一種熱振復(fù)合殘余應(yīng)力均化的方法
【專利摘要】本發(fā)明一種熱振復(fù)合殘余應(yīng)力均化的方法，該方法包括以下步驟：一、分析時(shí)效件的殘余應(yīng)力分布，以獲知?dú)堄鄳?yīng)力整體水平；二、確定評(píng)價(jià)殘余應(yīng)力均化效果的應(yīng)用方式，完成熱振復(fù)合時(shí)效前期測(cè)試；三、制定熱振復(fù)合殘余應(yīng)力均化方法的熱與振動(dòng)實(shí)施方案，制定工藝流程，選取溫度、激振力、激振頻率、激振位置、支撐位置和工作時(shí)間等工藝參數(shù)；四、依據(jù)所選工藝參數(shù)，對(duì)工件實(shí)施熱振復(fù)合時(shí)效殘余應(yīng)力均化；五、進(jìn)行熱振復(fù)合時(shí)效后期測(cè)試，評(píng)價(jià)熱振復(fù)合殘余應(yīng)力均化效果。本發(fā)明利用熱和振動(dòng)的復(fù)合效應(yīng)實(shí)現(xiàn)殘余應(yīng)力均化，加強(qiáng)振動(dòng)時(shí)效的效果，提高工件的使用穩(wěn)定性。
【專利說明】一種熱振復(fù)合殘余應(yīng)力均化的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種熱振復(fù)合殘余應(yīng)力均化的方法，它是一種利用熱時(shí)效和振動(dòng)時(shí)效的復(fù)合效應(yīng)實(shí)現(xiàn)金屬工件或者毛坯殘余應(yīng)力均化的方法。本發(fā)明屬于機(jī)械制造中的產(chǎn)品質(zhì)量控制工藝【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著國民經(jīng)濟(jì)的穩(wěn)步發(fā)展以及科技進(jìn)步的需要，以航空航天為代表的先進(jìn)制造領(lǐng)域?qū)Ξa(chǎn)品的性能要求越來越高。然而飛機(jī)采用的大型整體薄壁結(jié)構(gòu)件在機(jī)械加工過程中往往會(huì)出現(xiàn)加工變形超標(biāo)問題，直接導(dǎo)致工件報(bào)廢、工期延誤等不良后果；航空發(fā)動(dòng)機(jī)上一些熱端關(guān)鍵件在高溫和振動(dòng)的工作條件下，也會(huì)產(chǎn)生較大的服役變形，直接影響零件的工作狀態(tài)和使用壽命；而航天關(guān)重件因?yàn)樾阅苄枰杀景嘿F，若因變形而報(bào)廢，則損失巨大?？蒲薪Y(jié)果表明，導(dǎo)致這些問題的首要因素為毛坯中存在的殘余應(yīng)力。
[0003]目前，企業(yè)上消除殘余應(yīng)力的主要方式為熱時(shí)效和振動(dòng)時(shí)效。
[0004]熱時(shí)效是指通過對(duì)工件進(jìn)行加熱、保溫以及冷卻處理，使材料在溫度場(chǎng)的作用下將殘余應(yīng)力釋放、降低和均化。熱時(shí)效實(shí)踐應(yīng)用廣泛，殘余應(yīng)力均化的效果明顯，然而卻存在周期長、成本高和溫度控制不當(dāng)易產(chǎn)生二次應(yīng)力的問題。
[0005]振動(dòng)時(shí)效通常是指當(dāng)振動(dòng)工件產(chǎn)生的動(dòng)應(yīng)力與殘余應(yīng)力疊加超過材料屈服極限時(shí)，材料發(fā)生微量的塑性變形，從而使材料內(nèi)部的內(nèi)應(yīng)力得以松弛和均化。世界各國從上個(gè)世紀(jì)60年代開始對(duì)振動(dòng)時(shí)效的機(jī)理和工藝進(jìn)行研究，其特點(diǎn)體現(xiàn)為成本較低、周期短并且節(jié)能。