用于预测由于喷丸机加工过程引起的工件失真的系统和方法

用于预测由于喷丸机加工过程引起的工件失真的系统和方法
【专利摘要】本发明涉及用于预测由于喷丸机加工过程引起的工件失真的系统和方法。一种用于预测由于喷丸过程(10)而导致的工件(12)中的失真和残余应力(28)的方法(600)可以包括以下步骤：提供试样(20)，该试样包括由喷丸过程(10)在试样表面(22)中引起的残余应力(28)；计算表示在所述试样表面(22)中引起的残余应力(28)的力矩系数；将应力函数(34)校准到力矩系数；将应力函数(34)应用到工件(12)的工件模型(38)；和计算由于将校准的应力函数(56)应用到工件模型(38)而导致的工件(12)的预测失真和残余应力(28)中的至少一个。
【专利说明】用于预测由于喷丸机加工过程引起的工件失真的系统和方法

【技术领域】
[0001]本发明总体涉及在工件中引起的残余应力，更具体地，涉及一种用于预测由于通过喷丸机加工在工件的表面上引起的残余应力引起的工件失真的方法。

【背景技术】
[0002]喷丸加工是用于产生压缩残余应力层和修改金属的机械特性的冷加工过程。它需要以足够产生塑性变形的力用丸冲击表面。喷丸加工经常被用作机械加工(例如，金属成形)的一部分，以提高零件的疲劳寿命。喷丸加工在延长疲劳寿命、增加抗应力腐蚀性和扩大金属部件的承载能力方面是有用的。例如，疲劳失效会发生在张力区域，从而通过在工件的表面上产生压缩残余应力，可以提高疲劳寿命。
[0003]喷丸加工表面使它可塑性地伸展，从而导致该表面的机械特性变化。在航空航天工业中经常要求喷丸加工来减轻在研磨加工中建立的拉伸应力并用有益的压缩应力代替那些应力。根据零件几何形状、零件材料、丸材料、丸质量、丸强度、丸覆盖度，喷丸加工可以显著增加部件的疲劳寿命。塑性变形在喷丸表面引起残余压缩应力，并且在内部引起拉伸应力。表面压缩应力给予对金属疲劳的抵抗性和对一些形式的应力腐蚀的抵抗性。零件中深的拉伸应力不像该表面上的拉伸应力那样有问题，因为裂纹不太可能在内部开始。
[0004]喷丸加工的有益效果主要是由于由丸的多个冲击引起的材料(例如，工件)表面层的塑性变形造成的残余应力场。喷丸加工变量可以影响最终工件的性能。因此，重要的是，知道残余应力的值以便预测喷丸零件的机械强度，并且知道通过改变喷丸参数这些应力如何变化。通过监测和控制喷丸加工过程的参数，可以得到一致的结果，而未受控的或未经校准的喷丸加工可以导致广泛分散范围的残余应力，甚至抵消喷丸加工的益处或导致工件失真。
[0005]失真是一种在喷丸加工过程之后工件中可能发生的残余应力的不期望影响。失真可以被表征为平面内失真或平面外失真。平面内失真包括工件沿着与工件表面的平面平行的方向的膨胀或收缩。平面外失真包括工件表面沿着与表面垂直的方向的扭曲和/或弯曲形式的位移。
[0006]虽然工件中喷丸加工引起的残余应力的深度通常是浅的(例如，0.004英寸至
0.020英寸)，但是与更抗弯曲的较厚横截面相比，平面外失真对不太抗弯曲的相对薄的金属横截面具有更显著的影响。不幸地是，适度的失真可能导致昂贵且耗时的检查和返工以使工件在设计公差范围内。过度的失真可能导致工件的报废和更换件的制造。因此，知道由喷丸加工过程引起的残余应力的值以便预测残余应力对喷丸工件的影响，也是重要的。
[0007]残余应力的实验测量是昂贵的、耗时的，并且对喷丸工件是破坏性的。非破坏性实验测量技术，例如衍射法，是高度表面性的；由于无法捕获衍射的X射线而会限制被测部件的尺寸和形状；对材料类型(例如，晶体结构)敏感；并且仅提供局部化的(例如，逐点的)测量。此外，穿透深度需要去除至少一些局部材料(例如，通过化学蚀刻)，从而成为破坏性技术并防止被测工件的进一步实际使用。
[0008]用于预测工件上残余应力的示例方法可以包括通过施加估计的残余应力场或初始应变场在工件的模型上，执行弹性分析(例如，通常通过有限元法解决)。预测的残余应力可以通过建模或测量获得。不幸地是，任何一种方法都显示出由于难以证实喷丸模型和无法以低成本获得准确且有代表性的实验信息而造成的局限性。
