[發明專利]一種熱振復合殘余應力定位均化的方法

有效

• 申請號: 201310481665.4
• 申請日: 2013-10-15
• 公開（公告）號: CN103488850A
• 公開（公告）日: 2014-01-01
• 發明（設計）人: 張以都;呂田;吳瓊
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 北京慧泉知識產權代理有限公司 11232
• 代理人: 王順榮;唐愛華

技術領域

本發明涉及一種熱振復合殘余應力定位均化的方法，它是一種利用熱和振動的復合效應消除殘余應力的方法，用來實現工件殘余應力的松弛與定位均化。本發明屬于機械制造中的非傳統加工工藝和可持續制造領域。

背景技術

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的殘余應力。

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。

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，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。

振動時效通常是指通過振動工件產生動應力，當其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。與熱時效比，振動時效體現逐漸替代的趨勢，然而振動時效技術在應用的過程中，遇到以下一些困擾：

（1）工件或毛坯三維殘余應力場的獲取受限于現有檢測技術的發展，由于中子衍射設備極其昂貴稀缺，用來檢測三維殘余應力的方式難以推廣，其他檢測方法（如應變片法、盲孔法等）均難以直接實現三維檢測。而借助有限元方法進行宏觀建模仿真，得到的結果與工件實際的殘余應力分布狀態有一定的區別。因此難以獲取三維殘余應力場的問題阻礙著振動時效的應用和分析。

（2）振動時效設備在作用工件前缺少直觀的效果分析作為指導。例如，因操作者對激振頻率和振型掌握不夠深入，在選擇振動時效的工藝參數時受到經驗所限，工件關心位置殘余應力的振動時效均化效果不甚理想。

（3）振動時效的作用效果存在局限。例如，鋁合金厚板經過振動時效后殘余應力定位均化水平不能達到要求。對于這種情況，企業上選擇振動時效作為復合工藝的一部分。

有鑒于此，本發明提出一種熱振復合殘余應力定位均化的方法。

發明內容

1、目的

本發明的目的是提供一種熱振復合殘余應力定位均化的方法，以解決現有振動時效技術作用效果有限和實施應用缺少科學依據等問題，以便獲得加工變形小、服役尺寸穩定和高疲勞壽命的工件。

2、技術方案

本發明采用了如下技術方案：

研究工件材料的微觀組織，建立符合材料實際微觀結構的細觀幾何模型；

對工件的三維殘余應力場進行檢測，得到應力場分布；

實現殘余應力場與細觀幾何模型匹配，得到考慮殘余應力的細觀力學模型；

對工件進行熱時效分析，建立溫度場與殘余應力均化的關系；

對工件進行振動時效分析，選取合適的振型，使振動高動應力區與熱時效影響下高殘余應力區矢量疊加，從而獲得相應的激振頻率；

依據殘余應力與激振力產生動應力疊加大于屈服極限，并且小于疲勞極限的公式以及對位錯影響的經驗，通過計算或者仿真的方式獲得合理的激振力選擇范圍。

對熱振復合時效進行仿真，優選溫度、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。

依據上述所選工藝參數，制定工藝流程，對工件實施熱振復合時效殘余應力定位均化。

該方案的主要特征是：

熱時效主要用于殘余應力的全面均化，控制其溫度不改變工件材料的組織形態和性能；振動時效主要用于對特定的高不良應力區進行定位應力均化。

為建立考慮殘余應力的細觀力學模型，需要對工件進行連續切片，借助透射電鏡獲得材料各截面的數字圖像，分割處理后轉化為三維模型，同時通過X射線衍射設備檢測各層殘余應力。熱振復合時效仿真采用有限元方法。

綜上所述，本發明一種熱振復合殘余應力定位均化的方法，該方法具體步驟如下：

步驟一：針對特定一個工件或其毛坯進行連續切片，如圖1所示，制備樣品后借助透射電鏡獲得材料各截面的數字圖像，進行分割處理轉化為三維模型，然后在有限元軟件中建立幾何模型，從而得到基于微觀結構的細觀幾何模型；