CN113215505B - 环状异形锻件残余应力消除方法 - Google Patents

环状异形锻件残余应力消除方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种环状异形锻件残余应力消除方法，利用上下两个冷压模具彼此配合，对环状异形锻件的上下两端同时胀形，使环状异形锻件在径向上产生小的塑性变形，使外加应力与锻件的原始淬火残余应力相互叠加，在保证变形后锻件尺寸满足设计要求的前提下，实现残余应力的消减。该方法不仅能够对残余应力进行有效消除，而且操作难度小，成本低廉。

Description

环状异形锻件残余应力消除方法
技术领域
本发明属于材料加工技术领域，尤其涉及一种环状异形锻件残余应力消除方法。
背景技术
随着我国航空、轨道交通等工业的快速发展，结构件的损伤容限和耐久准则逐步形成，铝合金锻件向着高强韧、抗疲劳、耐腐蚀、低成本、多功能等相仿全面发展，更好的满足运载工具功能设计、生产制造领域的多方面要求。
为了获得高强高韧性，超高强度铝合金锻件必须进行固溶淬火处理。淬火冷却期间工件表面和芯部存在着极大的温度梯度，这将在淬火后结构件中诱发极大的淬火残余应力。最终的残余应力大小和分布是工件温度梯度和几何特征共同作用下的结果，且通常表现为“外压内拉”的应力分布状态。研究表明，高强铝合金锻件由于淬火产生的表层应力将会大于200MPa。此外，高端装备产业对零件的形位精度具有极高要求，但由于其尺寸较大、材料去除率高、刚度弱，较大的残余应力将导致零件在机加工过程中产生严重的弯曲、翘曲等加工变形，增加了后续工件校形的成本，甚至导致工件报废。因此，为降低铝合金锻件制造成本、提高加工质量及效率，对淬火残余应力尽可能的消减是后续加工变形控制的关键因素。
目前，针对等径的标准环状锻件可以利用胀形机胀形消除残余应力，但是对于内孔两端带有斜度的环状异形锻件（环状异形锻件是指内孔的两端带有拔模锥角的环状锻件），用胀形机胀形需要配备专用工装，消减成本高，且内孔有斜度，难以实施。
因此，如何提供一种环状异形锻件残余应力消除方法，不仅能够对残余应力进行有效消除，而且操作难度小，成本低廉是本领域技术人员亟需解决的技术问题。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种环状异形锻件残余应力消除方法，不仅能够对残余应力进行有效消除，而且操作难度小，成本低廉。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种环状异形锻件残余应力消除方法，利用上下两个冷压模具彼此配合，对环状异形锻件的上下两端同时胀形，使环状异形锻件在径向上产生小的塑性变形，使外加应力与锻件的原始淬火残余应力相互叠加，在保证变形后锻件尺寸满足设计要求的前提下，实现残余应力的消减；
其中，环状异形锻件是指内孔的两端带有拔模锥角的环状锻件。
具体包括如下步骤：
步骤一：基于所设计的锻件尺寸对部分尺寸进行优化，包括锻件的内外径、内孔锥面的拔模斜度、内孔铣削量；
步骤二：基于优化后的锻件尺寸设计冷压模具尺寸，包括模具的高度、锥面斜角和直径；
步骤三：对含有残余应力的环状异形锻件进行冷压胀形处理。
具体的，锻件优化后的内径D1为（0.97-0.975）D10，锻件优化后的外径D2为（0.98-0.985）D20，其中D10和D20分别为优化前的内径和外径。
具体的，锻件优化后内孔锥面的拔模斜度θD为5°-11°。
具体的，锻件锻造成型后，通过铣削加工或车削加工将内孔的中部加工成平整、垂直的圆柱面，加工后垂直面与剩下的拔模斜面的高度比H1∶(H2+H3)为2∶3;
其中：H1为圆柱面的高度；H2为圆柱面上端的拔模斜面的高度；H3为圆柱面下端的拔模斜面的高度。
具体的，冷压模具的锥面斜角θM=θD-（0.5°~1.0°）；每个冷压模具的高度HM=（0.65~0.70）HF，其中HF为锻件高度，冷压模具的小端直径DMmin小于环状异形锻件的最大内径D1max，冷压胀形前上下冷压模具之间的端面距离H1为20~50mm。
