专利名称：一种残余应力振动定位均化方法
技术领域：
本发明涉及一种利用振动定位消除残余应力的方法，尤其是涉及到一种残余应力 振动定位均化方法，属于机械制造中的振动时效技术领域。
背景技术：
在机械制造领域，金属工件经过铸造、锻造、轧制、切削等机械加工后，在金属内部 通常会因为不均勻的塑型变形而产生残余应力，该残余应力的存在会导致金属工件尺寸变 化，降低工件尺寸精度，因此，在生产过程中必须增加消除金属工件内残余应力的工艺环 节。常用消除残余应力方法包括自然时效、热时效和振动时效。其中，自然时效占用场地 大，周期长，不适应大批量生产模式；热时效投资大、耗能高、污染环境且温度难以控制易产 生二次应力；振动时效是在工件的共振频率进行振动处理，使工件获得动应力，当动应力与 残余应力叠加超过材料屈服极限时，工件产生少量塑性变形，残余应力得到松弛和均化，从 而使尺寸精度稳定的一种方法，其具有投资少、效果好、生产周期短、便于携带、对工件形状 没有限制、节能环保等优点，近年来呈现逐渐替代前两种时效方法的趋势。尽管振动时效已经在机械制造领域得到了广泛应用，但传统的振动消除应力技术 经过几十年的发展，时效效果不稳定，判断方法不被用户信服等缺点已经暴露出来，具体体 现以下几点(1)在振动时效实践中，由于受现有残余应力检测技术(盲孔法、磁测法、X衍射法 等)发展的限制，人们无法获得时效件三维初始残余应力分布，且检测费用高、耗时长，不 宜作为生产现场检测手段使用。而时效件的初始残余应力分布状况未知，则需降低和均化 应力的部位无法确定，振动工艺参数(支撑点、激振点、激振频率、激振力、激振时间)的选 取就无的放矢，实施振动时效操作存在极大盲目性。现有振动时效在实施前完全不考虑工 件初始残余应力分布以及工件各阶振动模态的动应力分布，而仅以若干不同共振频率或谐 波频率进行激振，激振力与激振时间的选取也是因人而异，缺乏科学依据，因此，难以有效 地全方位或定位降低和均化工件内残余应力水平；(2)振动消除时效件残余应力工艺参数的选择完全依靠对工件进行重复振动试 验，试验周期长、成本高。工件的形状、尺寸、加工工艺的任一改变，确定时效工艺参数的试 验就将重新进行，因此，严重阻碍了振动时效技术这种高效节能技术的推广应用；(3)由于缺乏经济、实时、便捷的定量判据，不同振动工艺参数下时效效果到底如 何，对工件产生多大的疲劳损伤我们无法预知，而事实上在时效实施过程中也经常出现由 于激振力偏小时效效果不理想，加工变形依旧无法控制；或有时甚至出现工件被振裂的现 象。
发明内容
1、目的为了解决上述问题，本发明提供一种残余应力振动定位均化方法，以解决现有振动时效技术中操作实施盲目、获取时效工艺参数实验周期长、成本高和时效效果无法控制 等问题。2、技术方案为实现上述发明目的，本发明采用了如下技术方案对获得时效工件的加工工艺过程进行模拟，得到时效件残余应力分布，并据此确 定需均化残余应力的部位；对时效件进行模态分析，优选某阶模态，使其模态高应力区与残余应力高应力区 对应，依据选取的模态确定振动时效时工件的支撑点、激振点及激振频率；对振动消除残余应力进行动力学模拟分析，建立激振力与残余应力降低之间的关 系，优选激振力大小，使残余应力消除比在设定范围；对振动消除残余应力进行疲劳寿命模拟分析，建立激振力、激振时间与疲劳寿命 之间的关系，优选激振力、激振时间，使振动对工件产生的疲劳损伤小于设定的疲劳损伤容 限；在上述优选的支撑点、激振点、激振频率、激振力、激振时间等振动时效工艺参数 下，对工件实施振动时效，至达到设定时间后结束操作。所述通过对工件加工工艺过程的模拟，定量获得时效工件三维残余应力分布状 况，据此确定残余应力大而需要进行均化的部位；为获得所需模态应力分布，支撑在保持工件平稳前提下，放置于所选模态振型节 点位置，激振点在所选振型波峰，激振频率为该阶固有频率；疲劳损伤容限的具体数值人为确定；振动后高残余应力在一定区域内得以降低，区域范围取决于激振力的大小；确定激振时间，使产生疲劳寿命在疲劳损伤容限范围内。