一種冷振復合殘余應力均化的方法
【專利摘要】一種冷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，完成冷振復合時效前期測試；三、制定冷振復合殘余應力均化方法的低溫與振動實施方案，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，對工件實施低溫處理；五、對低溫處理后的時效件進行振動時效處理；六、進行冷振復合時效后期測試，評價冷振復合殘余應力均化效果。本發明利用低溫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，提高工件的使用壽命。
【專利說明】一種冷振復合殘余應力均化的方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種冷振復合殘余應力均化的方法，它是一種利用低溫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]在機械制造行業，尤其是各種高尖端裝備制造業，對于金屬工件的綜合性能要求越來越高。類似于飛機發動機機匣在加工時出現變形過大或者使用時出現裂紋破壞等問題，極大地影響了航空企業的生產效益，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。零部件出現的這些問題都與殘余應力相關，研究發現，金屬工件的各種成型方式都會產生一定程度大小的殘余應力。鑒于殘余應力對工件的強度、疲勞壽命、抗應力腐蝕性能和結構尺寸穩定性都有很大影響，在機械制造中不可忽視對殘余應力調控的工藝流程，達到將殘余應力控制在合理范圍內的目的。
[0003]目前國內企業對殘余應力的處理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。考慮對工件材料組織的影響，熱時效一般都會安排在工件精加工之前，對于工件制造完成后的殘余應力均化則需要進一步處理。
[0005]對比加熱方式， 從熱力學角度分析還可以考慮制冷方式。由于低溫可以提高某些材料的性能，部分企業采用深冷處理工藝來調整殘余應力。深冷處理是指將工件冷卻到零下特定溫度，保持溫度一段時間后再升溫，通過溫度梯度來實現殘余應力均化，根據溫度梯度作用方式不同可以分為深冷急熱法和冷熱循環法兩種。深冷處理工藝具有改善材料性能，提高工件疲勞壽命和尺寸精度穩定性的特點，同時也存在處理不當使材料變脆，對于復雜形狀工件的殘余應力均化效果有限的問題。
[0006]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】
[0007]1、目的
[0008]本發明的目的是提供一種冷振復合殘余應力均化的方法，它利用低溫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。
[0009]2、技術方案
[0010]本發明采用了如下技術方案:
[0011]分析時效件的殘余應力分布，以便獲知殘余應力整體水平；
[0012]確定評價冷振復合殘余應力均化效果的應用方式，完成冷振復合時效的前期測試；
[0013]制定冷振復合殘余應力均化方法的低溫與振動實施方案及相關工藝流程，選取低溫溫度、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；
[0014]依據上述所選工藝參數，對時效件實施冷振復合時效殘余應力均化；
[0015]進行冷振復合時效后期測試，評價冷振復合殘余應力均化效果。
[0016]該方案的主要特征是: [0017]冷振復合殘余應力均化方法施加時效件的流程是先進行低溫處理并保持一段時間，結束后待時效件溫度恢復到特定溫度時進行振動時效處理；
[0018]低溫處理借助溫度梯度主要作用于殘余應力的全面均化，同時可以實現材料性能的改善，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；
[0019]低溫溫度場的升降溫過程保持緩速；
[0020]冷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，同時相比深冷處理工藝，縮短了處理時間。
[0021]綜上所述，本發明一種冷振復合殘余應力均化的方法，該方法具體步驟如下:
[0022]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；
[0023]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，進行冷振復合時效前的殘余應力測試和尺寸形狀測定；
[0024]步驟三:分析時效件的材料和結構形狀，制定相關工藝流程，從而選取低溫溫度、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；
[0025]步驟四:在自制的制冷箱體中，根據步驟三得到的低溫溫度和工作時間等工藝參數對時效件進行低溫處理，整個過程需要控制升降溫速率保持緩速；
[0026]步驟五:根據步驟三得到的振動相關工藝參數，對步驟四處理后的時效件進行振動時效處理；
[0027]步驟六:冷振復合時效完成后，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，以便獲知冷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，制定相關工藝流程，從而選取低溫溫度、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低溫對模態參數的影響，若低溫使固有頻率改變范圍較大，則需要等待時效件恢復到室溫后進行振動時效，反之，則不必等待時效件恢復到室溫(如在特定位置表面溫度達到-20°C)就可以進行振動時效，以縮短時效時間。根據時效件材料的組織形態和性能，選取合適的低溫溫度，以便產生足夠的溫度梯度，如對于某些鋼材可以冷卻至-100°C ;根據時效件的結構形狀選取合適的低溫保溫時間，如對于壁厚只有5_的時效件，保溫不超過5分鐘；根據時效件的結構形狀特點選擇振動相關工藝參數，如圓環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“在自制的制冷箱體中，根據步驟三得到的低溫溫度和工作時間等工藝參數對時效件進行低溫處理，整個過程需要控制升降溫速率保持緩速”，其具體實現過程如下:將時效件放入自制的液氮制冷箱中，根據步驟三得到的低溫溫度等參數對低溫處理的控制器進行設置，制冷箱可以通過控制液氮的溫度、流速和流量使整個箱體空間緩慢冷卻到設定溫度，時效件隨箱冷卻，對于薄壁件可控制降溫速率在10°C /min，保持設定時間后取出。
[0030]其中，步驟五中所述的“根據步驟三得到的振動相關工藝參數，對步驟四處理后的時效件進行振動時效處理”，其具體實現過程如下:根據步驟三得到的振動相關參數搭建振動時效系統和設置控制器，如在振動臺振型的節點或者節線處進行支撐等，其方式與常規的振動時效平臺搭建類似，然后將時效件放置于振動臺振型位移較大的合適位置，對步驟一選取的特定參考位置表面進行溫度測量，在特定溫度下將時效件與振動臺裝夾，進而實施振動時效。