同熱時(shí)效相比，振動(dòng)時(shí)效呈現(xiàn)逐漸替代的趨勢(shì)。然而，振動(dòng)時(shí)效通過振動(dòng)作為能量輸入，從力學(xué)角度分析必 然受到激振力、激振頻率和激振時(shí)間等參數(shù)的影響，則在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用的過程中出現(xiàn)了一些困擾。例如對(duì)于鋁合金厚板經(jīng)過振動(dòng)時(shí)效后殘余應(yīng)力均化的水平不能達(dá)到要求，原因在于特定工況下振動(dòng)時(shí)效產(chǎn)生特定的振型，對(duì)特定區(qū)域起到顯著效果，卻難以實(shí)現(xiàn)理想的殘余應(yīng)力全面均化，同時(shí)為了保證時(shí)效件不受到損傷，需要將激振力、激振頻率和激振時(shí)間等參數(shù)限制在合理的范圍內(nèi)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]1、目的
[0007]本發(fā)明的目的是提供一種熱振復(fù)合殘余應(yīng)力均化的方法，它利用熱時(shí)效和振動(dòng)時(shí)效的復(fù)合效應(yīng)解決現(xiàn)有振動(dòng)時(shí)效技術(shù)作用效果有限的問題，以便獲得加工變形小、服役尺寸穩(wěn)定和高疲勞壽命的工件。
[0008]2、技術(shù)方案
[0009]本發(fā)明采用了如下技術(shù)方案:
[0010]分析時(shí)效件的殘余應(yīng)力分布，以便獲知?dú)堄鄳?yīng)力的整體水平；
[0011]確定評(píng)價(jià)熱振復(fù)合殘余應(yīng)力均化效果的應(yīng)用方式，完成熱振復(fù)合時(shí)效的前期測(cè)試；[0012]制定熱振復(fù)合殘余應(yīng)力均化方法的熱與振動(dòng)實(shí)施方案及相關(guān)工藝流程，選取溫度、激振力、激振頻率、激振位置、支撐位置和工作時(shí)間等工藝參數(shù)；[0013]依據(jù)上述所選工藝參數(shù)，對(duì)時(shí)效件實(shí)施熱振復(fù)合時(shí)效殘余應(yīng)力均化；[0014]進(jìn)行熱振復(fù)合時(shí)效后期測(cè)試，評(píng)價(jià)熱振復(fù)合殘余應(yīng)力均化效果。[0015]該方案的主要特征是:[0016]熱時(shí)效以溫度場(chǎng)整體施加形式作用于時(shí)效件，并與振動(dòng)時(shí)效有機(jī)結(jié)合以實(shí)現(xiàn)熱振復(fù)合殘余應(yīng)力均化；[0017]熱振復(fù)合時(shí)效的作用對(duì)象主要是金屬材料毛坯以及不同加工成型方式(如銑削、鍛造等)的工件，但不局限于此，可以擴(kuò)展作用于復(fù)合材料材質(zhì)等時(shí)效件。[0018]需要針對(duì)時(shí)效件的材料和結(jié)構(gòu)制定匹配工藝方案，分為先熱后振或者熱振同時(shí)的兩種方案；[0019]熱時(shí)效主要作用于殘余應(yīng)力的全面均化，控制其溫度不改變時(shí)效件材料的組織形態(tài)和性能；振動(dòng)時(shí)效主要作用于對(duì)特定的高不良應(yīng)力區(qū)進(jìn)行殘余應(yīng)力均化；[0020]熱時(shí)效溫度場(chǎng)的升降溫過程保持緩速；[0021]熱振復(fù)合時(shí)效的振動(dòng)相關(guān)工藝參數(shù)選擇比常規(guī)振動(dòng)時(shí)效更加合理，即拓展了振動(dòng)時(shí)效的應(yīng)用范圍，同時(shí)相比常規(guī)的熱時(shí)效，縮短了處理時(shí)間。