局部热时效和振动辅助局部热时效方法

摘要

本发明提供一种局部热时效和振动辅助局部热时效方法，该方法主要根据零件材质、结构几何、前期加工和处理工艺等参数，通过经验判断或计算机建模虚拟制造技术对需要进行时效处理的零部件内部弹性能、残余应力分布进行分析，确定其应力分布集中区域等工艺参数；然后根据上述参数对零件进行热时效或热时效与振动时效结合的时效处理。本发明通过局部热时效和振动辅助局部热时效方法，达到去除残余应力和均化组织的目的。相对于传统的热时效和振动时效工艺，该方法不但可以使热能得到有效的利用，节约能源，提高时效效果，而且在局部加热后零部件固有频率的降低使得振动时效噪音大幅减小。

说明书

技术领域

本发明涉及一种时效处理消除零部件残余应力的方法。

背景技术

铸造、锻造、轧制、焊接等制造工艺以及车、削、铣、磨、钻等机械加工工艺都可能在金属零部件的内部产生不同程度的残余应力。在后续加工或使用过程中，这类零部件的残余应力会因环境的变化自行释放，从而影响零部件的尺寸精度和使用性能。因此，对有一定精度要求的零部件，在其成为终成品之前需要进行时效处理，以去除和均化其残余应力。

时效方法可以分为自然时效和人工时效两大类。工程上应用最为广泛的人工时效方法是热时效和振动时效。

热时效方法是将零部件按照一定的升温曲线加热到指定温度并保持一段时间，然后再按照一定的降温曲线将零部件的温度降至室温。对于钢制零部件需要保温数小时，甚至更长时间，使其内部的残余应力充分释放。因为是整体加热、且加热的时间和温度可以精确控制，热时效方法可以有效调控零部件内部残余应力的消除程度和均化水平。但是，由于会明显降低零部件材料的力学性能和结构刚度，热时效方法不适宜于材料性能和结构刚度要求高的零部件，譬如薄壁钢结构件和铝合金、钛合金等轻合金材料制造的零部件。此外，用热时效方法处理零部件，所需设备庞大、时间周期长、能耗高，若采用油、气、煤等作为化学燃料，热时效还会产生环境污染。随着我国节能、减排和防治污染压力的日益加重，作为高能耗传统工艺技术，热时效方法面临的压力也越来越大。

振动时效(vibratory stress relief，VSR)方法的基本原理是，利用机械振动方式对零部件施加外力，当其与零部件内部的残余应力叠加达到和超过所在区域材料的屈服强度时，其残余应力便可以通过塑性变形得到释放，从而达到时效目的。显然，机械振动的频率越接近零部件的共振频率，零部件的振幅越大，其消除残余应力的效果越显著；其负面效应是，机械振幅越大，越容易使零部件产生损伤、甚至破坏。因此，在工程中对零部件实施振动时效方法时，其振动频率必须偏离其共振频率，即所谓亚共振时效。与热时效方法相比，亚共振时效所需设备简单、能耗低、工艺周期短，时效后零部件的材料性能和结构刚度不会下降。振动时效效果有限和噪音污染严重，是制约振动时效方法广泛应用的主要障碍。

发明内容

基于一些零部件内部的残余应力往往集中在其几何和材质发生突变的局部区域这一事实，本发明提出了一种新的用于消除和均化这类零部件残余应力的方法，即局部快速加热为主、辅以振动的时效方法。一种局部热时效和振动辅助局部热时效的方法，其特征为，具体包括如下步骤：

1)  根据零件材质、结构几何、前期加工和处理工艺等参数，通过经验判断或计算机建模虚拟制造技术对需要进行时效处理的零部件内部弹性能、残余应力分布进行分析，确定其应力分布集中区域等工艺参数；

2)   通过由步骤1）中分析结果，从下面三个时效处理方法中选择一种对零件进行处理：

(a)             当零部件性能或结构特征不适合振动时效时，只对零件进行局部热时效；

(b)             当零部件材料在加热之后其固有频率得到显著下降，而撤销热源后其固有频率大幅回升时，使用局部热时效与整体振动时效同时进行的方法对零件进行时效处理；

(c)              当零部件材料在加热之后其固有频率得到显著下降，而撤销热源后其固有频率只有少量回升时，使用先进行局部热时效，然后进行整体振动时效的方法对零件进行时效处理。