[0009]验证由于喷丸加工而导致的估计的残余应力的准确度的现有方法是耗时的。例如，验证残余应力估算的现有方法要求测量喷丸工件中的残余应力并比较测量值与使用有限元方法求解的来自模型的预测值。然后，调节喷丸加工操作的参数，或者可以重新设计该工件，以尝试调节工件中的残余应力和失真。以迭代方式重复该过程，直到物理工件中的残余应力落在可接受的限度内。不幸地是，迭代地调节喷丸加工参数、制造新工件、测量新工件中的残余应力并且接着重新调节喷丸参数这一过程是耗时且昂贵的。
[0010]喷丸加工过程(例如，喷丸加工或激光喷丸)依赖于试验板试样(例如，阿尔门(Almen)试片)，以校准喷丸强度。阿尔门试片是小的硬化且回火的试片，当受到喷丸流的强度时，在一侧弯曲。在喷丸加工过程之后，测量固定长度上的残留弧高度。该测量值定义了喷丸加工强度，一般被称为阿尔门强度。根据此阿尔门强度校准喷丸加工过程，直到喷丸加工强度在试样上导致饱和的这个点。当进一步喷丸加工不显著改变弧变形(例如，弧高度)时，达到饱和。然而，量化喷丸加工强度可能不仅与残余应力分布有关。
[0011]因此，根据喷丸加工强度测量值量化残余应力不能给出关于工件中的残余应力场的准确信息，因为不同应力分布可能给出相同的弧高度，该高度与残余应力场关于试片厚度的积分有关。此外，材料类型不是由阿尔门试片法利用的特性。用于该试样的材料是预先定义的(例如，SAE1070弹簧钢)，由此忽略了该工件的实际材料(例如，6061铝、7075铝、CRES Ti64或任何其他金属)。
[0012]塑性变形和饱和直接与该工件的材料的屈服强度有关。因此，预计不同材料的变形和饱和显著不同，因为它们的弹塑性行为是不同的。因此，基于标准阿尔门试片法解释喷丸加工强度会导致高估或低估影响喷丸工件的残余应力。例如，可以避免超过喷丸加工强度造成的不利影响(例如，失真)，同时可以实现较高喷丸加工强度的好处(例如，较高疲劳寿命)。由于持续使用阿尔门试片法，重要的是将任何机械部件中由喷丸加工引起的残余应力场与阿尔门强度相关。
[0013]给定现有技术，很难通过实验确定喷丸部件或零件的完整初始应变场。针对一组离散点使用现有实验方法这样做是非常昂贵、耗时且容易出错的。
[0014]类似于实验(例如，测得的)结果，对表面过程(例如，喷丸加工)的完整的“基于物理的”数学建模极其复杂且难以验证和确认。例如，复杂模型需要困难且昂贵而获得的材料参数。如果材料数据、边界和/或初始条件未被明确定义，则基于复杂物理的模型的不确定性和误差传播可以使模型变得无用，并且数值验证并未特别小心实施(例如，复杂模型不适合于由“非专家”使用)。此外，甚至当使用最佳数值算法时，这些模型在计算上如此密集，以致于其使用限于试样尺寸问题。此外，即使详细知道了初始应变场，用高层次的详细信息(例如，空间变化)计算较大部件的失真可能是困难且在计算上昂贵。
[0015]因此，本领域技术人员在预测由喷丸加工过程引起的工件中出现的残余应力的领域中继续研究和开发工作。


【发明内容】

[0016]在一个实施例中，公开了一种用于预测由于喷丸过程而导致的工件中的失真的方法，该方法可包括以下步骤:(I)提供试样，该试样包括由喷丸过程在试样表面引起的残余应力；(2)计算表示在试样表面引起的残余应力的力矩系数；(3)将应力函数校准到力矩系数；(4)将应力函数应用到工件的工件模型；和(5)计算由于将校准的应力函数应用到工件模型而导致的工件的预测失真。该方法的特征可以进一步为以下步骤:建立喷丸过程的不同喷丸强度的经验数据库，并且将不同的计算出的力矩系数与不同喷丸强度数据库中的每个喷丸强度关联。该方法的特征可以进一步为以下步骤:将试样表面的位移测量值拟合到为多项式函数的弯曲形状函数(32)，并且更优选地，该方法可以利用应力函数，其包括具有应力幅值和深度的阶梯函数，或具有应力幅值和深度的三次项函数。