具体的，冷压胀形时下模保持静止，通过对上模压下实现胀形，确保胀形前后环状异形锻件的内孔最小直径的变形量ΔD1min为2.0%~2.5%。
具体的，上模的压下量由如下公式计算：
Figure 222938DEST_PATH_IMAGE001
。
具体的，所述环状异形锻件为铝合金锻件。
具体的，对固溶淬火后的铝合金锻件进行冷压胀形处理，冷压胀形完成后进行时效处理。
原理与优势：
本发明通过上下两个冷压模使环状异形锻件在径向上产生较小的塑性变形，使外加应力与锻件的原始淬火残余应力相互叠加，从而达到消减残余应力的目的，仅仅通过两个上下配合的冷压模即可实现环状异形锻件残余应力的消除，操作难度小，成本低廉。此外，上下两个冷压模具彼此配合，对环状异形铝合金锻件的上下两端同时胀形，能显著改善因堆料问题导致的锻件胀形量在高度上的不对称性。
本发明基于环状异形铝合金锻件的几何特征，对传统胀形工艺进行了适当的调整与优化，并提出了一种新的双向压下胀形工艺，此工艺为消减环状异形铝合金锻件的残余应力提供了新方向。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例涉及的锻件尺寸设计图；
图2是本发明实施例涉及的锻件内孔铣平后示意图；
图3是本发明实施例涉及的冷压胀形前的模具装配；
图4是本发明实施例涉及的冷压胀形后的工艺示意图；
图5是对比例1涉及的环形异形锻件1尺寸图；
图6是实施例2涉及的环形件异形锻件2尺寸（优化后）及冷压模尺寸图；
图7是实施例3涉及的环形件异形锻件3尺寸图（优化后）及冷压模尺寸图。
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作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。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
一种环状异形锻件残余应力消除方法，利用上下两个冷压模具彼此配合，对环状异形锻件的上下两端同时胀形，使环状异形锻件在径向上产生小的塑性变形，使外加应力与锻件的原始淬火残余应力相互叠加，在保证变形后锻件尺寸满足设计要求的前提下，实现残余应力的消减。
为解决环状异形锻件（内孔的两端带有拔模锥角的环状锻件）残余应力消除的问题，发明人进行了大量研究，发明人首先想到的是利用顶部凸模的单向压下实现胀形，来消除环状异形锻件的残余应力。然而发明人研究发现，胀形过程中，环形锻件的内孔处将产生堆料的问题，且随着压下量的增大，堆积的金属也随之增多，这导致胀形量在高度上产生极大的不对称性。因此利用该胀形工艺消减环状异形铝合金锻件的淬火残余应力时势必会出现应力消减不均匀的现象。此外，胀形工艺时，环形锻件底面与模具的摩擦作用极大限制了底面金属的流动，导致底面金属的变形不足，进而限制了残余应力的消减效果。
本发明正是发明人基于环状异形铝合金锻件的几何特征，对上述胀形工艺进行了适当的调整与优化，提出的一种新的双向压下胀形工艺，以此工艺达到消减环状异形铝合金锻件的残余应力的目的。
上述环状异形锻件残余应力消除方法具体包括如下步骤：
步骤一：依照传统方法基于零件尺寸和给定单边余量设计锻件尺寸；
步骤二：基于胀形要求对锻件局部尺寸进行优化，得到优化后的锻件，局部优化尺寸，包括锻件的内外径、内孔锥面的拔模斜度、内孔铣削量；
步骤三：基于优化后的锻件尺寸设计冷压模具尺寸，包括模具的高度、锥面斜角和直径；
步骤四：对含有残余应力的环状异形锻件进行冷压胀形处理。
需要解释的是，发明人研究发现，锻件优化后的内径D1控制在（0.97~0.975）D10，锻件优化后的外径D2控制在（0.98~0.985）D20比较合适，其中D10和D20分别为优化前的内径和外径，如图1所示。这样设计的主要原因在于冷压胀形后，锻件的内外径将略微增大，故尺寸设计时内外径应比传统设计方案更小，从而使的冷压胀形后，锻件径向尺寸符合设计要求。此外，根据体积不变原则，冷压胀形后内径的胀形量将大于外径，故尺寸设计时内径的缩小量比外径更大。