[0031]3、優點及效果
[0032]本發明通過低溫與振動時效的復合作用來完成殘余應力均化，實現優勢互補。低溫處理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，同時相比深冷處理工藝，冷振復合時效降低了熱作用成本，縮短處理時間。本發明為生產實踐提供新方法，為制定生廣工藝提供新 思路。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0033]圖1為本發明流程框圖【具體實施方式】
[0034]見圖1，本發明所描述的一種冷振復合殘余應力均化的方法，該方法具體步驟如下:
[0035]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；
[0036]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，進行冷振復合時效前的殘余應力測試和尺寸形狀測定；
[0037]步驟三:分析時效件的材料和結構形狀，制定相關工藝流程，從而選取低溫溫度、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；
[0038]步驟四:在自制的制冷箱體中，根據步驟三得到的低溫溫度和工作時間等工藝參數對時效件進行低溫處理，整個過程需要控制升降溫速率保持緩速；
[0039]步驟五:根據步驟三得到的振動相關工藝參數，對步驟四處理后的時效件進行振動時效處理；[0040]步驟六:冷振復合時效完成后，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，以便獲知冷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，制定相關工藝流程，從而選取低溫溫度、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低溫對模態參數的影響，若低溫使固有頻率改變范圍較大，則需要等待時效件恢復到室溫后進行振動時效，反之，則不必等待時效件恢復到室溫(如在特定位置表面溫度達到-20°C)就可以進行振動時效，以縮短時效時間。根據時效件材料的組織形態和性能，選取合適的低溫溫度，以便產生足夠的溫度梯度，如對于某些鋼材可以冷卻至-100°C ;根據時效件的結構形狀選取合適的低溫保溫時間，如對于壁厚只有5_的時效件，保溫不超過5分鐘；根據時效件的結構形狀特點選擇振動相關工藝參數，如圓環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“在自制的制冷箱體中，根據步驟三得到的低溫溫度和工作時間等工藝參數對時效件進行低溫處理，整個過程需要控制升降溫速率保持緩速”，其具體實現過程如下:將時效件放入自制的液氮制冷箱中，根據步驟三得到的低溫溫度等參數對低溫處理的控制器進行設置，制冷箱可以通過控制液氮的溫度、流速和流量使整個箱體空間緩慢冷卻到設定溫度，時效件隨箱冷卻，對于薄壁件可控制降溫速率在10°C /min，保持設定時間后取出。
[0043]其中，步驟五中所述的“根據步驟三得到的振動相關工藝參數，對步驟四處理后的時效件進行振動時效處理”，其具體實現過程如下:根據步驟三得到的振動相關參數搭建振動時效系統和設置控制器，如在振動臺振型的節點或者節線處進行支撐等，其方式與常規的振動時效平臺搭建類似，然后將時效件放置于振動臺振型位移較大的合適位置，對步驟一選取的特定參考位置表面進行溫度測量，在特定溫度下將時效件與振動臺裝夾，進而實施振動時效。
【權利要求】
1.一種冷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，進行冷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，制定相關工藝流程，從而選取低溫溫度、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:在自制的制冷箱體中，根據步驟三得到的低溫溫度和工作時間工藝參數對時效件進行低溫處理，整個過程需要控制升降溫速率保持緩速； 步驟五:根據步驟三得到的振動相關工藝參數，對步驟四處理后的時效件進行振動時效處理； 步驟六:冷振復合時效完成后，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，以便獲知冷振復合時效對時效件的作用效果。
2.根據權利要求1所述的一種冷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，制定相關工藝流程，從而選取低溫溫度、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低溫對模態參數的影響，若低溫使固有頻率改變范圍較大，則需要等待時效件恢復到室溫后進行振動時效；反之，則不必等待時效件恢復到室溫就可以進行振動時效，以縮短時效時間，如在特定位置表面溫度達到_20°C ;根據時效件材料的組織形態和性能，選取合適的低溫溫度，以便產生足夠的溫度梯度，如對于某些鋼材冷卻至-1oo°c ;根據時效件的結構形狀選取合適的低溫保溫時間，如對于壁厚只有5mm的時效件，保溫不超過5分鐘；根據時效件的結構形·狀特點選擇振動相關工藝參數，如圓環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所述的一種冷振復合殘余應力均化的方法，其特征在于:步驟四中所述的“在自制的制冷箱體中，根據步驟三得到的低溫溫度和工作時間工藝參數對時效件進行低溫處理，整個過程需要控制升降溫速率保持緩速”，其具體實現過程如下:將時效件放入自制的液氮制冷箱中，根據步驟三得到的低溫溫度參數對低溫處理的控制器進行設置，制冷箱通過控制液氮的溫度、流速和流量使整個箱體空間緩慢冷卻到設定溫度，時效件隨箱冷卻，對于薄壁件控制降溫速率在10°c /min，保持設定時間后取出。
4.根據權利要求1所述的一種冷振復合殘余應力均化的方法，其特征在于:步驟五中所述的“根據步驟三得到的振動相關工藝參數，對步驟四處理后的時效件進行振動時效處理”，其具體實現過程如下:根據步驟三得到的振動相關參數搭建振動時效系統和設置控制器，如在振動臺振型的節點或者節線處進行支撐，其方式與常規的振動時效平臺搭建類似，然后將時效件放置于振動臺振型位移較大的合適位置，對步驟一選取的特定參考位置表面進行溫度測量，在特定溫度下將時效件與振動臺裝夾，進而實施振動時效。
【文檔編號】C21D10/00GK103589855SQ201310643184
【公開日】2014年2月19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