[0017]在另一实施例中，公开的是一种用于预测由于喷丸过程而导致的工件中的失真的基于处理器的系统，所述基于处理器的系统可以包括:系数计算器，其被配置用于计算力矩系数；应力函数校准器，其被配置用于将应力函数校准到力矩系数；应力函数应用器，其被配置用于将校准的应力函数应用到工件的工件模型；和失真预测器，其被配置用于计算由于将校准的应力函数应用到工件模型而导致的工件的预测失真。更优选地，该力矩系数可以表示由喷丸过程在试样的试样表面测得的位移。
[0018]通过以下详细描述、附图和所附权利要求，所公开的用于预测由于喷丸过程而导致的工件中的失真的系统和方法的其他实施例将变得显而易见。

【专利附图】

【附图说明】
[0019]图1是喷丸加工过程应用于工件的表面以形成具有沿工件表面均匀引起的残余应力的工件的图示；
[0020]图2是该喷丸加工过程应用于板试样的表面以形成具有沿试样表面均匀引起的残余应力的试样的图示；
[0021]图3是试样的透视图，其示出由残余应力引起的失真；
[0022]图4是图2的试样安装到测量装置的图示，其示出位移测量；
[0023]图5是示例喷丸强度曲线的图示；
[0024]图6是试样的实施例的透视图，并进一步示出由喷丸加工过程在试样表面的层中引起的残余应力；
[0025]图7是图6的试样的有限元模型的实施例的透视图；
[0026]图8A是示例弯曲形状函数的图示,该示例弯曲形状函数包括在X方向上的试样表面中引起的残余应力测量值的最小二乘多项式近似；
[0027]图8B是示例弯曲形状函数的图示,该示例弯曲形状函数包括在X、y和xy方向上的试样表面中引起的残余应力测量值的最小二乘多项式近似；
[0028]图9是校准的阶梯测试函数的示例曲线图的图示；
[0029]图10是校准的线性测试函数的示例曲线图的图示；
[0030]图11是校准的三次多项式测试函数的示例曲线图的图示；
[0031]图12是半无限板中残余应力分布的横截面示意图；
[0032]图13是半无限板中第一残余应力分布的横截面示意图；
[0033]图14是半无限板中第二残余应力分布的横截面示意图；
[0034]图15是残余应力在从图12的半无限板截取的有限样本上的重新分布的示意图；
[0035]图16是由拉伸残余应力或压缩残余应力组成的线性板延伸函数的示意图；
[0036]图17是由拉伸残余应力和压缩残余应力的梯度组成的线性板弯曲函数的示意图；
[0037]图18是由于图16的线性板延伸函数的应用而导致的板的平面内延伸或压缩的示意图；
[0038]图19是由于图17的线性板弯曲函数的引用而导致的板的平面外弯曲的示意图；
[0039]图20是所公开的用于通过计算力矩系数预测工件失真的方法的实施例的流程图，所述力矩系数表征对工件执行的喷丸过程的选定喷丸强度；
[0040]图21是试样的实施例的侧视图，其示出由残余应力引起的失真；
[0041]图22是试样的俯视图；
[0042]图23是试样的侧视图；
[0043]图24是工件的实施例的透视图，并进一步示出由喷丸过程在工件表面的层中引起的残余应力；
[0044]图25是图24的工件的有限元模型的实施例的透视图；
[0045]图26是校准到X方向的力矩系数的阶梯函数的力矩系数相对误差与应力幅值相对误差的关系的曲线图的图示；
[0046]图27是校准到y方向的力矩系数的阶梯函数的力矩系数相对误差与应力幅值相对误差的关系的曲线图的图示；
[0047]图28是校准到xy方向的力矩系数的阶梯函数的力矩系数相对误差与应力幅值相对误差的关系的曲线图的图示；
[0048]图29是校准到X方向的力矩系数的三次项函数的力矩系数相对误差与应力幅值相对误差的关系的曲线图的图示；
[0049]图30是校准到y方向的力矩系数的三次项函数的力矩系数相对误差与应力幅值相对误差的曲线图的图示；
[0050]图31是校准到xy方向的力矩系数的三次项函数的力矩系数相对误差与应力幅值相对误差的曲线图的图示；
[0051]图32是在xy方向的应力幅值与深度的关系的示例曲线图的图示，并示出所引起的残余应力测量值的多项式拟合，且叠加有校准的阶梯函数的曲线图。
[0052]图33是在预测工件位移时的阶梯函数误差的示例曲线图的图示；
[0053]图34是受限于图33中所示的校准的阶梯函数的工件的不同工件厚度和关联位移误差表的图示；