3)  对进行了步骤2）的时效处理后的零件的内部的残余应力进行建模分析，并根据分析结果，判断，零件内部残余应力是否达到工艺要求和零件尺寸精度，如果符合则时效处理结束，如不符合则进行步骤4）；

4)  重复步骤2）—3）直至零部件的残余应力和零件尺寸精度达到工艺要求时，时效过程结束。

进一步，所述步骤2）中的（a）、（b）和（c）方法，首先通过步骤1）中的模拟方式判断对该零件进行热时效时所需的局部热源的种类、形状、强度与数量，以及合适的热时效曲线、道次。

进一步，所述局部热源为激光束、火焰枪或感应线圈。

进一步，所述局部热源为单点热源、多点热源、线热源或局部面热源。

进一步，所述如选择激光束作为局部热源，还应根据零部件特征对激光束的参数进行调整。

进一步，所述激光的光斑形状为圆形截面、矩形截面、不规则形状截面。

进一步，对于步骤2）中（b）和（c）方法，除了确定其热时效所需的工艺参数外还需要通过振动时效设备获得零部件在局部热时效时或局部热时效后的固有频率，确定振动时效设备的相关参数，对零件进行振动时效。

本发明提出了一种用于消除和均化零部件残余应力的新的时效方法，即局部热时效和振动辅助局部热时效方法。与前述的时效方法不同，局部热时效和振动辅助局部热时效方法只需用移动热源局部作用零部件的残余应力集中区域，即无需将零部件整体置于加热炉中，其每一部分材料被热源直接加热的时间也远少于常规热时效方法。仍以钢为例，若采用功率密度≤10⁴W/cm²的激光束为热源，被辐照材料的加热时间约为秒量级。在局部热辐照的同时对零部件施加机械振动，可以进一步提高时效效果。这是因为，对零部件的应力集中区域局部加热，不仅降低了该区域材料的屈服强度，还可降低零部件的共振频率以及释放残余应力所需的振幅，在此基础上辅以机械振动，其时效效果更佳，其噪音污染也可显著降低。

具体实施方式

本发明中的局部热时效和振动辅助局部热时效的方法；具体包括如下步骤：

1)  根据零件材质、结构几何、前期加工和处理工艺等参数，通过经验判断或计算机建模虚拟制造技术对需要进行时效处理的零部件内部弹性能、残余应力分布进行分析，确定其应力分布集中区域等工艺参数；

2)   通过由步骤1）中分析结果，从下面三个时效处理方法中选择一种对零件进行处理：

(a)             当零部件性能或结构特征不适合振动时效时，只对零件进行局部热时效；

(b)             当零部件材料在加热之后其固有频率得到显著下降，而撤销热源后其固有频率大幅回升时，使用局部热时效与整体振动时效同时进行的方法对零件进行时效处理；

(c)              当零部件材料在加热之后其固有频率得到显著下降，而撤销热源后其固有频率只有少量回升时，使用先进行局部热时效，然后进行整体振动时效的方法对零件进行时效处理。

3)  对进行了步骤2）的时效处理后的零件的内部的残余应力进行建模分析，并根据分析结果，判断，零件内部残余应力是否达到工艺要求和零件尺寸精度，如果符合则时效处理结束，如不符合则进行步骤4）；

4)  重复步骤2）— 3）直至零部件的残余应力和零件尺寸精度达到工艺要求时，时效过程结束。

对于步骤2）中的（a）、（b）和（c）方法，首先通过步骤1）中的模拟方式判断对该零件进行热时效时所需的局部热源的种类、形状、强度与数量，以及合适的热时效曲线、道次等。局部热源可选择激光束、火焰枪或感应线圈等可对零件进行局部加热的热源；热源也可以是单点热源、多点热源、线热源、局部面热源等。如选择激光束作为局部热源，还可根据零部件特征随时对激光束的参数进行调整；例如：局部热源扫描光斑形状根据需求可以调整为圆形截面、矩形截面、不规则形状截面等。

对于步骤2）中（b）和（c）方法，除了确定其热时效所需的工艺参数外，还需要通过振动时效设备获得零部件在局部热时效时或局部热时效后的固有频率，并根据行业标准确定振动时效设备的相关参数，对零件进行振动时效。

本发明通过局部热时效和振动辅助局部热时效方法，达到去除残余应力和均化组织的目的。相对于传统的热时效和振动时效工艺，该方法不但可以使热能得到有效的利用，节约能源，提高时效效果，而且在局部加热后零部件固有频率的降低使得振动时效噪音大幅减小。