CN110423883B - 一种大型环件旋转离心应力调控方法 - Google Patents

一种大型环件旋转离心应力调控方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及工件残余应力调控领域，且公开了一种大型环件旋转离心残余应力调控方法，步骤如下：S1：建立环件高速旋转过程仿真模型；S2：确定环件达到预期应力调控效果所需目标转速和塑性变形量；S3：将环件通过弹性装卡装置安装在旋转平台上；S4：安装防护装置，启动平台使环件旋转，利用动平衡调整装置使系统达到动平衡；S5：逐渐降低转速直至停止并卸除装卡；S6：测试环件表面残余应力，确定应力消除效果。此方法通过高速离心旋转产生的胀形力沿圆周方向分布均匀，尤其适合大型环件的应力调控，且直径越大，所需转速越低。以10米级运载火箭过渡环为例，转速达到320r/min时，即可在环内产生接近屈服强度300MPa的周向应力，进而产生应力释放和塑性强化的效果。

Description

一种大型环件旋转离心应力调控方法
技术领域
本发明涉及工件残余应力调控技术领域，尤其指一种大型环件旋转离心应力调控方法。
背景技术
整体环形零件是构成航空航天产品的一类重要零部件，由于成形过程中非均匀的塑性变形和温度场的作用，极易在环件表面或内部产生较大的残余应力，显著影响零件的结构强度、尺寸稳定性和疲劳寿命，甚至导致强度下降、变形、局部破坏、疲劳断裂等问题的出现，严重影响零件的制造精度和服役可靠性。
对于航空航天环件，特别是对于重型运载火箭的研制(直径5米～10米级)，其环锻件的残余应力调控和整体塑性强化是制造过程中急需解决的难题。热时效、振动时效、自然时效和预变形(或称冷变形)方法是现今最常用的几种残余应力调控方法。目前，我国航空航天环件的整体预变形工艺主要采用机械胀形工艺。机械胀形时，环件受力不均匀，易在局部位置残留应力集中，并在局部发生变形，胀形后环件尺寸精度不高。液压胀形的胀形力分布均匀、胀形精度相对较高，但设备结构复杂、成本高，使用尚未普及，国内在大、中型环件上应用很少。
本发明专利应用的大型环件高速旋转离心应力调控方法可以有效替代现有环件的机械或液压胀形方法，为直径10米级大型环件的形性精确调控提供理论依据和技术支撑。
发明内容
(一)解决的技术问题
针对现有技术的不足，本发明提供了一种大型环件旋转离心应力调控方法，解决了大型环件的残余应力调控和塑性强化的问题。
(二)技术方案
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种大型环件旋转离心应力调控方法，包括以下步骤：
S1：建立环件高速旋转过程数值仿真模型，建模步骤包括：(1)、定义单元类型；(2)、定义材料属性；(3)、建立或导入几何模型；(4)、将设定的单元类型和材料属性赋予模型；(5)、对模型进行网格划分；(6)、定义边界条件模拟装卡；(7)、向模型施加转速载荷；(8)、求解计算；(9)、输出应力和塑性变形结果；
S2：确定环件达到预期的应力调控效果所需的目标转速和塑性变形量；
S3：将环件通过低应力弹性装卡装置安装在高速旋转平台上；
S4：安装旋转平台防护装置，启动旋转平台，使环件在低速下旋转，并利用旋转平台的动平衡调整装置调节旋转系统中心，使旋转系统达到动平衡状态；
S5：逐渐降低转速，直至停止，并卸除装卡；
S6：测试环件表面残余应力，确定应力消除效果。
本技术方案，在高速旋转时，由于离心作用，环件内部将产生一定的周向应力和径向应力，当环件的尺寸和材料一定时，离心作用产生的应力随转速的增加而增加，当转速足够高时，离心应力将达到甚至超过材料的屈服极限，环件将产生一定径向的塑性变形，即产生“胀形”的效果，从而释放残余应力，起到提高环件强度、疲劳寿命和尺寸稳定性的效果。
作为对上述技术方案的进一步完善和补充，本发明还包括以下附加技术特征：
进一步的，S2中，基于数值仿真模型。
进一步的，S3中，所述装卡装置主轴的顶端贯穿下防护挡板穿接在连接环的内部，并与连接环固定连接，连接环的外侧壁环形阵列布置有多个支撑杆，支撑杆均与连接环的外表面焊接固定，且支撑杆远离连接环的一端均焊接固定有支撑架，环件位于多个支撑架的内部，且环件的内表面与支撑架的内表面之间设有橡胶垫，支撑架上均对称固定有防护螺栓，支撑杆的外表面均螺纹连接有锁紧螺母，锁紧螺母和支撑架之间固定有弹簧。
进一步的，S3中，根据环件塑性变形量调节弹性装卡装置的压缩量，保证其在环件发生塑性变形后，仍能提供足够的装卡力。
优选的，S6中，应用X射线衍射法、钻孔法、激光散斑盲孔法中的一种或多种方法进行测试。
该方案的主要特征是：
本发明提出的高速旋转离心应力调控方法，利用离心作用下环件内部产生的应力，使环件在高速旋转状态下的离心应力达到甚至超过材料的屈服极限，使之产生一定径向的塑性变形，即产生“胀形”的效果。
(三)有益效果
本发明提供了一种大型环件旋转离心应力调控方法，具备以下有益效果：
通过高速离心旋转产生的胀形力沿圆周方向分布均匀，尤其适合大型环件。环件直径越大，所需的转速越低。以10米级(直径)运载火箭过渡环为例，其材料通常为2系铝合金。当转速达到320r/min时(线速度为167m/s)，即可在环内产生接近屈服强度300MPa的周向应力，进而产生应力释放和塑性强化的效果。此外，该方法还可以用于钛合金、高温合金航空发动机环形机匣、大型轴承等大型关键环件的残余应力调控。
附图说明
图1为本发明的环件高速旋转离心应力调控方法技术路线图；
图2为本发明的低应力弹性装卡装置结构示意图；
图3为本发明的高速旋转平台结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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。
如图1-3所示，本发明提供一种技术方案：一种大型环件旋转离心应力调控方法，包括以下步骤：
S1：建立环件高速旋转过程数值仿真模型，建模步骤包括：(1)、定义单元类型；(2)、定义材料属性；(3)、建立或导入几何模型；(4)、将设定的单元类型和材料属性赋予模型；(5)、对模型进行网格划分；(6)、定义边界条件模拟装卡；(7)、向模型施加转速载荷；(8)、求解计算；(9)、输出应力和塑性变形结果；
S2：确定环件达到预期的应力调控效果所需的目标转速和塑性变形量；
S3：将环件通过低应力弹性装卡装置安装在高速旋转平台上；
S4：安装旋转平台防护装置，启动旋转平台，使环件在低速下旋转，并利用旋转平台的动平衡调整装置调节旋转系统中心，使旋转系统达到动平衡状态；
S5：逐渐降低转速，直至停止，并卸除装卡；
S6：测试环件表面残余应力，确定应力消除效果。
进一步的，S2中，基于数值仿真模型。
进一步的，S3中，所述装卡装置主轴的顶端贯穿下防护挡板穿接在连接环的内部，并与连接环固定连接，连接环的外侧壁环形阵列布置有多个支撑杆，支撑杆均与连接环的外表面焊接固定，且支撑杆远离连接环的一端均焊接固定有支撑架，环件位于多个支撑架的内部，且环件的内表面与支撑架的内表面之间设有橡胶垫，支撑架上均对称固定有防护螺栓，支撑杆的外表面均螺纹连接有锁紧螺母，锁紧螺母和支撑架之间固定有弹簧。
进一步的，S3中，根据环件塑性变形量调节弹性装卡装置的压缩量，保证其在环件发生塑性变形后，仍能提供足够的装卡力。
进一步的，S6中，应用X射线衍射法、钻孔法、激光散斑盲孔法中的一种或多种方法进行测试。
本技术方案，本发明的工作流程如下：首先，应用有限元方法建立高速旋转过程数值仿真模型，计算得到环件达到预期的应力分布所需的目标转速，并确定环件在旋转过程中发生的径向塑性变形量，其次，将环件通过低应力弹性装卡装置安装在高速旋转平台上，随后，安装防护装置，启动旋转平台，使环件在低速下旋转，并利用旋转平台的动平衡调整装置调节旋转系统质心位置，使旋转系统达到动平衡状态，逐渐增加旋转转速，直至目标转速，并在目标转速下旋转10-30分钟，逐渐降低转速，直至停止，并卸除装卡，最后，应用X射线衍射法、钻孔法、激光散斑盲孔法中的一种或多种方法测试环件表面残余应力，确定应力消除效果。
如图1所示的环件高速旋转离心应力调控方法是本发明的具体实施例，已经体现出本发明实质性特点和进步，可根据实际的使用需要，在本发明的启示下，对其进行形状、结构等方面的等同修改，均在本方案的保护范围之列。