发明人进一步研究发现，锻件优化后内孔锥面的拔模斜度θD控制在5°~11°比较合适，如图1所示，这是因为当拔模斜度小于上述范围的低值时，冷压模具难以使锻件在径向上产生足够的塑性变形，从而降低残余应力的消减效果。当拔模斜度大于上述范围的高值时，内孔处金属在冷压模具的作用下将更倾向于沿高度方向流动而非径向，导致大量金属在上下模具之间发生塞积。
参见图2，可以理解的是，在实际设计中，锻件锻造成型后，可以通过铣削加工或车削加工将内孔的拔模斜面加工成平整、垂直的圆柱面，锻件内孔铣削或车削加工后内孔的垂直面与剩下的拔模斜面的高度比H1∶(H2+H3)为2∶3，其中：H1为圆柱面的高度；H2为圆柱面上端的拔模斜面的高度；H3为圆柱面下端的拔模斜面的高度。这样设计的主要原因在于内孔处部分金属将在冷压模具的作用下沿锻件的高度方向流动，导致随着压下量的增大上下模具之间金属逐渐塞积，因此可以在锻件成型后将部分拔模斜面加工成垂直面。
如图3和图4所示，冷压模具的锥面斜角θM=θD-（0.5°~1.0°）；每个冷压模具的高度HM=（0.65~0.70）HF，其中HF为锻件高度；模具直径的设计原则应满足以下两条①小端直径DMmin应小于环状异形锻件的最大内径D1max，便于冷压胀形前模具能够得到良好的固定，②冷压胀形前上下模具之间的端面距离H1为20~50mm，这样设计的主要原因是为上模压下时留有足够的安全行程余量，防止上下模接触。
冷压胀形时下模保持静止，通过对上模压下实现胀形，确保胀形前后环状异形锻件的内孔最小直径的变形量ΔD1min为2.0%~2.5%，上模的压下量如下公式计算：
Figure 248663DEST_PATH_IMAGE001
。
本发明通过上下两个冷压模使环状异形锻件在径向上产生较小的塑性变形，使外加应力与锻件的原始淬火残余应力相互叠加，从而达到消减残余应力的目的，仅仅通过两个上下配合的冷压模即可实现环状异形锻件残余应力的消除，操作难度小，成本低廉。此外，上下两个冷压模具彼此配合，对环状异形铝合金锻件的上下两端同时胀形，能显著改善因堆料问题导致的锻件胀形量在高度上的不对称性。
具体的，环状异形锻件为铝合金锻件，对固溶淬火后的铝合金锻件进行冷压胀形处理，冷压胀形完成后进行时效处理。本发明为减小残余应力，首先设计了锻件尺寸和冷压模具尺寸，然后在传统的固溶淬火工艺和时效处理工艺之间增设了一道冷压胀形工艺。通过“固溶淬火+冷压胀形+时效处理”的复合工艺，可将环状异形铝合金锻件的残余应力降低70%以上，特别适用于形状复杂、对加工工艺稳定性要求高的环状异形铝合金锻件。需要说明的是，上述方法也可以应用于其他合金材料的应力消除，在此不再赘述。
以下将结合具体的实例对本发明作进一步说明。
对比例1
利用传统锻造工艺成型如图5所示环状异形铝合金锻件。锻件经480℃固溶数小时后直接淬火，淬火水温为60℃。将淬火锻件直接进行T6时效后，利用钻孔法测量其顶面和底面的残余应力，测得其Mises等效应力普遍在240MPa~290MPa，应力状态为压应力。
实施例1
对图5所示锻件进行尺寸优化并在固溶与时效工艺间进行冷压胀形处理。其工艺参数为：锻件优化后的内径D1为428mm，锻件优化后的外径D2为687mm，内孔锥面拔模斜度θD为7°，内孔铣平后的D1min为446mm；冷压模具锥面斜角θM为6°，高度HM为95mm，小端直径DMmin为456mm；冷压胀形时上模的压下量为110mm，锻件内孔最小直径的变形量ΔD1min为2.5%D1min=11.5mm。利用小孔法测量其固溶处理+冷压胀形+时效后上下两面的残余应力，Mises等效应力为58Mpa-91MPa，残余应力的平均消减效果为72%。
实施例2
对图6所示锻件和模具进行“固溶处理+冷压胀形+时效处理”工艺，其中上模压下量为22mm，变形量ΔD1min为2.3%D1min=2.5mm。利用X射线衍射法测量其冷压胀形前后的淬火入水面和侧面的残余应力，结果如表1所示。从表中可知，冷压胀形对残余应力的平均消减效果为70%。
表1 锻件1的1∶4缩比件残余应力测试结果
Figure DEST_PATH_IMAGE002
实施例3