[0022]綜上所述，本發(fā)明一種熱振復(fù)合殘余應(yīng)力均化的方法，該方法具體步驟如下:[0023]步驟一:根據(jù)生產(chǎn)實(shí)踐中殘余應(yīng)力測(cè)試經(jīng)驗(yàn)或者結(jié)合計(jì)算機(jī)數(shù)值仿真技術(shù)，分析時(shí)效件的殘余應(yīng)力分布規(guī)律，并且選取時(shí)效件特定參考位置；[0024]步驟二:為了評(píng)價(jià)殘余應(yīng)力均化效果，對(duì)步驟一選取的時(shí)效件特定參考位置，進(jìn)行熱振復(fù)合時(shí)效前的殘余應(yīng)力測(cè)試和尺寸形狀測(cè)定；[0025]步驟三:分析時(shí)效件的材料和結(jié)構(gòu)形狀，確定適合時(shí)效件的先熱后振或者熱振同時(shí)的方案，并完成相關(guān)工藝流程的制定，從而選取出溫度、激振力、激振頻率、激振位置、支撐位置和工作時(shí)間等工藝參數(shù)；[0026]步驟四:在自制的熱振復(fù)合時(shí)效設(shè)備中，根據(jù)步驟三得到的工藝方案和工藝參數(shù)，將時(shí)效件安裝在振動(dòng)平臺(tái)合適位置處，進(jìn)而實(shí)施熱振復(fù)合時(shí)效；[0027]步驟五:熱振復(fù)合時(shí)效完成后，對(duì)步驟一選取的特定位置再次進(jìn)行殘余應(yīng)力測(cè)試和尺寸形狀測(cè)定，以便獲知熱振復(fù)合時(shí)效對(duì)時(shí)效件的作用效果。[0028]其中，步驟三中所述的“分析時(shí)效件的材料和結(jié)構(gòu)形狀，確定適合時(shí)效件的先熱后振或者熱振同時(shí)的方案，并完成相關(guān)工藝流程的制定，從而選取出溫度、激振力、激振頻率、激振位置、支撐位置和工作時(shí)間等工藝參數(shù)”，其具體實(shí)現(xiàn)過程如下:由時(shí)效件的材料和結(jié)構(gòu)形狀分析其模態(tài)參數(shù)，對(duì)于體積小，剛度低等特征的時(shí)效件可采用先熱后振的方案，對(duì)于體積大，剛度高等特征的時(shí)效件可采用熱振同時(shí)的方案；根據(jù)時(shí)效件材料的組織形態(tài)和性能，選取合適的熱時(shí)效溫度，如對(duì)于鋁合金時(shí)效件的作用溫度范圍為100-250°C ;根據(jù)時(shí)效件的結(jié)構(gòu)形狀選取合適的熱時(shí)效工作時(shí)間和冷卻方式，如薄壁件選取保溫時(shí)間約為20分鐘，并選取隨爐冷卻方式；根據(jù)時(shí)效件的結(jié)構(gòu)形狀特點(diǎn)選擇振動(dòng)相關(guān)工藝參數(shù)，如梁類型時(shí)效件在振動(dòng)臺(tái)上的裝夾位置選取，激振器在振動(dòng)臺(tái)上的激振位置選取，振動(dòng)臺(tái)的支撐方式選取及激振時(shí)間和激振頻率的選擇等。[0029]其中，步驟四中所述的“在自制的熱振復(fù)合時(shí)效設(shè)備中，根據(jù)步驟三得到的工藝方案和工藝參數(shù)，將時(shí)效件安裝在振動(dòng)平臺(tái)合適位置處，進(jìn)而實(shí)施熱振復(fù)合時(shí)效”，其具體實(shí)現(xiàn)過程如下:由于自制的熱振復(fù)合時(shí)效設(shè)備中其熱時(shí)效系統(tǒng)控制時(shí)效件的溫度作用場(chǎng)，不影響振動(dòng)時(shí)效系統(tǒng)的硬件工作，因此先將振動(dòng)時(shí)效系統(tǒng)根據(jù)步驟三得到的振動(dòng)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行搭建，然后將時(shí)效件直接安裝在振動(dòng)平臺(tái)合適位置處，之后完成熱時(shí)效系統(tǒng)的搭建。