CN109614724A - 一种关于机床关重件残余应力水平的评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种关于机床关重件残余应力水平的评估方法，包括：步骤一，通过蠕变实验，获取关重件材料在常温25℃下的蠕变仿真参数；步骤二，将蠕变参数代入已知的机床关重件abaqus模型，运用有限元分析软件进行机床关重件的蠕变仿真分析；步骤三，对蠕变仿真进行修正；步骤四，根据机床关重件几何精度要求，判断出机床关重件蠕变后的几何精度是否要求；步骤五，根据机床关重件蠕变后几何精度是否符合要求，判断出机床关重件蠕变之前的残余内应力是否可靠。本发明能对机床关重件的残余应力水平的评估客观准确，解决了现有技术中缺少相关的机床零件残余应力的评判方法的问题，对指导企业生产工艺的改进、零件内应力合格检验具有很大的帮助。

Description

一种关于机床关重件残余应力水平的评估方法

技术领域

本发明涉及机械制造技术领域，特别涉及一种基于abaqus蠕变仿真的机床关重件残余内应力的风险评估方法。

背景技术

机床零件在铸造、热处理、焊接、锻压、切削加工等制造过程中，都会在零件内部或表面出现不同程度的残余应力。残余应力是影响机床零件特别是关重件尺寸稳定性、结构强度及疲劳寿命等指标的主要因素之一，同时也是引起变形、开裂等问题的罪魁祸首，对机床产品的可靠性、性能稳定性和精度寿命都有重要影响。然而机床零件的残余内应力往往是不可预测的，同种工序下所产生的残余应力都是不一样的，现在有许多测量零件局部的残余内应力的方法，但是对于机床零件整体的残余应力的描述，一般采用的是有限元仿真的方法。

机床零件的残余应力是充满不确定性的，如何去评估一个机床零件的残余应力是否合格，始终没有一个评估的标准，因为不同的零件结构，材料属性，使用场合，都会对评估结果产生影响。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种关于机床关重件残余应力水平的评估方法，其通过蠕变试验获取材料蠕变参数，结合abaqus软件，建立机床关重件蠕变有限元模型，提出蠕变模型修正方法，计算得出包括机床关重件蠕应力、蠕应变的仿真结果，整理仿真得出的机床关重件蠕变仿真几何误差，对比机床关重件几何误差要求标准，判断机床关重件几何精度是否符合标准，由此反向证明、判断机床关重件的残余内应力是否可靠。

本发明关于机床关重件残余应力水平的评估方法，关于机床关重件残余应力水平的评估方法，包括以下步骤：

步骤一，通过蠕变实验，获取关重件材料在常温25℃下的蠕变仿真参数；

步骤二，将蠕变参数代入已知的机床关重件abaqus模型，运用abaqus 有限元分析软件进行机床关重件的蠕变仿真分析；

步骤三，对机床关重件进行相关蠕变测试实验，对abaqus蠕变仿真进行修正；

步骤四，通过修正后的蠕变仿真分析得到由于机床关重件残余应力松弛、机床关重件产生蠕变所造成的几何误差，再将蠕变仿真产生的几何误差和机床关重件的初始几何误差进行叠加，再将叠加后的误差与机床关重件几何精度要求进行对比，判断出机床关重件蠕变后的几何精度是否符合要求；

步骤五，根据机床关重件蠕变后几何精度是否符合要求，判断出机床关重件蠕变之前的残余内应力是否可靠。

进一步，在步骤三中对abaqus蠕变仿真进行修正的步骤如下：

1)将机床关重件静置一段时间，静置时间为仿真设置时间的一半；

2)测出机床关重件在这一段时间内测点的几何精度变化；

3)利用abaqus软件对机床关重件在这一段时间的蠕变进行分析；

4)对实验测得的数据和仿真得到的相应的数据进行拟合修正，得到相应的修正公式或者修正系数；

5)将得到的修正系数或者公式用于对步骤二中的仿真结果进行修正。

本发明的有益效果：

本发明关于机床关重件残余应力水平的评估方法，通过蠕变试验获取蠕变仿真所需参数，再将数据代入abaqus软件进行机床关重件蠕变仿真，并通过修正方案提高仿真可信度，然后将机床关重件蠕变仿真结果的几何误差与机床关重件的初始误差叠加后与机床关重件几何精度标准进行对比，根据对比结果反向判断出机床关重件蠕变前残余应力是否可靠，其对机床关重件的残余应力水平的评估客观准确，解决了现有技术中无相关的机床零件残余应力的评判方法的问题，对指导企业生产工艺的改进、零件内应力合格检验具有很大的帮助。

附图说明

图1是实施例中关于机床关重件残余应力水平的评估方法的技术路线图。

图2是实施例中机床横梁初始模型残余应力分布云图。

图3是实施例中机床横梁蠕变仿真计算之后的应力分布云图。

图4是实施例中横梁蠕变仿真修正方法的流程图。

图5是实施例中横梁蠕变仿真上导轨面法向位移拟合曲线。

图6是实施例中横梁蠕变仿真下导轨面法向位移拟合曲线。

具体实施方式

下面结合实施例和附图，对本发明技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本实施例例关于机床关重件残余应力水平的评估方法，包括以下步骤：

步骤一，通过蠕变实验，获取关重件材料在常温25℃下的蠕变仿真参数；本实施例中，关重件为机床横梁，机床横梁的材料为HT300。待获取的蠕变仿真参数，包括abaqus蠕变时效本构模型中采用时间硬化率(time hardening) 的幂次法则模式(Power-law model)，其蠕变方程如下：

