一种冷轧法消除环件残余应力的工艺参数优化方法

摘要

本发明提出一种冷轧法消除环件残余应力的工艺参数优化方法。根据工件初始残余应力分布状态，基于环件轧制力学与运动学条件，结合环件对最终尺寸与力学性能要求，同时考虑环件轧制工艺设备能力，将残余应力消减率与分布均匀性作为控制优化目标，以压下率、驱动辊转速、摩擦系数、芯辊半径和芯辊进给速度所允许的范围作为约束条件，给出冷轧法消除环件残余应力工艺参数综合优化设定方法，本发明可以对应力消除效果进行系统的、全面的评价，科学的、高效的、准确的制定工艺参数，对环件有针对性的进行冷轧消除残余应力处理，大幅提高残余应力调控效果，充分发挥冷轧法消除环件残余应力技术优势。

说明书

技术领域

本专利涉及残余应力消除领域，尤其涉及一种冷轧法消除环件残余应力的工艺参数优化方法。

背景技术

高性能环形件是运载火箭关键连接件和飞机舱关键零件，一般采用固溶-淬火-时效强化的合金，其轧制成形过后的环件必须进行固溶淬火，以提高材料的韧性、强度、抗疲劳性能及耐腐蚀性能等。但是固溶淬火后的环件会产生较大的淬火残余应力，使后续的机械加工产生严重的变形，甚至翘曲。经过热处理后的环件，其内部处于一种残余应力的不稳定平衡状态。当外界条件发生一定变化时，这种不稳定的平衡状态被打破，造成部分残余应力的释放，环件在没有约束的情况下就会发生如弯曲、扭转等变形现象。另外，淬火残余应力还会引起材料的应力腐蚀开裂，降低材料的使用寿命，使锻件具有严重的安全隐患。环件在淬火后，若产生较大残余应力而没有相应的淬火残余应力消减工艺，环件在服役的过程中会随着时间的延长，恶劣环境的侵蚀而导致环件失效，出现开裂、折断等缺陷。因此，基于环形件制造的高精度薄壁结构件，对环形件的残余应力控制提出了苛刻要求，对其淬火残余应力消除的研究极为重要。

相关研究表明，淬火残余应力可以通过改进淬火工艺、采用淬火介质、进行适当的热处理或通过变形、振动等机械方式得到消除和控制。采用热水或有机介质代替冷水淬火时，在一定程度上能降低残余应力，但同时也使材料的机械性能大打折扣，因此用来控制淬火残余应力水平的综合效果非常有限，在环件制备过程中，还必须安排专门的残余应力调整工艺。残余应力调整的工艺方法有很多，下面介绍几种典型的方法：机械法、热时效、振动时效及热振时效。

热时效是指通过对时效件施加特定时间的加热、保温以及冷却处理，使其在特定温度场的作用下实现残余应力调控；振动时效是指对时效件在特定频率下施加特定时间的特定循环载荷，从而实现残余应力调控。

热振复合残余应力调控时效技术是近几年关于振动时效技术的一个新的研究方向，基于复合多能场的概念，以不改变材料的组织状态为前提，在一定温度条件下对时效件施加循环动载荷，通过热与振动时效的复合，实现时效件中残余应力的松弛、降低与消除。专利“一种针对大型环轧零件局部残余应力均化的热振复合装置”(申请/专利号：CN201610479358.6)设计一种残余应力均化装置，主要用于航天领域大型环轧薄壁零件的残余应力均化。通过调整激振力和加热温度，采用热振复合的方式对零件进行局部的加热和振动，从而达到均化残余应力的目的。

预变形消除淬火残余应力是机械法中最常用的方法，预变形方法包括预拉伸变形和预压缩变形两种。其原理是将淬火后的材料沿一定方向施加定量的永久塑性变形，使外加应力与淬火残余应力叠加后发生塑性变形，释放残余应力。专利“一种大型环轧零件的液压胀形残余应力均化装置”(申请/专利号：CN201610542034.2)设计一种大型环轧零件的液压胀形残余应力均化装置，它用于均化大型环轧零件在轧制过程中产生的残余应力。该残余应力均化装置可以通过液压系统的加载和检测装置的反馈控制胀形力，以液压胀形的方式进行预变形处理实现大型环轧零件的残余应力均化。但是涨形机设备一次性投入成本高，且每个环件只能用专用工装进行涨形，模具费用较高，对于小批量产品不适用。因此，需要更经济、更方便、更适合广泛推广应用工艺方法，专利“一种铝合金冷环轧消除应力方法”(申请/专利号：CN201610792666.4)提出一种铝合金冷环轧消除应力的方法，利用铝合金锻件在固溶后产生冷变形拉伸以消除残余应力，通过10m的碾环机对铝合金环锻件进行冷辗环，使所述铝合金锻件的外径扩大2％～3％，其能进一步消除残余应力，消除铝合金环锻件的机加工变形，其不需要一次性投入冷涨形设备及专用冷涨形模具，其只需要利用现有碾环机，具有投入低、成本低的优点，其有效适用于小批量产品。