過后根據(jù)步驟三得到的熱時(shí)效溫度等參數(shù)對(duì)熱時(shí)效系統(tǒng)的控制器進(jìn)行設(shè)置，根據(jù)步驟三得到的激振頻率等參數(shù)對(duì)振動(dòng)時(shí)效系統(tǒng)的控制器進(jìn)行設(shè)置，進(jìn)而根據(jù)步驟三制定的工藝流程完成時(shí)效件的熱振復(fù)合時(shí)效實(shí)施。
[0030]3、優(yōu)點(diǎn)及效果
[0031](1)本發(fā)明通過熱時(shí)效與振動(dòng)時(shí)效的復(fù)合作用來完成殘余應(yīng)力均化。熱時(shí)效的溫度因改變了時(shí)效件的材料屈服極限和剛度，微觀上增加了分子活力，則進(jìn)一步強(qiáng)化了殘余應(yīng)力振動(dòng)時(shí)效的效果，使振動(dòng)能量輸入可控而有效。
[0032](2)本發(fā)明完成的時(shí)效件的熱振復(fù)合殘余應(yīng)力均化，是對(duì)時(shí)效件工作環(huán)境的預(yù)處理，使熱振復(fù)合殘余應(yīng)力均化后的時(shí)效件更加穩(wěn)定耐用。
[0033](3)本發(fā)明為生產(chǎn)制造提供了一種新方法，為不同金屬材料的生產(chǎn)工藝制定提供了新思路。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0034]圖1為本發(fā)明流程框圖【具體實(shí)施方式】
[0035]見圖1，本發(fā)明所描述的一種熱振復(fù)合殘余應(yīng)力均化的方法，該方法具體步驟如下:
[0036]步驟一:根據(jù)生產(chǎn)實(shí)踐中殘余應(yīng)力測(cè)試經(jīng)驗(yàn)或者結(jié)合計(jì)算機(jī)數(shù)值仿真技術(shù)，分析時(shí)效件的殘余應(yīng)力分布規(guī)律，并且選取時(shí)效件特定參考位置；
[0037]步驟二:為了評(píng)價(jià)殘余應(yīng)力均化效果，對(duì)步驟一選取的時(shí)效件特定參考位置，進(jìn)行熱振復(fù)合時(shí)效前的殘余應(yīng)力測(cè)試和尺寸形狀測(cè)定；
[0038]步驟三:分析時(shí)效件的材料和結(jié)構(gòu)形狀，確定適合時(shí)效件的先熱后振或者熱振同時(shí)的方案，并完成相關(guān)工藝流程的制定，從而選取出溫度、激振力、激振頻率、激振位置、支撐位置和工作時(shí)間等工藝參數(shù)；
[0039]步驟四:在自制的熱振復(fù)合時(shí)效設(shè)備中，根據(jù)步驟三得到的工藝方案和工藝參數(shù)，將時(shí)效件安裝在振動(dòng)平臺(tái)合適位置處，進(jìn)而實(shí)施熱振復(fù)合時(shí)效；
[0040]步驟五:熱振復(fù)合時(shí)效完成后，對(duì)步驟一選取的特定位置再次進(jìn)行殘余應(yīng)力測(cè)試和尺寸形狀測(cè)定，以便獲知熱振復(fù)合時(shí)效對(duì)時(shí)效件的作用效果。