[0054]图35是在y方向的应力幅值与深度的关系的示例曲线图的图示，并示出所引起的残余应力测量的多项式拟合，且叠加有校准的三次项函数的曲线图；
[0055]图36是在预测工件位移时的三次项函数误差的示例曲线图的图示；
[0056]图37是受限于图36中所示的校准的三次项函数的工件的不同工件厚度和关联位移误差表的图示；
[0057]图38是深度和在力系数和实际残余应力分布的合成之间的对应相对误差的表；
[0058]图39是所公开的用于预测工件失真的方法的实施例的流程图，其中使用由对工件执行的喷丸过程引起的试样表面位移的测量值计算力矩系数；
[0059]图40是根据作用在试样的X方向的所引起的残余应力测量值计算的示例位移形状函数的图示；
[0060]图41是根据作用在试样的y方向的所引起的残余应力测量值计算的示例位移形状函数的图示；
[0061]图42是根据作用在试样的xy方向的所引起的残余应力测量值计算的示例位移形状函数的图示；
[0062]图43是所公开的用于建立不同喷丸强度和对应力矩系数的数据库的方法的实施例的流程图；
[0063]图44是所公开的用于建立不同喷丸强度和对应力矩系数的数据库的另一实施例的流程图；
[0064]图45是用于实施所公开的用于预测工件中的残余应力和/或失真的方法的一个或多个操作的基于处理器的系统的实施例的方框图。

【具体实施方式】
[0065]下列详细描述参照了附图，这些附图示出本公开的具体实施例。具有不同结构和操作的其他实施例不背离本公开的范围。在不同附图中，类似参考标号可以指代相同元件或部件。
[0066]所公开的用于预测由喷丸加工过程引起的失真的方法的一个实施例可以基于喷丸材料(例如，工件)表征喷丸强度，且可以允许量化由喷丸过程引起的残余应变。
[0067]参照图1，为了本公开的目的，喷丸过程10被描述为加工操作，其中工件12的表面14或试样20的表面22(图2)可以用例如来自喷嘴18的丸16 (例如，圆金属、玻璃或陶瓷颗粒)进行冲击。工件12或板试样20 (图2)的材料可以包括任何各向同性金属或非金属材料或其任何组合，而无限制。丸16可以用足够产生塑性变形的力冲击表面14，从而导致工件12的机械特性变化。塑性变形可以在喷丸表面14中引起残余压缩应力，并且在内部引起拉伸应力。表面压缩应力可以给予对金属疲劳的抵抗性和对一些形式的应力腐蚀的抵抗性。本领域技术人员可以理解，工件中深处的拉伸应力不像该表面上的拉伸应力那样有问题，因为裂纹不太可能在内部开始。
[0068]参照图2至图4，喷丸加工过程10可以利用板试样20 (例如，阿尔门试片)方法来描述喷丸过程的强度。阿尔门试片法可以量化影响工件12的喷丸处理的强度的所有因素。如图2中所不,喷丸过程10可以应用于板试样20的相对两个表面中的一个表面22,以沿着试样20的表面22均匀地引起残余应力。平式金属板试样20可以被夹紧至测试块24且(例如，从喷嘴18)喷有丸16。
[0069]如图3中所示，由于仅喷丸表面22的表面层的压缩，当从测试块24释放时，残余表面压缩应力会使试样20在中间向上弯曲。此弯曲弧的高度h可以例如通过测量装置26(例如，阿尔门量规)(图4)测量。高度h可以是喷丸强度的指数。该弧的高h可以取决于压缩残余应力28的程度(图5)，并且可以是喷丸过程10的强度的度量。弯曲度(例如,弧高h)可以取决于喷丸的特性、试样20的特性和暴露的性质。
[0070]参照图5，试样20必须暴露于喷丸过程10持续足够的时间，以便出现饱和。饱和可以通过将若干试样20暴露于连续较长时间的喷丸来确定。用曲线图表示结果可以允许解释数据，并且可以得到强度的读数。强度可以被定义为曲线上的如果暴露时间加倍则弧高h增加10%的第一点。图5示出增加暴露时间时实现的弧高的曲线图。假设试样20的曲率可以指示压缩残余应力的程度并且因此指示抗疲劳失效性，或指示应力腐蚀开裂的程度
