CN110032767A - 一种热处理时效温度确定方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种热处理时效温度确定方法及装置，包括：检测铝合金薄壁结构件毛坯的残余应力；根据残余应力检测结果以及铝合金薄壁结构件的外形变化规律，反向求出铝合金薄壁结构件毛坯进行热处理时效的温度变化值。采用本申请提供的方案，能够指导热处理时效人员将对应铝合金薄壁结构件毛坯的残余应力控制在一个数值相对固定、分布相对均匀、释放相对充分的位置，给零件应力变形经验预测和连续工艺仿真预测提供一个初始的标定值，从而大幅度提高经验预测和仿真预测的准确性。

Description

一种热处理时效温度确定方法及装置

技术领域

本申请涉及铝合金加工技术，具体地，涉及一种热处理时效温度确定方法及装置。

背景技术

铝合金薄壁结构件加工变形产生的原因有很多，与毛坯的材料、零件的几何形状和刚度以及生产条件(包括加工工艺方法、加工设备和环境等因素)均有关系。

由于铝合金薄壁结构件毛坯的残余应力大小和分布基本无规律可循，当前行业零件应力变形经验预测和连续工艺仿真预测缺乏初始的标定值，因此，目前在相关仿真技术的推动中，准确性较差一直是影响该方面技术的难题。

现有技术中存在的问题：

零件应力变形经验预测和连续工艺仿真预测准确性较低。

发明内容

本申请实施例中提供了一种热处理时效温度确定方法及装置，以解决上述技术问题。

根据本申请实施例的第一个方面，提供了一种热处理时效温度确定方法，包括：

检测铝合金薄壁结构件毛坯的残余应力；

根据残余应力检测结果以及铝合金薄壁结构件的外形变化规律，反向求出铝合金薄壁结构件毛坯进行热处理时效的温度变化值。

根据本申请实施例的第二个方面，提供了一种热处理时效温度确定装置，包括：

检测模块，用于检测铝合金薄壁结构件毛坯的残余应力；

计算模块，用于根据残余应力检测结果以及铝合金薄壁结构件的外形变化规律，反向求出铝合金薄壁结构件毛坯进行热处理时效的温度变化值。

有益效果：

采用本申请实施例中提供的热处理时效温度确定方法及装置，能够指导热处理时效人员将对应铝合金薄壁结构件毛坯的残余应力控制在一个数值相对固定、分布相对均匀、释放相对充分的位置，给零件应力变形经验预测和连续工艺仿真预测提供一个初始的标定值，从而大幅度提高经验预测和仿真预测的准确性。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1示出了本申请实施例中热处理时效温度确定方法实施的流程示意图；

图2示出了本申请实施例中热处理时效温度确定装置的结构示意图。

具体实施方式

发明人在发明过程中注意到：

引起铝合金薄壁结构件变形的主要因素主要有以下几个方面：

(1)工件自身的力学特性与结构特点

铝合金的弹性模量通常为69-73MPa，约为钢的1/3。由于其弹性模量小，屈强比大，导热系数高，自身结构刚性较差，高温条件下强度会迅速下降，在切削加工过程中极易产生回弹，产生“让刀”弹性变形，特别是在加工大型薄壁结构件时，“让刀”和回弹现象更加严重；另外，航空共形结构件形状复杂，在切削加工时容易产生积屑瘤，且整体厚度只有2mm，自身刚度较差等，也是产生较大变形的内在因素。

(2)工件的初始残余应力

铝合金薄壁结构件毛坯材料通常是采用高强度变形铝合金板直接铣削加工而成的。为了获得高强度、高韧性的机械性能，高强度变形铝合金板必须经过轧制、固溶、热处理时效等一系列工艺流程，在这些工艺处理工程中，因外力、不均匀的弹塑性变形和不均匀的温度场，在板材冷却过程中会产生内应力，即残余应力。在加工过程中，随着材料的不断去除，铝合金板材截面形状和形状变化会导致内部的应力自平衡状态被破坏，残余应力发生释放并重新分布，工件只有通过变形才能达到新的平衡状态。毛坯初始残余应力的释放和重分布是引起铝合金薄壁结构件加工变形的重要原因之一。

为了解决现有技术存在的技术问题，本申请提出了一种热处理时效及其温度确定方法、装置，通过把铝合金薄壁结构件毛坯的残余应力控制在一个数值相对固定、分布相对均匀、释放相对充分的位置，给零件应力变形经验预测和连续工艺仿真预测提供一个初始的标定值，从而大幅度提高经验预测和仿真预测的准确性。