蠕应变

等效应力

t：蠕变时间

通过蠕变曲线，利用蠕变方程进行拟合得到三个蠕变仿真参数n、m和A；本实施例中n＝2.794，m＝-0.698，A＝4.38×10^-12。

步骤二，将蠕变参数代入已知的机床横梁abaqus模型，运用abaqus有限元分析软件进行机床横梁的蠕变仿真分析。机床横梁的初始abaqus模型为已有的机床横梁残余内应力分布云图，如图2所示，利用abaqus软件自带的时效蠕变本构模型，经过abaqus蠕变仿真得到机床横梁蠕变效应之后的蠕变应力云图如图3。在本步骤中，利用abaqus软件中自带的Visco分析步和实验得出的creep材料属性，对机床横梁进行蠕变分析，得出机床横梁的蠕应力和蠕应变。

步骤三，对机床关重件进行相关蠕变测试实验，对abaqus蠕变仿真进行修正，步骤如下：

1)将机床关重件静置一段时间，静置时间为仿真设置时间的一半；

2)测出机床关重件在这一段时间内测点的几何精度变化；

3)利用abaqus软件对机床关重件在这一段时间的蠕变进行分析；

4)对实验测得的数据和仿真得到的相应的数据进行拟合修正，得到相应的修正公式或者修正系数；

5)将得到的修正系数或者公式用于对步骤二中的仿真结果进行修正。

对abaqus蠕变仿真进行修正具体到本实施例中为：将步骤2)中所测得的横梁导轨面直线度实验数据和步骤3)横梁蠕变仿真导轨面法向位移数据进行整理，利用实验数据对仿真数据进行拟合修正，得到横梁导轨面法向位移数据修正系数或者修正公式。以测试点的实验数据拟合修正仿真数据，再推广到整个模型，将得到的修正系数或者公式用于步骤二中的横梁蠕变仿真导轨面法向位移结果数据的修正。

步骤四，通过修正后的蠕变仿真分析得到由于机床关重件残余应力松弛、机床关重件产生蠕变所造成的几何误差，再将蠕变仿真产生的几何误差和机床关重件的初始几何误差进行叠加，再将叠加后的误差与机床关重件几何精度要求进行对比，判断出机床关重件蠕变后的几何精度是否符合要求。

具体到本实施例中，修正后的蠕变仿真可以得到由于机床横梁残余应力松弛、机床横梁产生蠕变所产生的导轨面直线度误差，再将该蠕变产生的几何误差与横梁初始状态导轨面的直线度误差进行叠加，并将叠加结果与机床横梁导轨面直线度要求进行对比，可以判断出机床横梁蠕变后的导轨面直线度是否要求。

因为初始仿真模型经过处理只存在残余内应力场，所以蠕变前机床横梁本身存在的加工误差需要实验测得。机床横梁精度要求为横梁导轨的直线度误差，经过实际测试，横梁上下导轨面的直线度误差都为0.01mm，所以对蠕变仿真之后的导轨面法线方向上的位移进行离散点的提取。然后将离散点的数据进行曲线拟合如图5，可以得到导轨面的直线度误差，考虑最坏的情况，即蠕变之前的直线度和蠕变之后的直线度在最大误差处叠加，即将两个直线度误差直接相加得到最坏情况出现的最大直线度误差，通过机床横梁导轨面直线度的要求标准0-0.02mm，可以对比判断出机床横梁蠕变之后是否符合几何精度要求，仿真数据结果判断如下表1。

表1仿真数据判断

步骤五，根据机床横梁蠕变后几何精度是否符合要求，判断出机床横梁蠕变之前的残余内应力是否可靠。

如果步骤四中所有指标判断结果都为1，那么认为横梁蠕变后直线度符合标准要求。得出机床横梁直线度符合要求，那么就可以认为机床横梁蠕变之前的残余应力是可靠的。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，但不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (2)

1.一种关于机床关重件残余应力水平的评估方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一，通过蠕变实验，获取关重件材料在常温25℃下的蠕变仿真参数；

步骤二，将蠕变参数代入已知的机床关重件abaqus模型，运用abaqus有限元分析软件进行机床关重件的蠕变仿真分析；

步骤三，对机床关重件进行相关蠕变测试实验，对abaqus蠕变仿真进行修正；

步骤四，通过修正后的蠕变仿真分析得到由于机床关重件残余应力松弛、机床关重件产生蠕变所造成的几何误差，再将蠕蠕变仿真产生的几何误差和机床关重件的初始几何误差进行叠加。再将叠加后的误差与机床关重件几何精度要求进行对比，判断出机床关重件蠕变后的几何精度是否符合要求；

步骤五，根据机床关重件蠕变后几何精度是否符合要求，判断出机床关重件蠕变之前的残余内应力是否可靠。

2.根据权利要求1所述的一种关于机床关重件残余应力水平的评估方法，其特征在于：在步骤三中对abaqus蠕变仿真进行修正的步骤如下：

1)将机床关重件静置一段时间，静置时间为仿真设置时间的一半；

2)测出机床关重件在这一段时间内测点的几何精度变化；

3)利用abaqus软件对机床关重件在这一段时间的蠕变进行分析；

4)对实验测得的数据和仿真得到的相应的数据进行拟合修正，得到相应的修正公式或者修正系数；

5)将得到的修正系数或者公式用于对步骤二中的仿真结果进行修正。