[0071]参照图6，可以在X方向、y方向和xy方向中的每个上测量所引起的残余应力28。所引起的应力的测量30可以通过包括但不限于X射线衍射的任何合适技术执行。所引起的残余应力测量值30(例如，在x、y和/或xy方向)可以被拟合为如图8A和图8B中所示的弯曲形状函数(curve shape funct1n) 32 (例如，近似于曲线的形状)。可以理解，图8A示出所引起的残余应力测量值30被拟合到对应于X方向上的应力分量的弯曲形状函数32的示例，并且图8B示出所引起的残余应力测量30被拟合到对应X方向、y方向和xy方向上的应力分量的弯曲形状函数32的类似示例。弯曲形状函数32可以是由喷丸过程10 (图1)在试样表面22中引起的残余应力测量值30的最小二乘多项式近似。
[0072]如下面更详细所述的，可以基于拟合的所引起的残余应力测量值31 (图SB)在X方向、y方向和Xy方向(图6)中的每一个方向上计算力矩系数Cm。力矩系数Cm可以用于校准任何合适应力函数34，例如但不限于阶梯函数(图9)、线性函数(图10)和三次项函数(图11)。应力函数34可以应用于工件12(图24)的有限元模型38(图25)，用于预测由喷丸过程10(图1)的引用而引起的工件12中的失真和/或残余应力。可以基于工件12中所预测的失真或所预测的残余应力改变喷丸过程10。例如，喷丸过程10可以被改变，以减少工件12的表面14中残余应力幅值，和/或以引起残余应力的形成，所述残余应力主要是压缩的，以提高疲劳寿命并减少裂纹生长。
[0073]本发明是基于以下前提:(I)弹性的线性理论是用于计算由喷丸过程10 (图1)引起的失真的良好近似(例如，材料是线性弹性的，并在表面过程之后保持线性弹性)；(2)机加工之后在材料(例如，工件12)上留下的总应变通过最后机加工顺序产生(例如，通过任何机加工顺序引入的应变包含在相对小或浅的层(例如，0.020英寸)中，这通过随后机加工顺序移除和重新创建；(3)假设机加工之后有足够弹性的材料，并且相同参数(例如，工具、机加工设置和工具路径)用于相同材料，则机加工引起的应变将总是相同的(例如，假设机加工过程的不变化，两个相同机加工试样之间的任何差异将由关于上述参数的变化造成)；和(4)相对于在机加工表面上引起的应变的统计平均值的局部变化将导致残余应力的局部变化和部件的失真，因此，如果这些变化是可忽略的，则在机加工表面上引起的应变的平均值可以用于预测机加工部件的失真和残余应力。
[0074]此外，本发明是基于以下前提:(1)表面过程引起的应变仅是已加工表面法线的函数；和(2)任何其他残余应力源(例如，材料残余应力)被认为是可忽略的，然而在材料应力不能被忽略的情况下，可以通过假设线性叠加包括那些材料应力。
[0075]因此，由喷丸引起的残余应力28(图6)引起的失真可以根据沿厚度的残余应变分布的合成或积分平均确定。基于上述情况，应变分布的局部变化可以被忽略，并且表示部件中沿厚度的残余应变分布的任何函数可以用于表示残余应力，其假设是:(I)该函数的合成具有与实际(例如，测得的)残余应变相同(例如，静态地相等)的幅值；(2)残余应力所积分的深度大于残余应变减小到零的深度。
[0076]参照图12，示出已接收在其整个表面上的表面过程处理(例如，喷丸加工10)的半无限板36。整个表面可以通过具有已设置机加工参数和机加工路径的相同过程(例如，喷丸过程10)进行处理。所有应变分量(例如，垂直于板法线的应变分量)可以被转化成应力(例如，任何应力分布可以被平衡)。
[0077]在半无限板34内的残余应变可以与残余应力互换，因为残余应变和残余应力的分布在板36的无限长度和宽度上平衡。在这方面，沿厚度的残余应变的积分平均的合成可以通过使用下面的公式10确定，这可以被解释为用于定义残余应力分布在给定深度处的合成力Cf的积分公式(即，在子域厚度上每单位长度合成的力等于常数):
[0078](vOvZz = C'.(公式 10)
JO
[0079]其中％表示残余应力分布，z表示厚度方向，t表示残余应力积分所沿着的深度。同样地，下面的公式20可以被解释为用于定义残余应力分布在给定深度处的合成力矩Cm的积分公式(即，在子域厚度上每单位长度合成的力矩等于常数):
[0080]^a0(z-(/2)dz = CM (公式 20)
