一種熱振復合殘余應力均化的方法
【專利摘要】本發明一種熱振復合殘余應力均化的方法，該方法包括以下步驟：一、分析時效件的殘余應力分布，以獲知殘余應力整體水平；二、確定評價殘余應力均化效果的應用方式，完成熱振復合時效前期測試；三、制定熱振復合殘余應力均化方法的熱與振動實施方案，制定工藝流程，選取溫度、激振力、激振頻率、激振位置、支撐位置和工作時間等工藝參數；四、依據所選工藝參數，對工件實施熱振復合時效殘余應力均化；五、進行熱振復合時效后期測試，評價熱振復合殘余應力均化效果。本發明利用熱和振動的復合效應實現殘余應力均化，加強振動時效的效果，提高工件的使用穩定性。
【專利說明】一種熱振復合殘余應力均化的方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種熱振復合殘余應力均化的方法，它是一種利用熱時效和振動時效的復合效應實現金屬工件或者毛坯殘余應力均化的方法。本發明屬于機械制造中的產品質量控制工藝【技術領域】。
【背景技術】
[0002]隨著國民經濟的穩步發展以及科技進步的需要，以航空航天為代表的先進制造領域對產品的性能要求越來越高。然而飛機采用的大型整體薄壁結構件在機械加工過程中往往會出現加工變形超標問題，直接導致工件報廢、工期延誤等不良后果；航空發動機上一些熱端關鍵件在高溫和振動的工作條件下，也會產生較大的服役變形，直接影響零件的工作狀態和使用壽命；而航天關重件因為性能需要，成本昂貴，若因變形而報廢，則損失巨大。科研結果表明，導致這些問題的首要因素為毛坯中存在的殘余應力。
[0003]目前，企業上消除殘余應力的主要方式為熱時效和振動時效。
[0004]熱時效是指通過對工件進行加熱、保溫以及冷卻處理，使材料在溫度場的作用下將殘余應力釋放、降低和均化。熱時效實踐應用廣泛，殘余應力均化的效果明顯，然而卻存在周期長、成本高和溫度控制不當易產生二次應力的問題。
[0005]振動時效通常是指當振動工件產生的動應力與殘余應力疊加超過材料屈服極限時，材料發生微量的塑性變形，從而使材料內部的內應力得以松弛和均化。世界各國從上個世紀60年代開始對振動時效的機理和工藝進行研究，其特點體現為成本較低、周期短并且節能。同熱時效相比，振動時效呈現逐漸替代的趨勢。然而，振動時效通過振動作為能量輸入，從力學角度分析必 然受到激振力、激振頻率和激振時間等參數的影響，則在實際生產應用的過程中出現了一些困擾。例如對于鋁合金厚板經過振動時效后殘余應力均化的水平不能達到要求，原因在于特定工況下振動時效產生特定的振型，對特定區域起到顯著效果，卻難以實現理想的殘余應力全面均化，同時為了保證時效件不受到損傷，需要將激振力、激振頻率和激振時間等參數限制在合理的范圍內。
【發明內容】
[0006]1、目的
[0007]本發明的目的是提供一種熱振復合殘余應力均化的方法，它利用熱時效和振動時效的復合效應解決現有振動時效技術作用效果有限的問題，以便獲得加工變形小、服役尺寸穩定和高疲勞壽命的工件。
[0008]2、技術方案
[0009]本發明采用了如下技術方案:
[0010]分析時效件的殘余應力分布，以便獲知殘余應力的整體水平；
[0011]確定評價熱振復合殘余應力均化效果的應用方式，完成熱振復合時效的前期測試；[0012]制定熱振復合殘余應力均化方法的熱與振動實施方案及相關工藝流程，選取溫度、激振力、激振頻率、激振位置、支撐位置和工作時間等工藝參數；[0013]依據上述所選工藝參數，對時效件實施熱振復合時效殘余應力均化；[0014]進行熱振復合時效后期測試，評價熱振復合殘余應力均化效果。[0015]該方案的主要特征是:[0016]熱時效以溫度場整體施加形式作用于時效件，并與振動時效有機結合以實現熱振復合殘余應力均化；[0017]熱振復合時效的作用對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，可以擴展作用于復合材料材質等時效件。[0018]需要針對時效件的材料和結構制定匹配工藝方案，分為先熱后振或者熱振同時的兩種方案；[0019]熱時效主要作用于殘余應力的全面均化，控制其溫度不改變時效件材料的組織形態和性能；振動時效主要作用于對特定的高不良應力區進行殘余應力均化；[0020]熱時效溫度場的升降溫過程保持緩速；[0021]熱振復合時效的振動相關工藝參數選擇比常規振動時效更加合理，即拓展了振動時效的應用范圍，同時相比常規的熱時效，縮短了處理時間。