSYS有限元软件。
7.如权利要求3所述的确定超声振动时效工艺参数的方法，其特征在于：所述的评价指标为残余应力消除率，其计算公式为式中δ为残余应力消除率，σ初始表示时效工件未经超声振动时效处理的初始残余应力，σ振后表示时效工件经过超声振动时效处理后的残余应力。
8.如权利要求3所述的确定超声振动时效工艺参数的方法，其特征在于：所述的工艺参数的显著性包括了工艺参数独立作用和交互作用的显著性。
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