本申请实施例中的方案可以采用各种计算机语言实现，例如，面向对象的程序设计语言Java和直译式脚本语言JavaScript等。

为了使本申请实施例中的技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图对本申请的示例性实施例进行进一步详细的说明，显然，所描述的实施例仅是本申请的一部分实施例，而不是所有实施例的穷举。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例1

本申请实施例提供了一种热处理时效温度确定方法，下面进行说明。

图1示出了本申请实施例中热处理时效温度确定方法实施的流程示意图，如图所示，所述方法包括：

步骤101、检测铝合金薄壁结构件毛坯的残余应力；

步骤102、根据残余应力检测结果以及铝合金薄壁结构件的外形变化规律，反向求出铝合金薄壁结构件毛坯进行热处理时效的温度变化值。

实施中，本申请实施例所述的毛坯并不局限于零件加工前的初始毛坯，在铝合金薄壁铣削结构件中大进给粗铣完的毛坯也包含于本申请实施例所针对的实施对象。

采用本申请实施例中提供的热处理时效温度确定方法，能够指导热处理时效人员将对应铝合金薄壁结构件毛坯的残余应力控制在一个数值相对固定、分布相对均匀、释放相对充分的位置，给零件应力变形经验预测和连续工艺仿真预测提供一个初始的标定值，从而大幅度提高经验预测和仿真预测的准确性。

目前市面上针对于铝合金残余应力的测量方法主要包括：X射线衍射仪测量和盲孔法测量，其中，X射线衍射仪测量属于无损检测，而盲孔法测量需要开孔性的破坏性测量，但实际的测量效果，破坏性测量的成本和准确性都要优于无损检测。