[0041]其中，步驟三中所述的“分析時(shí)效件的材料和結(jié)構(gòu)形狀，確定適合時(shí)效件的先熱后振或者熱振同時(shí)的方案，并完成相關(guān)工藝流程的制定，從而選取出溫度、激振力、激振頻率、激振位置、支撐位置和工作時(shí)間等工藝參數(shù)”，其具體實(shí)現(xiàn)過程如下:由時(shí)效件的材料和結(jié)構(gòu)形狀分析其模態(tài)參數(shù)，對(duì)于體積小，剛度低等特征的時(shí)效件可采用先熱后振的方案，對(duì)于體積大，剛度高等特征的時(shí)效件可采用熱振同時(shí)的方案；根據(jù)時(shí)效件材料的組織形態(tài)和性能，選取合適的熱時(shí)效溫度，如對(duì)于鋁合金時(shí)效件的作用溫度范圍為100-250°C ;根據(jù)時(shí)效件的結(jié)構(gòu)形狀選取合適的熱時(shí)效工作時(shí)間和冷卻方式，如薄壁件選取保溫時(shí)間約為20分鐘，并選取隨爐冷卻方式；根據(jù)時(shí)效件的結(jié)構(gòu)形狀特點(diǎn)選擇振動(dòng)相關(guān)工藝參數(shù)，如梁類型時(shí)效件在振動(dòng)臺(tái)上的裝夾位置選取，激振器在振動(dòng)臺(tái)上的激振位置選取，振動(dòng)臺(tái)的支撐方式選取及激振時(shí)間和激振頻率的選擇等。
[0042]其中，步驟四中所述的“在自制的熱振復(fù)合時(shí)效設(shè)備中，根據(jù)步驟三得到的工藝方案和工藝參數(shù)，將時(shí)效件安裝在振動(dòng)平臺(tái)合適位置處，進(jìn)而實(shí)施熱振復(fù)合時(shí)效”，其具體實(shí)現(xiàn)過程如下:由于自制的熱 振復(fù)合時(shí)效設(shè)備中其熱時(shí)效系統(tǒng)控制時(shí)效件的溫度作用場(chǎng)，不影響振動(dòng)時(shí)效系統(tǒng)的硬件工作，因此先將振動(dòng)時(shí)效系統(tǒng)根據(jù)步驟三得到的振動(dòng)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行搭建，然后將時(shí)效件直接安裝在振動(dòng)平臺(tái)合適位置處，之后完成熱時(shí)效系統(tǒng)的搭建。過后根據(jù)步驟三得到的熱時(shí)效溫度等參數(shù)對(duì)熱時(shí)效系統(tǒng)的控制器進(jìn)行設(shè)置，根據(jù)步驟三得到的激振頻率等參數(shù)對(duì)振動(dòng)時(shí)效系統(tǒng)的控制器進(jìn)行設(shè)置，進(jìn)而根據(jù)步驟三制定的工藝流程完成時(shí)效件的熱振復(fù)合時(shí)效實(shí)施。
【權(quán)利要求】
1.一種熱振復(fù)合殘余應(yīng)力均化的方法，其特征在于:該方法具體步驟如下: 步驟一:根據(jù)生產(chǎn)實(shí)踐中殘余應(yīng)力測(cè)試經(jīng)驗(yàn)及結(jié)合計(jì)算機(jī)數(shù)值仿真技術(shù)，分析時(shí)效件的殘余應(yīng)力分布規(guī)律，并且選取時(shí)效件特定參考位置； 步驟二:為了評(píng)價(jià)殘余應(yīng)力均化效果，對(duì)步驟一選取的時(shí)效件特定參考位置，進(jìn)行熱振復(fù)合時(shí)效前的殘余應(yīng)力測(cè)試和尺寸形狀測(cè)定； 步驟三:分析時(shí)效件的材料和結(jié)構(gòu)形狀，確定適合時(shí)效件的先熱后振或者熱振同時(shí)的方案，并完成相關(guān)工藝流程的制定，從而選取出溫度、激振力、激振頻率、激振位置、支撐位置和工作時(shí)間工藝參數(shù)； 步驟四:在自制的熱振復(fù)合時(shí)效設(shè)備中，根據(jù)步驟三得到的工藝方案和工藝參數(shù)，將時(shí)效件安裝在振動(dòng)平臺(tái)合適位置處，進(jìn)而實(shí)施熱振復(fù)合時(shí)效； 步驟五:熱振復(fù)合時(shí)效完成后，對(duì)步驟一選取的特定位置再次進(jìn)行殘余應(yīng)力測(cè)試和尺寸形狀測(cè)定，以便獲知熱振復(fù)合時(shí)效對(duì)時(shí)效件的作用效果。