Claims (5)

1.一种大型环件旋转离心应力调控方法，其特征在于包括以下步骤：
S1：建立环件高速旋转过程数值仿真模型，建模步骤包括：(1)、定义单元类型；(2)、定义材料属性；(3)、建立或导入几何模型；(4)、将设定的单元类型和材料属性赋予模型；(5)、对模型进行网格划分；(6)、定义边界条件模拟装卡；(7)、向模型施加转速载荷；(8)、求解计算；(9)、输出应力和塑性变形结果；
S2：确定环件达到预期的应力调控效果所需的目标转速和塑性变形量；
S3：将环件通过低应力弹性装卡装置安装在高速旋转平台上；
S4：安装旋转平台防护装置，启动旋转平台，使环件在低速下旋转，并利用旋转平台的动平衡调整装置调节旋转系统中心，使旋转系统达到动平衡状态，逐渐增加旋转转速，直至目标转速，并在目标转速下旋转10-30分钟；
S5：逐渐降低转速，直至停止，并卸除装卡；
S6：测试环件表面残余应力，确定应力消除效果。
2.根据权利要求1所述的一种大型环件旋转离心应力调控方法，其特征在于：S2中，基于数值仿真模型。
3.根据权利要求1所述的一种大型环件旋转离心应力调控方法，其特征在于：S3中，所述装卡装置主轴的顶端贯穿下防护挡板穿接在连接环的内部，并与连接环固定连接，连接环的外侧壁环形阵列布置有多个支撑杆，支撑杆均与连接环的外表面焊接固定，且支撑杆远离连接环的一端均焊接固定有支撑架，环件位于多个支撑架的内部，且环件的内表面与支撑架的内表面之间设有橡胶垫，支撑架上均对称固定有防护螺栓，支撑杆的外表面均螺纹连接有锁紧螺母，锁紧螺母和支撑架之间固定有弹簧。
4.根据权利要求1所述的一种大型环件旋转离心应力调控方法，其特征在于：S3中，根据环件塑性变形量调节弹性装卡装置的压缩量，保证其在环件发生塑性变形后，仍能提供足够的装卡力。
5.根据权利要求1所述的一种大型环件旋转离心应力调控方法，其特征在于：S6中，应用X射线衍射法、钻孔法、激光散斑盲孔法中的一种或多种方法进行测试。
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