CN111676364A - 一种基于弹性声波的金属框架残余应力消减与均化方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于弹性声波的金属框架残余应力消减与均化方法，包括：基于金属框架的残余应力分布和材料特性，确定弹性声波注入方案，所述注入方案的内容至少包括下列之一：弹性声波注入方向数及相应注入方向、弹性声波激励方案和弹性声波工作参数；所述金属框架放置于基体内，固定其内外框；基于所确定出的弹性声波的激励方案，装配弹性声波的激励装置；基于所确定出的弹性声波工作参数，从至少一个方向注入弹性声波到所述金属框架内部，对所述金属框架残余应力进行消减与均化；如果单轮对所述金属框架残余应力消减与均化不达要求，进行多轮消减与均化，从而实现对所述金属框架的残余应力高效无损的消减与均化。

Description

一种基于弹性声波的金属框架残余应力消减与均化方法

技术领域

本发明涉及金属架构加工领域，特别是一种基于弹性声波的金属框架残余应力消减与均化方法。

背景技术

钛合金因其优异的力学和机械性能而被广泛用于航空航天领域，但因其弹性模量小、导热系数低而成为了一种难加工材料。在加工制备小型薄壁框架构件时，经铣削、线切割等工艺后必然会在工件内部引入不均匀分布的残余应力场。而经锻造成型的钛合金胚料在制备后本身含有一定程度的残余应力，与加工后产生的残余应力场相互叠加作用后，将在残余应力集中处引发变形，严重影响到后续装配及使役过程中构件的力学性能和疲劳寿命。

传统的金属构件残余应力消除方法包括自然时效法、去应力退火、振动时效法、超声冲击等。自然时效法残余应力消除效率较低，且需要长时间占用大量场地，已逐步被淘汰。去应力退火方法对工艺要求严格，若降温速率、退火温度等处理不当则会引入附加残余应力，且能耗较高。振动时效法虽然能有效消除残余应力，但其局限性在于不能较好的应用于变截面和变厚度及带有孔特征的构件，调控现场噪音很大。而超声冲击法在消除过程中可能会给金属表面造成微细裂纹损伤，并且无法调控内部残余应力状态，实际应用受到很大限制。

因此，本发明提出了一种基于弹性声波的金属框架残余应力消减与均化方法，在不损伤金属框架的情况下高效均化和消减过大的残余应力值，预防后续装配服役过程中构件发生变形。

发明内容

鉴于上述问题，本发明提供一种基于弹性声波的金属框架残余应力消减与均化方法，包括：

基于金属框架的残余应力分布和材料特性，确定弹性声波注入方案，所述注入方案的内容至少包括下列之一：弹性声波注入方向数及相应注入方向、弹性声波激励方案和弹性声波工作参数；

所述金属框架放置于基体内，固定其内外框；

基于所确定出的弹性声波的激励方案，装配弹性声波的激励装置；

基于所确定出的弹性声波工作参数，从至少一个方向注入弹性声波到所述金属框架内部，对所述金属框架残余应力进行消减与均化。

由上，固定所述金属框架于装置工装内，可防止在弹性声波注入过程中所述金属框架发送形变；基于所述金属框架的残余应力分布，从至少一个方向注入弹性声波，超过1个方向注入时在所述金属框架内实现弹性声波能量叠加，实现高效无损消减与均化所述金属框架的残余应力。

其中，判断对所述金属框架残余应力消减与均化未达要求时，进行多轮所述消减与均化。

由上，为了不损伤所述金属框架的刚度，需要控制所述弹性声波的幅度和注入时长，在对所述金属框架残余应力单轮消减与均化未达要求时，进行多轮所述消减与均化。

其中，所述弹性声波的注入方向对齐所述金属框架残余应力的待控位置，且判断为下述之一时使所述弹性声波注入的方向数超过1：

判断所述金属框架残余应力的待控位置超过1个且1个注入方向无法覆盖全部残余应力的待控位置；

判断所述金属框架的1个待控位置的残余应力需要注入弹性声波方向数大于1。

由上，基于金属框架的残余应力分布，从多个方向注入弹性声波，实现多个待控位置同时进行残余应力的消减与均化，或在单个待控位置实现多束弹性声波的能量叠加，消减与均化所述金属框架的残余应力。