但是，现有的冷轧法消除环件残余应力工艺在技术应用上使用的工艺参数主要是依据仿真或者传统的预变形处理方法，主要存在的问题有：(1)对环件残余应力消除效果评价较单一，不能系统、全面的反映应力消除效果。现有消除效果判据与评价主要有尺寸精度稳定性法、残余应力测量法。利用尺寸精度稳定性的测试一般包括对环件冷轧处理前后检测尺寸变化，冷轧处理后加载动载荷前后测量形变或者冷轧处理后静置，在间隔时间段测量尺寸变化三种方式。这三种方式对测量设备精度，测试操作方法以及测试周期有一定的规范要求，同时也没有直接体现时效处理前后的残余应力变化；对于应力消除效果的判定的直观方法是直接检测环件的残余应力，残余应力检测常用钻孔法或者X射线法进行检测，这种方法可以检测冷轧处理前后残余应力变化，但是测量方式繁琐，耗时耗力，不能快速实现消除效果的评价；(2)冷轧法消除环件残余应力工艺参数的制定依赖于仿真处理或者操作者积累的经验，压下率、驱动辊转速、摩擦系数、芯辊半径和芯辊进给速度等工艺特征参数的选取都没有规范的标准和指南，完全凭借仿真试验法或者以往经验确定，科学依据不足，应力消除效果具有不可预测性，导致在冷轧法消除环件残余应力试验操作上的盲目性太大，常常出现环件残余应力消除不理想的情况。

综上，如何确定冷轧法消除环件残余应力的最佳工艺方案以达到最好的残余应力消除效果是当前冷轧法消除环件残余应力推广应用面临的主要问题之一。因此，亟需一种系统的、全面的残余应力消除效果评价方法，在此基础上提出一种科学的、高效的、准确的工艺制定方法，解决冷轧法消除环件残余应力效果评价较单一的问题，对环件有针对性的进行冷轧法消除残余应力工艺处理，避免试验中的盲目性，提高试验效率，从而快速有效的确定冷轧法消除环件残余应力的最佳工艺方案以达到降低和均化环件内部残余应力与提高环件的服役寿命的目的。

发明内容

本发明的目的在于提出一种冷轧法消除环件残余应力的工艺参数优化方法。根据环件初始残余应力分布状态，基于环件轧制力学与运动学条件，结合环件对最终尺寸与力学性能要求，同时考虑环件轧制工艺设备能力，将残余应力消减率与分布均匀性作为控制优化目标，以压下率、驱动辊转速、摩擦系数、芯辊半径和芯辊进给速度所允许的范围作为约束条件，给出冷轧法消除环件残余应力工艺参数综合优化设定方法，本发明可以对应力消除效果进行系统的、全面的评价，科学的、高效的、准确的制定工艺参数，对环件有针对性的进行冷轧法消除残余应力处理。

为了实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：

一种冷轧法消除环件残余应力的工艺参数优化方法，其特征在于：包括以下步骤：

(a)选取环件上n个典型点位，同时给出点位的初始残余应力σ

(b)确定环件初始外半径R

(c)基于环件轧制力学与运动学条件，结合环件对最终尺寸与力学性能要求，同时考虑环件轧制工艺设备能力，收集确定冷轧法消除环件残余应力工艺参数范围，主要包括：压下率最大值ε