发明人在发明过程中考虑到，由于本申请实施例的测量对象是铝合金毛坯，所以无损检测的非破坏性要求较低，因此，本申请实施例可以采用如下方式实施。

在一种实施方式中，所述检测铝合金薄壁结构件毛坯的残余应力，包括：

在所述铝合金薄壁结构件毛坯上钻孔；

利用预先在所述孔周围的应变测量设备测量应变增量；

根据所述应变增量以及弹性力学原理计算得到铝合金薄壁结构件毛坯的残余应力。

本申请实施例所涉及的残余应力测量以盲孔法测量原理为基础，同时由于本申请实施例的检测是面向生产加工的过程测量，在测量便易性和快速性都有较高的要求。

考虑到残余应力检测所选取的测量位置也直接影响本申请实施例的运算准确性，因此，本申请实施例可以采用如下方式实施。

在一种实施方式中，所述检测铝合金薄壁结构件毛坯的残余应力，包括：

根据所述铝合金薄壁结构件外形中影响变形的要素的值，确定所述铝合金薄壁结构件外形中变形趋势最大的位置；

对所述位置进行残余应力检测。

本申请实施例根据铝合金薄壁结构件外形中影响变形的关键要素，限定最终零件外形中变形趋势较大的对应位置进行毛坯的残余应力检测，进而提高后续运算的准确性。

在一种实施方式中，所述铝合金薄壁结构件外形中影响变形的要素，包括：壁厚、长径比等。

在一种实施方式中，所述根据残余应力检测结果以及铝合金薄壁结构件的外形变化规律，反向求出铝合金薄壁结构件毛坯进行热处理时效的温度变化值，包括：

根据残余应力检测结果以及变形状态，确定毛坯单元的应变增量；

根据所述毛坯单元的应变增量，计算出毛坯单元的位移增量；

根据所述毛坯单元的位移增量，计算出应力变化量；

根据所述应力变化量，反向求出所述应力变化量对应的温度变化值。

在一种实施方式中，所述根据所述毛坯单元的应变增量，计算出毛坯单元的位移增量，包括：

{dε}^e＝[B]{dδ}^e；

其中，{dε}^e为所述毛坯单元的应变增量；[B]为单元应变与节点位移的关系矩阵。

在一种实施方式中，所述根据所述毛坯单元的位移增量，计算出应力变化量，包括：

{dF}^e+{dR}^e＝[K]^e{dδ}^e；

其中，{dF}^e为该单元力的变化量；{dR}^e为温度对应的应力变化量；[K]^e为单元的刚度矩阵；{dδ}^e为节点的位移增量。

在一种实施方式中，所述根据所述应力变化量，反向求出所述应力变化量对应的温度变化值，包括：

预先在预设温度范围内对所述铝合金薄壁结构件进行膨胀实验，得到所述铝合金薄壁结构件在预设温度范围内的膨胀应变公式；

根据所述应力变化量以及所述膨胀应变公式，反向求出所述应力变化量对应的温度变化值。

在一种实施方式中，可以利用Ansys、ABAQUS等应力分析软件进行二次开发来实现本申请实施例的方法步骤。

实施例2

基于同一发明构思，本申请实施例提供了一种热处理时效温度确定装置，其解决问题的原理与一种热处理时效温度确定方法相似，重复之处不再赘述。

图2示出了本申请实施例中热处理时效温度确定装置的结构示意图，如图所示，所述装置包括：

检测模块201，用于检测铝合金薄壁结构件毛坯的残余应力；

计算模块202，用于根据残余应力检测结果以及铝合金薄壁结构件的外形变化规律，反向求出铝合金薄壁结构件毛坯进行热处理时效的温度变化值。

采用本申请实施例中提供的热处理时效温度确定装置，能够指导热处理时效人员将对应铝合金薄壁结构件毛坯的残余应力控制在一个数值相对固定、分布相对均匀、释放相对充分的位置，给零件应力变形经验预测和连续工艺仿真预测提供一个初始的标定值，从而大幅度提高经验预测和仿真预测的准确性。

实施例3

本申请实施例为铝合金薄壁结构件加工中的一种去应力的热处理时效方法，对铝合金薄壁结构件加工毛坯进行针对性的残余应力检测，再根据应力检测结果结合薄壁结构件外形变形规律评价，通过热-力耦合基本理论、瞬态热传导方程、弹性和塑性应变增量方程等理论方法相结合，反求出一个最优的毛坯热处理时效温度变化值。

在热处理时效过程中，铝合金板材温度变化十分剧烈，毛坯表面温度和里层温度产生的温度梯度，不仅会产生弹性变形，也会产生塑性应变。针对铝合金板材热处理时效的特点，本申请实施例假设如下条件成立：

(1)材料各向同性；

(2)材料的屈服过程服从Mises屈服准则；

(3)当毛坯件达到塑性变形条件时，服从等向强化流动法则，即Prandtl-Reuss塑性流动准则。

当毛坯件达到塑性变形条件时，热处理时效过程中总应变增量可分为弹性和塑性两部分，表达式为：

d{ε}＝d{ε_e}+d{ε_p} (1.1)

其中，d{ε_e}为弹性应变增量；d{ε_p}为塑性应变增量。d{ε_e}在卸载后可完全恢复，与应力增量d{σ}符合广义胡克定律；d{ε_p}在卸载后不能恢复，与d{σ}应力增量符合塑性流动法则。

当材料达到弹塑性条件时，应力应变的关系为：

d{σ}＝[D]{dε}-{C}dT (1.2)

其中，[D]为弹性或塑性矩阵；{C}为与温度有关的向量。

当毛坯件材料位于弹性区域时，有：

[K]＝[D]_e (1.3)

其中，{α}为材料线膨胀系数向量，T为温度。

当毛坯件材料位于塑性区域时，屈服应力随着温度变化而变化，屈服准则可以表示为，

对式(2.7)中求导，则可获得微分表达形式为：

此时，流动准则为：

将式(1.7)代入式(1.1)，并应用上式，得到：

记

于是可以得到增量形式的弹塑性应力应变关系：

d{σ}＝[D]_epd{ε} (1.10)

其中[D]_ep为弹塑性矩阵。

对于毛坯结构中的某一单元，其平衡方程为：

{dF}^e+{dR}^e＝[K]^e{dδ}^e (1.11)

其中，{dF}^e为该单元力的变化量；{dR}^e为温度对应的应力变化量；[K]^e为单元的刚度矩阵；{dδ}^e为节点的位移增量。

[K]^e＝∫[B]^T[D][B]dV (1.12)

{dR}^e＝∫[B]T[C]dTdV (1.13)

其中，[B]为单元应变与节点位移的关系矩阵；[C]构成单元的刚度矩阵与单元节点的载荷。将式(1.12)和(1.13)代入(1.10)可以得到总刚度矩阵[K]和总载荷量{dF}的平衡方程：

[K]{dε}＝{dF} (1.14)

在热弹塑性应力有限元分析的求解过程中，由式(1.14)可以求出各点的位移增量{dδ}，每个单元内的应变增量{dε}^e和单元节点位移增量{dδ}^e关系式如下：

{dε}^e＝[B]{dδ}^e (1.15)