综上所述，本发明一种残余应力振动定位均化方法，该方法具体步骤如下步骤一建立时效件仿真模型，对铸造、锻造、轧制、热处理、切削等加工工艺过程 进行模拟，仿真所得时效件具有一定的结构形状特性、应力分布规律以及残余应力大小；步骤二依据残余应力的分布特点，确定残余应力高而需降低和均化应力的具体 部位；步骤三分析不同结构形状时效件的振动模态，优选振型使模态高应力区对应于 时效件高残余应力区。对于结构尺寸小，激振器无法安装的时效件，采取与振动台组合振动 时效，时效件的模态应力分布与组合振动的振型有关，还与时效件在振动台的放置位置有 关，在激振器安装方便的前提下，将时效件刚性连接在振动台高模态应力处，使时效件获得 较高动应力；步骤四在保持时效件平稳的前提下，所选振动模态的节点即为振动时效时工件 的支撑点；所选振动模态的波峰(除强度薄弱处外)即为振动时效时工件的激振点；激振 频率为该阶固有频率；步骤五在所选振动模态下，对振动时效进行动力学分析，比较不同大小激振力产 生的不同动应力场，选择激振力大小使激振产生的动应力与残余应力叠加超过材料的屈服 极限，高残余应力得以降低和均化。在实施数值模拟时用激振产生的位移来表征激振力大 小，这样可以避免由于阻尼系数选取不准确带来计算动应力的偏差。优选激振位移，使残余应力均化达到设定范围；步骤六在所选振动模态下，对时效件进行振动疲劳寿命分析，比较不同激振力、 激振时间下，振动对时效件造成的疲劳损伤，合理选择激振力、激振时间，使产生的疲劳损 伤不超过设定的疲劳损伤容限；步骤七利用优选的振动时效工艺参数对时效件实施振动时效；步骤八对步骤七振动时效过程进行模拟，依据振动后残余应力分布确定下一处 需振动时效的高残余应力部位；步骤九对步骤八确定的高残余应力部位重复步骤三至步骤八，直至时效件残余 应力场得到均化。3、优点及效果本发明的有益效果是(1)本发明在实施振动时效前用仿真模拟方法获知时效工件残余应力的三维分布 情况和大小，克服现有残余应力测试技术的不足，一方面可确定需要降低和均化残余应力 的具体部位，只需选择对降低和均化残余应力有效的振型进行振动，避免进行不必要的振 动时效，造成资源浪费且易对工件产生疲劳损伤，另一方面基于残余应力大小，为合理选取 激振力提供理论依据；(2)本发明不是用传统的扫描或频谱方法寻找工件的共振频率，而是用有限元方 法获得工件共振频率，快捷而且准确，同时还可获得各阶频率下工件的振动模态；(3)本发明用模拟现实技术分析各振动工艺参数对时效效果的影响，避免了对时 效件进行重复试验，周期大大缩短，成本也大大降低；(4)本发明在优选出的振动工艺参数下振动获得的动应力场分布与残余应力场分 布一致，即高动应力区域与高残余应力区域重合，从而实现定位降低和均化残余应力；(5)本发明建立激振力与工件疲劳寿命的关系，使振动对时效件的疲劳寿命影响 控制在设定范围内；(6)本发明的实现使时效工件得到快速有效的处理，而且可以预知振动消除残余 应力的效果以及对时效件疲劳寿命的影响。
图Ia是细长梁型工件前两阶振型，其中1为一阶振型，2为二阶振型；图Ib是细长梁型工件前两阶振型模态应力示意图，其中1’为一阶模态应力分布， 2’为二阶模态应力分布；图2是本发明振动定位降低和均化残余应力方法步骤流程3是利用梁一阶振型振动时效装置示意图
具体实施例方式如图Ia所示1为细长梁一阶模态振型，2为细长梁二阶模态振型，如图Ib所示1’ 为一阶模态应力分布，2’为二阶模态应力分布，不同的频率对应不同的振型，不同的振型对 应不同的动应力场，重点消除不同部位的残余应力。一阶振型梁中部的弯曲应力最大，重点 消除梁中部的残余应力；二阶振型弯曲应力峰值移至梁1/4处，重点消除该部位残余应力，通过选择不同振型消除不同部位的残余应力。如图2所示，是本发明所述的利用振动定位降低和均化残余应力方法，以轧制梁 型件为例介绍该方法。