(d)设定目标函数初始值G

(e)令ε＝ε

(f)定义驱动辊转速n并初始化，寻优步长Δn，设定驱动辊转速寻优中间过程参数k

(g)令n＝n

(h)定义摩擦系数μ并初始化，寻优步长Δμ，设定摩擦系数寻优中间过程参数k

(i)令μ＝μ

(j)定义芯辊半径R

(k)令R

(l)定义芯辊进给速度v并初始化，寻优步长Δv，设定芯辊进给速度寻优中间过程参数k

(m)令v＝v

(n)计算当前工艺参数下环件经过冷轧工艺后典型点位的残余应力消减率η

(o)判断约束不等式

(p)计算当前工艺参数下残余应力消除效果综合评定的优化目标函数G，其表达式为：

式中，σ′

σ′

σ′

α,β—加权系数，其中0≤α≤1，0≤β≤1，且0≤α+β≤1，各值大小可以根据环件残余应力消除对各项指标参数的不同需求在一定范围内进行适当调整；

需要说明的是，优化目标函数G的值越小越好；公式(1)中

(q)判断不等式G＜G

(r)判断不等式

(s)判断不等式

(t)判断不等式

(u)判断不等式

(v)判断不等式

(w)输出冷轧法消除环件残余应力最优压下率ε

进一步地，所述的环件为矩形截面环件。

更进一步地，所述的冷轧是沿环件径向进行一定压下变形量的冷变形。

更进一步地，步骤(c)中所述的压下率最大值ε

1％≤ε

更进一步地，步骤(c)中所述的驱动辊转速最大值n

更进一步地，步骤(c)中所述的摩擦系数最大值μ

0.1≤μ

更进一步地，步骤(c)中所述的芯辊半径最大值R

更进一步地，步骤(c)中所述的芯辊进给速度最大值v

更进一步地，步骤(n)中所述的残余应力消减率η

式中，

a

需要说明的是，公式(7)既考虑各个工艺参数单独对残余应力消减率的独立影响作用，同时考虑各个工艺参数之间对残余应力消减率的交互耦合影响。

本发明与现有技术相比具有如下优点和效果：

与现有技术相比，本发明实现了冷轧法消除环件残余应力的工艺参数优化设定，科学的设定压下率、驱动辊转速、摩擦系数、芯辊半径和芯辊进给速度等工艺参数，在保证环件性能良好的前提下，提高残余应力消减率与环件残余应力分布均匀性。主要存在以下优势：(1)对冷轧法消除环件残余应力效果进行系统的、全面的评价，解决了传统效果评价方法较单一的问题；(2)科学的、高效的、准确的制定工艺参数，对环件有针对性的进行冷轧法消除环件残余应力工艺处理，避免冷轧法消除环件残余应力过程中的盲目性，提高环件残余应力消除效率，从而快速有效的确定冷轧法消除环件残余应力的最佳工艺方案以达到降低和均化环件内部残余应力与提高环件的服役寿命的目的，大幅提高残余应力调控效果，充分发挥了冷轧法消除环件残余应力技术优势，提高了生产的效率和利润，为企业生产带来了效益。

附图说明

图1一种冷轧法消除环件残余应力的工艺参数优化方法总流程图；

图2实施例中2219铝合金矩形环件冷轧法消减残余应力工艺示意图。

其中：1-驱动辊；2-右抱辊；3-芯辊；4-环件；5-上锥辊；6-下锥辊；7-左抱辊。

具体实施方式

本实施例选用2219铝合金矩形环件作为实验对象。

一种冷轧法消除环件残余应力的工艺参数优化方法，其特征在于：包括以下步骤(总流程图如图1所示)：

(a)选取环件上100个典型点位，同时给出点位的初始残余应力σ

(b)确定环件初始外半径R

(c)基于环件轧制力学与运动学条件，结合环件对最终尺寸与力学性能要求，同时考虑环件轧制工艺设备能力，收集确定冷轧法消除环件残余应力工艺参数范围，主要包括：压下率最大值ε

(d)设定目标函数初始值G

(e)令ε＝ε

(f)定义驱动辊转速n并初始化，寻优步长Δn＝0.5rad/s，设定驱动辊转速寻优中间过程参数k

(g)令n＝n

(h)定义摩擦系数μ并初始化，寻优步长Δμ＝0.05，设定摩擦系数寻优中间过程参数k

(i)令μ＝μ

(j)定义芯辊半径R

(k)令R

(l)定义芯辊进给速度v并初始化，寻优步长Δv＝0.1mm/s，设定芯辊进给速度寻优中间过程参数k

(m)令v＝v

(n)计算当前工艺参数下环件经过冷轧工艺后典型点位的残余应力消减率η

(o)判断约束不等式

(p)计算当前工艺参数下残余应力消除效果综合评定的优化目标函数G＝0.998，其中α＝0.5，β＝0.3，且0≤α+β≤1；

(q)判断不等式G＜G

(r)判断不等式

(s)判断不等式

(t)判断不等式

(u)判断不等式

(v)判断不等式

(w)输出冷轧法消除环件残余应力工艺最优压下率ε

需要说明的是，本发明优化的工艺参数为压下率、驱动辊转速、摩擦系数、芯辊半径和芯辊进给速度，对于大部分的环件轧制设备而言，这几个工艺参数均有设置，为了快速有效的实现冷轧法消除环件残余应力过程，只需在本发明提出的优化模型基础上稍加改进即可。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。