[0081]参照图13和图14，示出在半无限板36的子表面上的两个静态相等的残余应力分布σ ^和。Λ当七分别大于或等于最大值Cl1或d2时，。J可以在Cl1处减小到零，而σ J可在d2处减小到零。所示的是在具有有限厚度(或深度)和无限长度和/或宽度的半无限板36中的第一残余应力分布σ ^和第二残余应力分布σ /的示意图。图13和图14中所示的残余应力分布Qci1和0(|2是可以由在表面14(图5)上执行一个或多个喷丸操作引起的各种替代残余应力分布的非限制性示例。
[0082]图13示出残余应力分布σ ;，其本质上可以是拉伸的，其中最大幅值在表面14 (图1)处，并且在Cl1处衰减到零。与此相反，图14示出残余应力分布，其本质上可以是拉伸和压缩的组合，并且延伸到相对于深度Cl1更大的深度d2(图12)。在图13和图14中可以看至1J，厚度t大于最大值Cl1和d2，使得对于比最大值Cl1和d2大的任何深度t，应力分布σ ^和O O2的合成力的幅值可以基本相等，如下面在公式30中所示。同样地，对于比最大值Cl1和d2大的任何深度t，应力分布σ Z和σ /的合成力矩的幅值可以基本相等，如下面公式40中所示。
[0083]f' σ!/?ζ =「σ,;?/ζ =Cf (公式 30)
J OJ O
[0084]^a\{z-tl2)dz = ^al{z-tl2)dz = CM (公式 40)
[0085]因此,对于两种分布,如果积分区间(例如，[0，t])包括应力幅值衰减到零的区域，则由公式30和公式40计算的应力合成可以产生相同的值。因此，假设部件的厚度大于应力分布变成零的深度，如果常数Cf和Cm(例如，对于应力张量的每个分量)是已知的，则产生相同值的任何函数可以用于预测机加工部件(例如，工件12)的失真。
[0086]参照图15，可以示意性地表示残余应力在从半无限板36截取的有限样本上的重新分布。如果有限子域从半无限板36移除作为有限样本40，则应力可以重新分布且样本40会失真。不满足子域内平衡的应力分量可以是失真的原因，而其他分量作为新残余应力分布保持在样本40中。如图所示，ο。= O^o20样本40的新表面可以满足无应力表面边界条件。
[0087]如果考虑两个静态相等的初始应力分布，则在移除有限样本40之后由这些应力的重新分布(图15)造成的失真会处处相同，除了在自由端的紧密附近。这些应力的自平衡部分会在自由表面的紧密附近导致失真差异。因此，考虑到它们具有零合成并且其作用随距边界的距离指数衰减(例如，通过圣维南原理)，差异可以是微乎其微。
[0088]假如任意应力分布与无限板36(图12)中的原始应力分布静态相等，则可以生成任意应力分布来预测失真。由于喷丸过程10(图1)影响的材料集中在相对小的层中，因此该方法可以用于预测复杂几何形状的失真。给定由喷丸过程10引起的应变是不变的这一假设，可以选择具有相对简单几何形状的试样(例如，板试样20)，以校准任意应力分布。
[0089]本领域技术人员可以理解，假如保持过程是不变的这一假设，所公开的方法可以扩展到影响小层上的材料的任何表面过程。本领域技术人员还可以理解，如果准确的初始应力/应变分布是已知的，则可以预测复杂几何形状上的失真和合成的残余应力场。
[0090]参照图16至图19，在图16和图17中示出受限于应力函数42、44的任意板的线性的沿厚度的应力函数失真42、44，在图18和图19中示出受限于应力函数42、44的任意板的各自失真46。图16是完全由拉伸残余应力(或完全由压缩残余应力)组成的线性板延伸函数42的示意图。如图18中可以看到的，线性板延伸函数42可以导致该板的平面内扩展48(例如，拉伸残余应力)或平面内收缩50(例如，压缩残余应力)。图17是由拉伸和压缩残余应力的梯度组成的线性板弯曲函数44的示意图。在图19中，线性板弯曲函数44可以导致任意板的平面外弯曲52。图16和图17中所示的线性应力函数42、44是残余应力分布的基本示例，可以针对该残余应力分布以下面更详细描述的方式计算力矩系数Cm和校准应力函数。
