[發(fā)明專利]一種碟形薄壁構件的殘余應力場建模方法

有效

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• 申請日: 2021-04-29
• 公開（公告）號: CN113094842B
• 公開（公告）日: 2022-07-22
• 發(fā)明（設計）人: 張崢;岳曉斌;孔金星;李濤;杜東興
• 申請（專利權）人: 中國工程物理研究院機械制造工藝研究所
• 主分類號: G06F30/17
• 分類號: G06F30/17;G06F30/20;G06F119/14
• 代理公司: 成都行之專利代理事務所(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件的殘余應力場建模方法，對碟形薄壁構件分別評估獲取宏觀尺度的材料內應力的空間分布σⅠ和微觀尺度的加工殘余應力的空間分布σⅡ，將宏觀尺度的材料內應力的空間分布和微觀尺度的加工殘余應力的空間分布耦合疊加建立碟形薄壁構件耦合應力場模型σ＝σⅠ+σⅡ。本發(fā)明可分別評估宏觀材料內應力和微觀表層殘余應力的空間分布，用于建立碟形薄壁構件耦合應力場模型，為控制零件尺寸一致性提供了充分的數(shù)據(jù)支撐。

技術領域

本發(fā)明涉及機械制造技術領域，具體涉及一種碟形薄壁構件的殘余應力場建模方法。

背景技術

碟形薄壁構件是一類典型的承力結構，特殊的中空環(huán)形設計保證了結構變剛度特性以及載荷同心傳遞的特點，同時具有安裝空間小、工況適應性強、長使用壽命、高可靠性、易制造、易維護等顯著優(yōu)點，因此廣泛應用于各類機械設備中的強力緩沖、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。

在碟形薄壁構件的批量制造中，尺寸偏差是影響單個零件力學性能的主要因素之一。當零件超出設計尺寸及形位公差時，力學性能隨著幾何外形的改變而偏離設計的載荷位移曲線，導致單個零件力學性能不合格。當多個零件組合使用時，需要考慮零件尺寸偏差的統(tǒng)計規(guī)律和分布取向，因為單個零件的力學性能偏差伴隨結構并聯(lián)/串聯(lián)而放大，進而導致機械裝備的整體載荷傳遞、緩沖閾值大幅度偏離設計值，嚴重影響裝備的服役性能。因此，批量制造碟形薄壁構件時主要面臨的瓶頸是零件個體的尺寸偏差控制難題。

碟形薄壁構件本質上是位移約束的小行程彈簧，制造原材料通常選用60Si2MnA、50CrVA等牌號的優(yōu)級彈簧鋼。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、回火以及噴丸是機械制造流程中的必要工藝，以提高基材組織穩(wěn)定性、抗應力蠕變與載荷穩(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應力伴隨車削加工時材料去除、零件剛度時變而演化，內部彈性應變能轉化為外部形變，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力，分布于零件近表層的殘余應力具有高能量密度、非均勻分布的顯著特點，在結構剛性較弱時也會影響外形，特別是1～3mm厚度以內的碟形薄壁構件。

綜上所述，存在兩種不同特性、不同空間分布的殘余應力，共同影響碟形薄壁構件的尺寸精度，具體為：1)宏觀尺度的材料內應力：均勻的分布于材料內部、空間分辨率為mm量級的宏觀內應力，源于材料制備流程中的不均勻的熱、機械載荷，如鍛造、軋制、退火、淬火、回火等；2)微觀尺度的加工殘余應力：分布于零件厚度有限的加工變質層內、空間分辨率為μm量級的微觀殘余應力，源于零件精加工和表面處理工藝，如車削、噴丸等。兩種殘余應力共同的作用下，碟形薄壁構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)計不一致的難題，對精確控制碟形零件的尺寸精度和力學性能提出了嚴峻的挑戰(zhàn)。

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

發(fā)明內容