热处理时效过程中瞬态热传导方程为：

其中，k为热传导系数(W/m·K)；T为温度(K)；Q为相变潜热(J/Kg)，ρ为密度(Kg/m3)；C为比热容(J/Kg·K)；t为时间(s)。热处理过程中T’随t变化，由于铝合金热处理时效温度小于发生相变的温度，因此淬火模拟时Q＝0。

热处理时，铝合金毛坯件仅与空气介质接触，所以传热问题的边界条件为对流换热边界条件，为：

q＝h(T_w-T_f) (1.17)

其中，q为通过边界的热流密度；h为毛坯表面传热系数；T_w为随时间变化的毛坯温度；T_f为热处理时效介质温度。

热处理时效的应力由于不涉及到外载荷的作用，只包括温度梯度引起的热应力，以及不同温度下铝合金毛坯件力学性能参数和物理性能参数不同引起的附加应力和应变，因此属于热弹塑性问题。

根据热处理完成后毛坯最终的残余应力和变形状态赋予到有限元毛坯模型之中，通过有限元分析软件进行热塑性计算得到毛坯各单元的应变增量，依据式子(1.15)由毛坯各单元的应变增量求出各单元的位移增量，依据式(1.11)由各单元的位移增量求出温度对应的应力变化量{dR}^e，在一定温度下对工件进行膨胀实验，得到材料在一定温度范围内的膨胀应变公式，依据{dR}^e的数值即可求出该变量下的温度对应值，例如，在有限元分析模型中赋予的初始温度值为20℃，应力变化量每变化1KPa，温度的变化范围为3℃～5℃，即可反求出一个最优的毛坯热处理时效温度变化值。

通过反求出的最优的毛坯热处理时效温度变化值，能够指导热处理时效工艺人员进行热处理时效的工艺参数的设置和工艺方法的控制。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

尽管已描述了本申请的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种热处理时效温度确定方法，其特征在于，包括如下步骤：

检测铝合金薄壁结构件毛坯的残余应力；

根据残余应力检测结果以及铝合金薄壁结构件的外形变化规律，反向求出铝合金薄壁结构件毛坯进行热处理时效的温度变化值。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述检测铝合金薄壁结构件毛坯的残余应力，包括：

在所述铝合金薄壁结构件毛坯上钻孔；

利用预先在所述孔周围的应变测量设备测量应变增量；

根据所述应变增量以及弹性力学原理计算得到铝合金薄壁结构件毛坯的残余应力。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述检测铝合金薄壁结构件毛坯的残余应力，包括：

根据所述铝合金薄壁结构件外形中影响变形的要素的值，确定所述铝合金薄壁结构件外形中变形趋势最大的位置；

对所述位置进行残余应力检测。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述铝合金薄壁结构件外形中影响变形的要素，包括：壁厚、和/或长径比。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据残余应力检测结果以及铝合金薄壁结构件的外形变化规律，反向求出铝合金薄壁结构件毛坯进行热处理时效的温度变化值，包括：

根据残余应力检测结果以及变形状态，确定毛坯单元的应变增量；

根据所述毛坯单元的应变增量，计算出毛坯单元的位移增量；

根据所述毛坯单元的位移增量，计算出应力变化量；

根据所述应力变化量，反向求出所述应力变化量对应的温度变化值。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述根据所述毛坯单元的应变增量，计算出毛坯单元的位移增量，包括：

{dε}^e＝[B]{dδ}^e；

其中，{dε}^e为所述毛坯单元的应变增量；[B]为单元应变与节点位移的关系矩阵。

7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述根据所述毛坯单元的位移增量，计算出应力变化量，包括：

{dF}^e+{dR}^e＝[K]^e{dδ}^e；

其中，{dF}^e为该单元力的变化量；{dR}^e为温度对应的应力变化量；[K]^e为单元的刚度矩阵；{dδ}^e为节点的位移增量。

8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述根据所述应力变化量，反向求出所述应力变化量对应的温度变化值，包括：

预先在预设温度范围内对所述铝合金薄壁结构件进行膨胀实验，得到所述铝合金薄壁结构件在预设温度范围内的膨胀应变公式；

根据所述应力变化量以及所述膨胀应变公式，反向求出所述应力变化量对应的温度变化值。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，进一步包括：

根据所述温度变化值对所述铝合金薄壁结构件毛坯进行热处理时效。

10.一种热处理时效温度确定装置，其特征在于，包括：

检测模块，用于检测铝合金薄壁结构件毛坯的残余应力；

计算模块，用于根据残余应力检测结果以及铝合金薄壁结构件的外形变化规律，反向求出铝合金薄壁结构件毛坯进行热处理时效的温度变化值。