[發(fā)明專利]一種碟形薄壁構(gòu)件的殘余應(yīng)力場(chǎng)建模方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202110474735.8
• 申請(qǐng)日: 2021-04-29
• 公開（公告）號(hào): CN113094842B
• 公開（公告）日: 2022-07-22
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 張崢;岳曉斌;孔金星;李濤;杜東興
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國(guó)工程物理研究院機(jī)械制造工藝研究所
• 主分類號(hào): G06F30/17
• 分類號(hào): G06F30/17;G06F30/20;G06F119/14
• 代理公司: 成都行之專利代理事務(wù)所(普通合伙) 51220
• 代理人: 胡曉麗

本發(fā)明公開了一種碟形薄壁構(gòu)件的殘余應(yīng)力場(chǎng)建模方法，對(duì)碟形薄壁構(gòu)件分別評(píng)估獲取宏觀尺度的材料內(nèi)應(yīng)力的空間分布σⅠ和微觀尺度的加工殘余應(yīng)力的空間分布σⅡ，將宏觀尺度的材料內(nèi)應(yīng)力的空間分布和微觀尺度的加工殘余應(yīng)力的空間分布耦合疊加建立碟形薄壁構(gòu)件耦合應(yīng)力場(chǎng)模型σ＝σⅠ+σⅡ。本發(fā)明可分別評(píng)估宏觀材料內(nèi)應(yīng)力和微觀表層殘余應(yīng)力的空間分布，用于建立碟形薄壁構(gòu)件耦合應(yīng)力場(chǎng)模型，為控制零件尺寸一致性提供了充分的數(shù)據(jù)支撐。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及機(jī)械制造技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種碟形薄壁構(gòu)件的殘余應(yīng)力場(chǎng)建模方法。

背景技術(shù)

碟形薄壁構(gòu)件是一類典型的承力結(jié)構(gòu)，特殊的中空環(huán)形設(shè)計(jì)保證了結(jié)構(gòu)變剛度特性以及載荷同心傳遞的特點(diǎn)，同時(shí)具有安裝空間小、工況適應(yīng)性強(qiáng)、長(zhǎng)使用壽命、高可靠性、易制造、易維護(hù)等顯著優(yōu)點(diǎn)，因此廣泛應(yīng)用于各類機(jī)械設(shè)備中的強(qiáng)力緩沖、減震裝置，也可作為離合器、安全閥、減壓閥等中的壓緊裝置使用。

在碟形薄壁構(gòu)件的批量制造中，尺寸偏差是影響單個(gè)零件力學(xué)性能的主要因素之一。當(dāng)零件超出設(shè)計(jì)尺寸及形位公差時(shí)，力學(xué)性能隨著幾何外形的改變而偏離設(shè)計(jì)的載荷位移曲線，導(dǎo)致單個(gè)零件力學(xué)性能不合格。當(dāng)多個(gè)零件組合使用時(shí)，需要考慮零件尺寸偏差的統(tǒng)計(jì)規(guī)律和分布取向，因?yàn)閱蝹€(gè)零件的力學(xué)性能偏差伴隨結(jié)構(gòu)并聯(lián)/串聯(lián)而放大，進(jìn)而導(dǎo)致機(jī)械裝備的整體載荷傳遞、緩沖閾值大幅度偏離設(shè)計(jì)值，嚴(yán)重影響裝備的服役性能。因此，批量制造碟形薄壁構(gòu)件時(shí)主要面臨的瓶頸是零件個(gè)體的尺寸偏差控制難題。

碟形薄壁構(gòu)件本質(zhì)上是位移約束的小行程彈簧，制造原材料通常選用60Si2MnA、50CrVA等牌號(hào)的優(yōu)級(jí)彈簧鋼。為保障零件服役過程中良好的載荷性能、緩沖行程和疲勞壽命，熱處理退火、淬火、回火以及噴丸是機(jī)械制造流程中的必要工藝，以提高基材組織穩(wěn)定性、抗應(yīng)力蠕變與載荷穩(wěn)定性。零件經(jīng)歷車削、退火、淬火、回火和噴丸等多次熱加工與冷加工流程后：一方面宏觀的材料內(nèi)應(yīng)力伴隨車削加工時(shí)材料去除、零件剛度時(shí)變而演化，內(nèi)部彈性應(yīng)變能轉(zhuǎn)化為外部形變，零件產(chǎn)生顯著的尺寸偏差；另一方面，車削與噴丸作為最終的冷加工工藝，不可避免的引入加工硬化層和表層殘余應(yīng)力，分布于零件近表層的殘余應(yīng)力具有高能量密度、非均勻分布的顯著特點(diǎn)，在結(jié)構(gòu)剛性較弱時(shí)也會(huì)影響外形，特別是1～3mm厚度以內(nèi)的碟形薄壁構(gòu)件。

綜上所述，存在兩種不同特性、不同空間分布的殘余應(yīng)力，共同影響碟形薄壁構(gòu)件的尺寸精度，具體為：1)宏觀尺度的材料內(nèi)應(yīng)力：均勻的分布于材料內(nèi)部、空間分辨率為mm量級(jí)的宏觀內(nèi)應(yīng)力，源于材料制備流程中的不均勻的熱、機(jī)械載荷，如鍛造、軋制、退火、淬火、回火等；2)微觀尺度的加工殘余應(yīng)力：分布于零件厚度有限的加工變質(zhì)層內(nèi)、空間分辨率為μm量級(jí)的微觀殘余應(yīng)力，源于零件精加工和表面處理工藝，如車削、噴丸等。兩種殘余應(yīng)力共同的作用下，碟形薄壁構(gòu)件的加工變形通常在批量生產(chǎn)中呈現(xiàn)出規(guī)律性不顯著、變形統(tǒng)計(jì)不一致的難題，對(duì)精確控制碟形零件的尺寸精度和力學(xué)性能提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

因此對(duì)于批量生產(chǎn)的碟形薄壁構(gòu)件，如何定性分離兩種殘余應(yīng)力、精確表征相應(yīng)的空間分布、定量確定兩種殘余應(yīng)力對(duì)變形的影響權(quán)重，一直是控制零件變形的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，也是當(dāng)前亟需解決的工程難題。碟形薄壁構(gòu)件的毛坯為圓柱坯料，零件為薄壁回轉(zhuǎn)體，根據(jù)構(gòu)型可分為柱面和錐面等不同結(jié)構(gòu)，毛坯與零件的結(jié)構(gòu)差異也是導(dǎo)致工程問題復(fù)雜的主要因素之一。當(dāng)前，根據(jù)公開的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與文獻(xiàn)可知，薄板、圓筒、矩形梁等結(jié)構(gòu)的材料內(nèi)應(yīng)力測(cè)量主要以剝層法、裂紋柔度法為主，測(cè)量結(jié)果均為一維曲線，低維數(shù)據(jù)對(duì)于精確三維變形分析已略顯不足。而微觀的表層殘余應(yīng)力，主要以X射線衍射和電解拋光組合測(cè)量為主，過程中主要面臨的難題是衍射峰易受到微觀組織影響，μm量級(jí)的空間分布使用電解拋光難以精確控制。因此，碟形薄壁構(gòu)件在批量制造中面臨尺寸偏差的工程難題仍需解決，宏觀材料內(nèi)應(yīng)力與微觀表層殘余應(yīng)力是影響零件變形的關(guān)鍵因素，迫切需要一種適合碟形薄壁構(gòu)件的殘余應(yīng)力場(chǎng)建模方法。

發(fā)明內(nèi)容