[0022]綜上所述，本發明一種熱振復合殘余應力均化的方法，該方法具體步驟如下:[0023]步驟一:根據生產實踐中殘余應力測試經驗或者結合計算機數值仿真技術，分析時效件的殘余應力分布規律，并且選取時效件特定參考位置；[0024]步驟二:為了評價殘余應力均化效果，對步驟一選取的時效件特定參考位置，進行熱振復合時效前的殘余應力測試和尺寸形狀測定；[0025]步驟三:分析時效件的材料和結構形狀，確定適合時效件的先熱后振或者熱振同時的方案，并完成相關工藝流程的制定，從而選取出溫度、激振力、激振頻率、激振位置、支撐位置和工作時間等工藝參數；[0026]步驟四:在自制的熱振復合時效設備中，根據步驟三得到的工藝方案和工藝參數，將時效件安裝在振動平臺合適位置處，進而實施熱振復合時效；[0027]步驟五:熱振復合時效完成后，對步驟一選取的特定位置再次進行殘余應力測試和尺寸形狀測定，以便獲知熱振復合時效對時效件的作用效果。[0028]其中，步驟三中所述的“分析時效件的材料和結構形狀，確定適合時效件的先熱后振或者熱振同時的方案，并完成相關工藝流程的制定，從而選取出溫度、激振力、激振頻率、激振位置、支撐位置和工作時間等工藝參數”，其具體實現過程如下:由時效件的材料和結構形狀分析其模態參數，對于體積小，剛度低等特征的時效件可采用先熱后振的方案，對于體積大，剛度高等特征的時效件可采用熱振同時的方案；根據時效件材料的組織形態和性能，選取合適的熱時效溫度，如對于鋁合金時效件的作用溫度范圍為100-250°C ;根據時效件的結構形狀選取合適的熱時效工作時間和冷卻方式，如薄壁件選取保溫時間約為20分鐘，并選取隨爐冷卻方式；根據時效件的結構形狀特點選擇振動相關工藝參數，如梁類型時效件在振動臺上的裝夾位置選取，激振器在振動臺上的激振位置選取，振動臺的支撐方式選取及激振時間和激振頻率的選擇等。[0029]其中，步驟四中所述的“在自制的熱振復合時效設備中，根據步驟三得到的工藝方案和工藝參數，將時效件安裝在振動平臺合適位置處，進而實施熱振復合時效”，其具體實現過程如下:由于自制的熱振復合時效設備中其熱時效系統控制時效件的溫度作用場，不影響振動時效系統的硬件工作，因此先將振動時效系統根據步驟三得到的振動相關參數進行搭建，然后將時效件直接安裝在振動平臺合適位置處，之后完成熱時效系統的搭建。過后根據步驟三得到的熱時效溫度等參數對熱時效系統的控制器進行設置，根據步驟三得到的激振頻率等參數對振動時效系統的控制器進行設置，進而根據步驟三制定的工藝流程完成時效件的熱振復合時效實施。
[0030]3、優點及效果
[0031](1)本發明通過熱時效與振動時效的復合作用來完成殘余應力均化。熱時效的溫度因改變了時效件的材料屈服極限和剛度，微觀上增加了分子活力，則進一步強化了殘余應力振動時效的效果，使振動能量輸入可控而有效。
[0032](2)本發明完成的時效件的熱振復合殘余應力均化，是對時效件工作環境的預處理，使熱振復合殘余應力均化后的時效件更加穩定耐用。
[0033](3)本發明為生產制造提供了一種新方法，為不同金屬材料的生產工藝制定提供了新思路。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0034]圖1為本發明流程框圖【具體實施方式】
[0035]見圖1，本發明所描述的一種熱振復合殘余應力均化的方法，該方法具體步驟如下:
[0036]步驟一:根據生產實踐中殘余應力測試經驗或者結合計算機數值仿真技術，分析時效件的殘余應力分布規律，并且選取時效件特定參考位置；
[0037]步驟二:為了評價殘余應力均化效果，對步驟一選取的時效件特定參考位置，進行熱振復合時效前的殘余應力測試和尺寸形狀測定；
[0038]步驟三:分析時效件的材料和結構形狀，確定適合時效件的先熱后振或者熱振同時的方案，并完成相關工藝流程的制定，從而選取出溫度、激振力、激振頻率、激振位置、支撐位置和工作時間等工藝參數；
[0039]步驟四:在自制的熱振復合時效設備中，根據步驟三得到的工藝方案和工藝參數，將時效件安裝在振動平臺合適位置處，進而實施熱振復合時效；
[0040]步驟五:熱振復合時效完成后，對步驟一選取的特定位置再次進行殘余應力測試和尺寸形狀測定，以便獲知熱振復合時效對時效件的作用效果。