[0091]参照图20，还公开了用于预测使用喷丸过程10(图1)制造的工件12(图1)失真的方法的一个实施例，总体标为200。
[0092]如在方框202处所示，该方法可以包括提供板试样20 (图6)的步骤，该板试样20具有由喷丸过程10(图1)在至少一个相对试样表面22(图2)中引起的残余应力。
[0093]参照图21至图23，试样20可以具有大致薄且正交(例如，矩形)形状，且可以是具有长度尺寸L和宽度尺寸W的大致平的或平面形状。在一个实施例中，试样10的厚度th可以是在从约0.02英寸至约0.10英寸的范围内。在另一实施例中，试样20可以是阿尔门试片，具有从约0.31英寸至约0.0938英寸的范围内的厚度。然而，试样20可以以任何合适尺寸、形状和配置形成，并且不限于薄的矩形配置。试样20可以由任何合适的各向同性材料形成，例如任何合适金属材料。试样20的材料可以是在成分上基本类似于要预测失真的工件12 (图24)的材料成分。例如,板试样20可以由诸如Ti6A14V-合金的钛合金形成，该Ti6A14V-合金由于其在高温下密度低和拉伸强度高而常用在航空航天应用中。然而，该板试样可以由任何材料形成，而无限制。
[0094]如图2中所不,喷丸过程10可以应用于试样20的相对两表面22中的一个表面，使得在试样表面22的长度L和宽度W(图22)上均匀地产生沿厚度的残余应力。喷丸过程10可以在紧邻试样20外表面的试样表面22 (图6)内形成残余应力层54。残余应力层54被识别为具有深度d(图6)，这是距试样表面22的残余应力减小到零的距离。
[0095]在残余应力层54中引起的残余应力28可以被表征在x方向、y方向和xy方向，与笛卡尔坐标系对准，其中X和y方向是平面内，z方向是试样20的厚度th方向。然而，本公开中所示的笛卡尔坐标系表示可以被实施用于表征所引起残余应力18相对于试样表面22位置的取向的各种替代系统之一。
[0096]再次参照图20，如方框204处所示，该方法可以包括沿χ方向、y方向和xy方向中的至少一个(图6)测量在至少一个试样20(图6)的试样表面22中引起的残余应力28的步骤。测得的参数可以包括在试样20的不同深度处所引起的残余应力28的幅值和在不同深度d处所引起的残余应力28的相对取向(例如，拉伸或压缩)。所引起的残余应力28的测量可以使用任何合适应力测量技术执行，包括但不限于χ射线衍射、中子衍射、激光干涉测量、散斑干涉测量、超声波成像、磁共振成像和试样钻探，以及对试样20进行剖切或解剖同时使用战略上定位的应变计进行应变测量。
[0097]如方框206处所示，该方法可以包括以下步骤:将x、y和/或xy方向中的每一个方向的所引起的应力测量值30 (图8A和图8B)拟合到表示在x、y和/或xy方向中的每个方向上测量的残余应力的分布的弯曲形状函数32的步骤。例如，图8示出使用如下所示的公式50拟合的所引起的残余应力测量值的最小二乘多项式近似:
[0098]

【权利要求】
1.一种预测由于喷丸过程(10)而导致的工件(12)中的失真的方法￠00)，所述方法(600)包括以下步骤: 提供试样(20)，该试样包括由所述喷丸过程(10)在试样表面(22)中引起的残余应力(28)； 计算表示在所述试样表面(22)中引起的残余应力(28)的力矩系数； 将应力函数(34)校准到所述力矩系数； 将所述应力函数(34)应用到所述工件(12)的工件模型(38);和计算由于将校准的应力函数(56)应用到所述工件模型(38)而导致的所述工件(12)的预测失真。
2.根据权利要求1所述的方法￠00)，其进一步包括以下步骤: 建立所述喷丸过程(10)的不同喷丸强度的经验数据库；和 将不同的预测失真(46)与所述不同喷丸强度的数据库中的每个喷丸强度关联。
3.根据权利要求1所述的方法￠00)，其中计算所述力矩系数的步骤包括以下步骤: 物理测量所述试样表面(22)的位移测量值；和 基于所述位移测量值计算所述力矩系数。
4.根据权利要求3所述的方法￠00)，其中基于所述位移测量值计算所述力矩系数的步骤包括基于所述试样(20)的抗弯刚度、泊松比、所述试样(20)的长度尺寸、所述试样(20)的宽度尺寸和在所述试样表面(22)上测得的最大位移计算所述力矩系数。