其中，所述弹性声波的激励方案包括：

采用超声振动子装置作为所述弹性声波的激励装置；

所述金属框架的声速对超声振动子的超声变幅杆选型；

基于所述金属框架残余应力的待控位置大小决定是否需要加装工具帽。

进一步，所述弹性声波的激励方案还包括：

采用流体耦合激励装置作为所述弹性声波的激励装置；

通过调节各弹性声波的注入方向在所述金属框架的待控位置形成导波。

由上，所述弹性声波的激励装置为超声振动子装置时，弹性声波注入角度不可改变，主要是选型所述变幅杆和决策是否工具帽来匹配所述待控位置大小；所述弹性声波的激励装置为流体耦合激励装置时，装配完成后所述弹性声波注入角度可以调节，便于在所述金属框架内部形成导波，实现能量叠加。

其中，所述每束弹性声波的工作参数至少包括下列之一：频率、幅度、相位和注入时长。

由上，弹性声波的频率一般基于所述金属框架的材料确定；弹性声波的幅度要满足残余应力消减与均化的要求，同时不能损伤所述金属框架的材料；调整相位可以实现多方向注入的弹性声波能量叠加；为避免单轮长时间注入损伤所述金属框架的材料，需确定好单轮注入时长。

其中，基于注入到所述待控位置的弹性声波强度调整弹性声波注入的时长。

由上，控制每轮弹性声波注入时长，实现瞬态消减与均化残余应力，停止注入弹性声波后，所述金属框架的材料恢复其原始的材料特性，不降低其的屈服强度和构件强度；单轮注入无法消除待控位置处的应力，可以进行多轮消减与均化所述金属框架的残余应力。所述瞬态消减与均化残余应力需要的能量远低于去应力退火能量。

综上，本发明基于金属框架的残余应力分布，确定高能弹性声波的注入方向数及相应注入方向、激励方案和工作参数，控制各束高能弹性声波的注入方向、频率、幅度、相位和注入时长等工作参数，高能弹性声波在金属框架表面、亚表面或内部等部位形成高能聚焦区，实现高效无损快速地消减与均化的金属框架残余应力。

附图说明

图1为本发明的方法流程图；

图2为金属框架固定示意图；

图3为金属框架内部残余应力分布示意图。

符号说明：

基体1，十字压紧块2，弹性声波3，金属框架4，空位缺陷5，晶界位错6。

具体实施方式

本发明提供一种基于弹性声波的金属框架残余应力消减与均化方法。

下面参照附图所示实施例，对本发明的方法进行详细说明。

如图1所示，本发明提供了一种基于弹性声波的金属框架残余应力消减与均化方法，其包括以下步骤：

S110、测试金属框架4的残余应力。如图3所示，金属框架4中示出的矩形框的区域为应力集中区域，因金属框架4加工时导致晶界位错6聚集、空位缺陷5聚集等而形成。

金属框架4要经过多道加工工序，可以在每道工序完成之后就进行残余应力测试，在加工原位进行残余应力消减与均化，也可以完成所有工序后再离位进行残余应力测试及残余应力消减与均化。

S120、基于金属框架4的残余应力分布和金属框架4材料特性，确定弹性声波3的注入方向数及相应注入方向、激励方案和工作参数。所述弹性声波3工作参数包括频率、幅度、相位、单轮注入时长。其包括以下子流程:

S1210、基于金属框架4的应力分布确定所注入弹性声波3注入方向数和相应注入方向。

弹性声波3的注入方向对齐所述金属框架4残余应力的待控位置，且满足下列场景任何一种时选择弹性声波3注入的束数大于1：

金属框架4的残余应力分布超过1个待控位置且1个注入方向无法覆盖全部残余应力分布；

金属框架4的单一待控位置的残余应力需要注入弹性声波束数目大于1。

S1220、基于金属框架4的残余应力分布和金属框架4材料特性确定所注入弹性声波3的激励方案。

弹性声波3的激励装置为超声振动子装置：超声振动子的超声变幅杆基于金属框架4的声速选型，所述超声变幅杆的端面半径为20-80mm之间，基于金属框架4残余应力的待控位置大小决定是否需要加装工具帽，扩大适配面积；

弹性声波3的激励装置为流体耦合激励装置：弹性声波3的注入方向要能调节，便于通过调节各弹性声波3的注入方向在所述金属框架4的待控位置形成导波，实现能力叠加，所述导波强度由多个方向注入的弹性声波3能量和金属框架4的声阻抗决定。

S1230、确定各所注入弹性声波3频率、幅度、相位和注入时长。

弹性声波3频率保证金属框架4材料的声速与激励装置匹配；幅度要既能保证金属框架4残余应力消减与均化效果，也不引起金属框架4的形变；调整相位使各注入弹性声波3在待控位置实现弹性声波3能量叠加。