[0041]其中，步驟三中所述的“分析時效件的材料和結構形狀，確定適合時效件的先熱后振或者熱振同時的方案，并完成相關工藝流程的制定，從而選取出溫度、激振力、激振頻率、激振位置、支撐位置和工作時間等工藝參數”，其具體實現過程如下:由時效件的材料和結構形狀分析其模態參數，對于體積小，剛度低等特征的時效件可采用先熱后振的方案，對于體積大，剛度高等特征的時效件可采用熱振同時的方案；根據時效件材料的組織形態和性能，選取合適的熱時效溫度，如對于鋁合金時效件的作用溫度范圍為100-250°C ;根據時效件的結構形狀選取合適的熱時效工作時間和冷卻方式，如薄壁件選取保溫時間約為20分鐘，并選取隨爐冷卻方式；根據時效件的結構形狀特點選擇振動相關工藝參數，如梁類型時效件在振動臺上的裝夾位置選取，激振器在振動臺上的激振位置選取，振動臺的支撐方式選取及激振時間和激振頻率的選擇等。
[0042]其中，步驟四中所述的“在自制的熱振復合時效設備中，根據步驟三得到的工藝方案和工藝參數，將時效件安裝在振動平臺合適位置處，進而實施熱振復合時效”，其具體實現過程如下:由于自制的熱 振復合時效設備中其熱時效系統控制時效件的溫度作用場，不影響振動時效系統的硬件工作，因此先將振動時效系統根據步驟三得到的振動相關參數進行搭建，然后將時效件直接安裝在振動平臺合適位置處，之后完成熱時效系統的搭建。過后根據步驟三得到的熱時效溫度等參數對熱時效系統的控制器進行設置，根據步驟三得到的激振頻率等參數對振動時效系統的控制器進行設置，進而根據步驟三制定的工藝流程完成時效件的熱振復合時效實施。
【權利要求】
1.一種熱振復合殘余應力均化的方法，其特征在于:該方法具體步驟如下: 步驟一:根據生產實踐中殘余應力測試經驗及結合計算機數值仿真技術，分析時效件的殘余應力分布規律，并且選取時效件特定參考位置； 步驟二:為了評價殘余應力均化效果，對步驟一選取的時效件特定參考位置，進行熱振復合時效前的殘余應力測試和尺寸形狀測定； 步驟三:分析時效件的材料和結構形狀，確定適合時效件的先熱后振或者熱振同時的方案，并完成相關工藝流程的制定，從而選取出溫度、激振力、激振頻率、激振位置、支撐位置和工作時間工藝參數； 步驟四:在自制的熱振復合時效設備中，根據步驟三得到的工藝方案和工藝參數，將時效件安裝在振動平臺合適位置處，進而實施熱振復合時效； 步驟五:熱振復合時效完成后，對步驟一選取的特定位置再次進行殘余應力測試和尺寸形狀測定，以便獲知熱振復合時效對時效件的作用效果。
2.根據權利要求1所述的一種熱振復合殘余應力均化的方法，其特征在于:步驟三中所述的“分析時效件的材料和結構形狀，確定適合時效件的先熱后振或者熱振同時的方案，并完成相關工藝流程的制定，從而選取出溫度、激振力、激振頻率、激振位置、支撐位置和工作時間工藝參數”，其具體實現過程如下:由時效件的材料和結構形狀分析其模態參數，對于體積小，剛度低特征的時效件采用先熱后振的方案；對于體積大，剛度高特征的時效件采用熱振同時的方案；根據時效件材料的組織形態和性能，選取合適的熱時效溫度，如對于鋁合金時效件的作用溫度范圍為100-250°C ;根據時效件的結構形狀選取合適的熱時效工作時間和冷卻方式，如薄壁件選取保溫時間約為20分鐘， 并選取隨爐冷卻方式；根據時效件的結構形狀特點選擇振動相關工藝參數，如梁類型時效件在振動臺上的裝夾位置選取，激振器在振動臺上的激振位置選取，振動臺的支撐方式選取及激振時間和激振頻率的選擇。
3.根據權利要求1所述的一種熱振復合殘余應力均化的方法，其特征在于:步驟四中所述的“在自制的熱振復合時效設備中，根據步驟三得到的工藝方案和工藝參數，將時效件安裝在振動平臺合適位置處，進而實施熱振復合時效”，其具體實現過程如下:由于自制的熱振復合時效設備中其熱時效系統控制時效件的溫度作用場，不影響振動時效系統的硬件工作，因此先將振動時效系統根據步驟三得到的振動相關參數進行搭建，然后將時效件直接安裝在振動平臺合適位置處，之后完成熱時效系統的搭建；過后根據步驟三得到的熱時效溫度參數對熱時效系統的控制器進行設置，根據步驟三得到的激振頻率參數對振動時效系統的控制器進行設置，進而根據步驟三制定的工藝流程完成時效件的熱振復合時效實施。
【文檔編號】C21D10/00GK103602801SQ201310643114
【公開日】2014年2月26日 申請日期:2013年12月3日 優先權日:2013年12月3日
【發明者】張以都, 呂田 申請人:北京航空航天大學