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種熱振復(fù)合殘余應(yīng)力均化的方法，其特征在于:步驟三中所述的“分析時(shí)效件的材料和結(jié)構(gòu)形狀，確定適合時(shí)效件的先熱后振或者熱振同時(shí)的方案，并完成相關(guān)工藝流程的制定，從而選取出溫度、激振力、激振頻率、激振位置、支撐位置和工作時(shí)間工藝參數(shù)”，其具體實(shí)現(xiàn)過程如下:由時(shí)效件的材料和結(jié)構(gòu)形狀分析其模態(tài)參數(shù)，對(duì)于體積小，剛度低特征的時(shí)效件采用先熱后振的方案；對(duì)于體積大，剛度高特征的時(shí)效件采用熱振同時(shí)的方案；根據(jù)時(shí)效件材料的組織形態(tài)和性能，選取合適的熱時(shí)效溫度，如對(duì)于鋁合金時(shí)效件的作用溫度范圍為100-250°C ;根據(jù)時(shí)效件的結(jié)構(gòu)形狀選取合適的熱時(shí)效工作時(shí)間和冷卻方式，如薄壁件選取保溫時(shí)間約為20分鐘， 并選取隨爐冷卻方式；根據(jù)時(shí)效件的結(jié)構(gòu)形狀特點(diǎn)選擇振動(dòng)相關(guān)工藝參數(shù)，如梁類型時(shí)效件在振動(dòng)臺(tái)上的裝夾位置選取，激振器在振動(dòng)臺(tái)上的激振位置選取，振動(dòng)臺(tái)的支撐方式選取及激振時(shí)間和激振頻率的選擇。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種熱振復(fù)合殘余應(yīng)力均化的方法，其特征在于:步驟四中所述的“在自制的熱振復(fù)合時(shí)效設(shè)備中，根據(jù)步驟三得到的工藝方案和工藝參數(shù)，將時(shí)效件安裝在振動(dòng)平臺(tái)合適位置處，進(jìn)而實(shí)施熱振復(fù)合時(shí)效”，其具體實(shí)現(xiàn)過程如下:由于自制的熱振復(fù)合時(shí)效設(shè)備中其熱時(shí)效系統(tǒng)控制時(shí)效件的溫度作用場(chǎng)，不影響振動(dòng)時(shí)效系統(tǒng)的硬件工作，因此先將振動(dòng)時(shí)效系統(tǒng)根據(jù)步驟三得到的振動(dòng)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行搭建，然后將時(shí)效件直接安裝在振動(dòng)平臺(tái)合適位置處，之后完成熱時(shí)效系統(tǒng)的搭建；過后根據(jù)步驟三得到的熱時(shí)效溫度參數(shù)對(duì)熱時(shí)效系統(tǒng)的控制器進(jìn)行設(shè)置，根據(jù)步驟三得到的激振頻率參數(shù)對(duì)振動(dòng)時(shí)效系統(tǒng)的控制器進(jìn)行設(shè)置，進(jìn)而根據(jù)步驟三制定的工藝流程完成時(shí)效件的熱振復(fù)合時(shí)效實(shí)施。
【文檔編號(hào)】C21D10/00GK103602801SQ201310643114
【公開日】2014年2月26日 申請(qǐng)日期:2013年12月3日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月3日
【發(fā)明者】張以都, 呂田 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)