基于注入到待控位置的弹性声波3强度确定弹性声波3的单轮注入时长。控制每轮注入时长，实现多轮瞬态消减与均化金属框架4的残余应力，停止注入弹性声波3后，金属框架4的材料恢复其原始的材料特性，不降低其的屈服强度和构件强度，所述瞬态消减与均化残余应力需要的能量远低于去应力退火能量。

通常超声波频率为5KHz-50KHz，输出功率为10-400W，单次注入时长为20-40min。

S130、金属框架固定于基体1内，固定金属框架的内外框。

金属框架4在弹性声波3注入过程可能发生形变，固定金属框架4的内外框防止这种形变。如图2，金属框架4内框被十字压紧块2过盈顶紧，外框与所述基体1的内框匹配贴合，或与所述超声振动子的前端紧密接触。

S140、基于所确定的弹性声波3的注入方向数、注入方向和激励方案装配激励装置。

一个注入方向需要安装一个激励装置；使用超声振动子激励装置时，所述超声振动子的前端或所述工具帽紧密接触金属框架4外框；使用流体耦合激励装置时，激励装置的装配满足在后续弹性声波3注入方向可调的要求。

S150、基于所确定的弹性声波3的工作参数，控制所注入的弹性声波3对金属框架4待控位置的残余应力完成单轮瞬态消减与均化。

设置好弹性声波3的频率和幅度，打开激励装置，从至少一个方向注入弹性声波3到金属框架4内部，控制各注入弹性声波3相位，使用流体耦合激励装置时需同时调节弹性声波3注入方向以便在待控位置形成导波，在所设计的单轮注入时长内对金属框架4待控位置的残余应力完成单轮瞬态消减与均化。

弹性声波3能量定向到金属框架4内部残余应力分布区域如晶界位错6、空位缺陷5等区域，在这些区域被吸收，诱使材料内部残余应力过高区域的晶格畸变恢复自由弹性状态，使得残余应力得以释放。

S160、测试金属框架4的残余应力。每轮消减与均化结束后都要测试金属框架4的残余应力。

S170、判断金属框架4的残余应力是否满足要求，如果满足，则金属框架4的残余应力消减与均化的流程结束。如果不满足，则进入S120，基于新的残余应力分布确定新的残余应力消减与均化方案。

综上，本实施例基于金属框架4的残余应力分布和材料特性，设计弹性声波3的注入方向数及方向、激励方案和工作参数，控制至少一束高能弹性声波3的频率、幅度、相位和单轮注入时长等工作参数，在金属框架4表面、亚表面或内部等部位形成高能聚焦区，实现高效无损快速地消减与均化的金属框架4残余应力。作用于金属框架4上的弹性声波3能量可以瞬态降低受力变形过程中金属框架4材料的屈服强度，提高所述材料的塑性成形能力和速度，达到瞬态软化效果，需要的能量远低于去应力退火能量。在去除高能弹性声波3作用以后，所述材料恢复其原始的材料特性，不降低所述材料的屈服强度和构件强度，是一种高效且无损的残余应力消减均化方法。

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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于弹性声波的金属框架残余应力消减与均化方法，其特征在于，包括：

基于金属框架的残余应力分布和材料特性，确定弹性声波注入方案，所述注入方案的内容至少包括下列之一：弹性声波注入方向数及相应注入方向、弹性声波激励方案和弹性声波工作参数；

所述金属框架放置于基体内，固定其内外框；

基于所确定出的弹性声波的激励方案，装配弹性声波的激励装置；

基于所确定出的弹性声波工作参数，从至少一个方向注入弹性声波到所述金属框架内部，对所述金属框架残余应力进行消减与均化。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述进行消减与均化后还包括：

判断对所述金属框架残余应力消减与均化未达要求时，进行多轮所述消减与均化。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述弹性声波的注入方向对齐所述金属框架残余应力的待控位置，且判断为下述之一时使所述弹性声波注入的方向数超过1：

判断所述金属框架残余应力的待控位置超过1个且1个注入方向无法覆盖全部残余应力的待控位置；

判断所述金属框架的1个待控位置的残余应力需要注入弹性声波方向数大于1。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述弹性声波的激励方案包括：

采用超声振动子装置作为所述弹性声波的激励装置；

基于所述金属框架的声速对超声振动子的超声变幅杆选型；

基于所述金属框架残余应力的待控位置大小决定是否需要加装工具帽。

5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述弹性声波的激励方案还包括：

采用流体耦合激励装置作为所述弹性声波的激励装置；

通过调节各弹性声波的注入方向在所述金属框架的待控位置形成导波。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述弹性声波的工作参数至少包括下列之一：频率、幅度、相位和注入时长。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，基于注入到所述待控位置的弹性声波强度调整弹性声波注入的时长。

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