本发明一种残余应力振动定位均化方法，其具体步骤流程如下步骤一建立时效件仿真模型，对轧制工艺过程进行模拟，得到梁型时效件轧制残 余应力数值大小Ssft以及残余应力沿梁厚度方向不均勻分布；步骤二 依据步骤一，确定需整体降低梁内部轧制残余应力；步骤三分析梁振动模态，得梁前几阶固有频率Π、f2、f3. . . fn，梁一阶振型中部 弯曲应力最大，利用该振型可消除梁中部轧制残余应力；步骤四将橡胶垫、泡沫塑料等弹性物体放置梁件一阶振型的节点处，激振器安装 在一阶振型的波峰处，激振频率为一阶固有频率fl。如图3所示装置示意图。步骤五在一阶振动模态下，对振动时效进行动力学分析，比较不同大小激振力产 生的不同动应力场，选择激振力大小使激振产生的最低动应力Sa与残余应力δ @叠加超 过材料的屈服极限，进而找出激振力大小与残余应力降低之间的关系曲线。在实施数值模 拟时用激振力产生的位移来表征激振力大小，这样可以避免由于阻尼系数选取不准确带来 计算动应力的偏差。优选激振位移，使残余应力均化达到设定范围；步骤六在一阶振动模态下，对振动时效进行疲劳寿命分析，比较不同激振力、激 振时间振动对时效件疲劳寿命的影响，合理选择激振力、激振时间，使产生的疲劳损伤不超 过设定的疲劳损伤容限；步骤七利用优选的振动时效工艺参数对时效件实施振动时效；步骤八对步骤七振动时效过程进行模拟，得到一阶振型振动时效后残余应力大 小及分布情况；步骤九利用一阶振型时效件中部残余应力得以降低，对剩下高残余应力部分，利 用二阶振型进行振动时效，重复步骤三至步骤七，相应一阶振动模态改为二阶振动模态，最 终使整个梁残余应力场得到降低和均化。
权利要求
一种残余应力振动定位均化方法，其特征在于该方法具体步骤如下步骤一建立时效件仿真模型，对铸造、锻造、轧制、热处理、切削加工工艺过程进行模拟，仿真所得时效件具有结构形状特性、应力分布规律以及残余应力大小；步骤二依据残余应力的分布特点，确定残余应力高而需降低和均化应力的具体部位；步骤三分析不同结构形状时效件的振动模态，优选振型使模态高应力区对应于时效件高残余应力区；对于结构尺寸小，激振器无法安装的时效件，采取与振动台组合振动时效，时效件的模态应力分布与组合振动的振型有关，还与时效件在振动台的放置位置有关，在激振器安装方便的前提下，将时效件刚性连接在振动台高模态应力处，使时效件获得较高动应力；步骤四在保持时效件平稳的前提下，所选振动模态的节点即为振动时效时工件的支撑点；所选振动模态的波峰即为振动时效时工件的激振点；激振频率为该阶固有频率；步骤五在所选振动模态下，对振动时效进行动力学分析，比较不同大小激振力产生的不同动应力场，选择激振力大小使激振产生的动应力与残余应力叠加超过材料的屈服极限，高残余应力得以降低和均化；在实施数值模拟时用激振产生的位移来表征激振力大小，这样可以避免由于阻尼系数选取不准确带来计算动应力的偏差；优选激振位移，使残余应力均化达到设定范围；步骤六在所选振动模态下，对时效件进行振动疲劳寿命分析，比较在不同激振力、激振时间下，振动对时效件造成的疲劳损伤，合理选择激振力、激振时间，使产生的疲劳损伤不超过设定的疲劳损伤容限；步骤七利用优选的振动时效工艺参数对时效件实施振动时效；步骤八对步骤七振动时效过程进行模拟，依据振动后残余应力分布确定下一处需振动时效的高残余应力部位；步骤九对步骤八确定的高残余应力部位重复步骤三至步骤八，直至时效件残余应力场得到均化。
全文摘要
一种残余应力振动定位均化方法，它包含如下步骤(1)模拟时效件加工过程，定量获得工件内残余应力场分布；(2)依据(1)确定需要均化残余应力的具体部位；(3)对工件进行模态分析，优选振型，使模态高应力区与工件高残余应力区对应；(4)依据所选振型确定支撑点、激振点、激振频率；(5)对振动时效进行动力学分析，优选激振力；(6)对振动时效进行疲劳分析，优选激振力、激振时间；(7)利用优选的振动时效工艺参数对工件实施振动；(8)确定下一处需时效的高残余应力部位；(9)重复(3)至(8)，直至应力场得到均化。该方法运行成本低，周期短、节能环保，时效效果稳定，造成的疲劳损伤小。
文档编号C21D10/00GK101979678SQ20101053277
公开日2011年2月23日 申请日期2010年11月1日 优先权日2010年11月1日
发明者吴琼, 张以都, 赵晓慈, 马勇杰 申请人:北京航空航天大学