5.根据权利要求3所述的方法￠00)，其中基于所述位移测量值计算所述力矩系数的步骤包括基于所述试样(20)的材料成分的弹性模量、所述试样(20)的厚度尺寸、在所述试样表面(22)上测得的最大位移、泊松比、所述试样(20)的长度尺寸和所述试样(20)的宽度尺寸计算所述力矩系数。
6.根据权利要求1所述的方法￠00)，其进一步包括以下步骤: 测量在所述试样(20)的试样表面(22)中引起的残余应力(28)的测量值； 将所引起的残余应力的测量值(31)拟合到弯曲形状函数(32);和 基于拟合的所引起的残余应力的测量值(31)计算力矩系数。
7.根据权利要求6所述的方法￠00)，其中计算所述力矩系数的步骤包括以下步骤: 物理测量所述试样表面(22)的位移测量值； 将所述位移测量值拟合到位移形状函数；和 基于所述位移形状函数计算所述力矩系数。
8.根据权利要求6所述的方法￠00)，其中计算所述力矩系数的步骤包括以下步骤: 将拟合的所引起的残余应力(28)的测量值应用到所述试样(20)的试样模型(80)； 提取由于将拟合的所引起的残余应力(28)的测量值应用到所述试样模型(80)而导致的所述试样表面(22)的位移的测量值； 将所述试样表面(22)的位移的测量值拟合到位移形状函数；和基于在x、y和xy方向中的至少一个上的位移形状函数的拟合系数和所述试样(20)的厚度尺寸计算所述力矩系数。
9.根据权利要求6所述的方法￠00)，其中将所述应力函数(34)校准到所述力矩系数的步骤包括: 将所述应力函数(34)的深度项固定为小于所引起的残余应力(28)的测量值在所述试样(20)中减小到零的深度； 使所述应力函数(34)的力矩等于所述力矩系数；和 求解所述应力函数(34)的应力幅值项。
10.根据权利要求6所述的方法￠00)，其进一步包括以下步骤: 建立所述喷丸过程(10)的不同喷丸强度的经验数据库；和 将不同的计算出的力矩系数与所述不同喷丸强度的数据库中的每个喷丸强度关联。
11.一种用于预测由于喷丸过程(10)而导致的工件(12)中的失真的基于处理器的系统(500)，所述系统包括: 系数计算器(526)，其被配置用于计算力矩系数； 应力函数校准器(528)，其被配置用于将应力函数(34)校准到所述力矩系数； 应力函数应用器(530)，其被配置用于将校准的应力函数(56)应用到所述工件(12)的工件模型(38);和 失真预测器(532)，其被配置用于计算由于将校准的应力函数(56)应用到所述工件模型(38)而导致的所述工件(12)的预测失真。
12.根据权利要求11所述的基于处理器的系统(500)，其中所述力矩系数表示由所述喷丸过程(10)在试样(20)的试样表面(22)中引起的残余应力(28)和由所述喷丸过程(10)在试样(20)的试样表面(22)中测得的位移中的一个。
13.根据权利要求11所述的基于处理器的系统(500)，其进一步包括: 应力测量拟合装置，其被配置用于将所引起的残余应力(28)的测量值拟合到弯曲形状函数(32)，所引起的应力测量值(30)表示在所述试样(20)的所述试样表面(22)中引起的残余应力(28)。
14.根据权利要求11所述的基于处理器的系统(500)，其中所述力矩系数是基于所述试样(20)的抗弯刚度、泊松比、所述试样(20)的长度尺寸、所述试样(20)的宽度尺寸和在所述试样表面(22)上测得的最大位移计算的。
15.根据权利要求11所述的基于处理器的系统(500)，其中所述力矩系数是基于所述试样(20)的材料成分的弹性模量、所述试样(20)的厚度尺寸、在所述试样表面(22)上测得的最大位移、泊松比、所述试样(20)的长度尺寸和所述试样(20)的宽度尺寸计算的。
【文档编号】G01N33/00GK104133037SQ201410185019
【公开日】2014年11月5日 申请日期:2014年5月4日 优先权日:2013年5月3日
【发明者】S·奈尔维, J·B·卡萨特, W·S·霍伦斯蒂尔, V·R·诺布尔 申请人:波音公司