对图7所示锻件和模具进行“固溶处理+冷压胀形+时效处理”工艺，其中上模压下量为170mm，变形量ΔD1min为2.3%。利用小孔法测量其顶面和底面的残余应力，得Mises等效应力为60MPa~102MPa。
上述本发明所公开的任一技术方案除另有声明外，如果其公开了数值范围，那么公开的数值范围均为优选的数值范围，任何本领域的技术人员应该理解：优选的数值范围仅仅是诸多可实施的数值中技术效果比较明显或具有代表性的数值。由于数值较多，无法穷举，所以本发明才公开部分数值以举例说明本发明的技术方案，并且，上述列举的数值不应构成对本发明创造保护范围的限制。
同时，上述本发明如果公开或涉及了互相固定连接的零部件或结构件，那么，除另有声明外，固定连接可以理解为：能够拆卸地固定连接(例如使用螺栓或螺钉连接)，也可以理解为：不可拆卸的固定连接(例如铆接、焊接)，当然，互相固定连接也可以为一体式结构(例如使用铸造工艺一体成形制造出来)所取代(明显无法采用一体成形工艺除外)。
另外，上述本发明公开的任一技术方案中所应用的用于表示位置关系或形状的术语除另有声明外其含义包括与其近似、类似或接近的状态或形状。本发明提供的任一部件既可以是由多个单独的组成部分组装而成，也可以为一体成形工艺制造出来的单独部件。
上述实施例仅仅是清楚地说明本发明所作的举例，而非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里也无需也无法对所有的实施例予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims (6)

1.环状异形锻件残余应力消除方法，其特征在于：利用上下两个冷压模具彼此配合，对环状异形锻件的上下两端同时胀形，使环状异形锻件在径向上产生小的塑性变形，使外加应力与锻件的原始淬火残余应力相互叠加，在保证变形后锻件尺寸满足设计要求的前提下，实现残余应力的消减；其中，环状异形锻件是指内孔的两端带有拔模锥角的环状锻件；
具体包括如下步骤：
步骤一：基于所设计的锻件尺寸对部分尺寸进行优化，包括锻件的内外径、内孔锥面的拔模斜度、内孔铣削量；
步骤二：基于优化后的锻件尺寸设计冷压模具尺寸，包括模具的高度、锥面斜角和直径；
步骤三：对含有残余应力的环状异形锻件进行冷压胀形处理；
锻件优化后的内径D1为（0.97-0.975）D10，锻件优化后的外径D2为（0.98-0.985）D20，其中D10和D20分别为优化前的内径和外径；
锻件锻造成型后，通过铣削加工或车削加工将内孔的中部加工成平整、垂直的圆柱面，加工后垂直面与剩下的拔模斜面的高度比H1∶(H2+H3)为2∶3；
其中：H1为圆柱面的高度；H2为圆柱面上端的拔模斜面的高度；H3为圆柱面下端的拔模斜面的高度；
冷压模具的锥面斜角θM=θD-（0.5°~1.0°）；每个冷压模具的高度HM=（0.65~0.70）HF，其中HF为锻件高度，θD为锻件优化后内孔锥面的拔模斜度，冷压模具的小端直径DMmin小于环状异形锻件的最大内径D1max，冷压胀形前上下冷压模具之间的端面距离H1为20~50mm。
2.根据权利要求1所述的环状异形锻件残余应力消除方法,其特征在于：锻件优化后内孔锥面的拔模斜度θD为5°-11°。
3.根据权利要求1所述的环状异形锻件残余应力消除方法,其特征在于：冷压胀形时下模保持静止，通过对上模压下实现胀形，确保胀形前后环状异形锻件的内孔最小直径的变形量ΔD1min为2.0%~2.5%。
4.根据权利要求3所述的环状异形锻件残余应力消除方法,其特征在于：上模的压下量由如下公式计算：
Figure 651577DEST_PATH_IMAGE001
。
5.根据权利要求1-4任一项所述的环状异形锻件残余应力消除方法，其特征在于：所述环状异形锻件为铝合金锻件。
6.根据权利要求5所述的环状异形锻件残余应力消除方法，其特征在于：对固溶淬火后的铝合金锻件进行冷压胀形处理，冷压胀形完成后进行时效处理。
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