CN113210480B - 盆状异形锻件残余应力消除方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种盆状异形锻件残余应力消除方法，利用上下两个冷压模具彼此配合，使盆状异形锻件在径向上产生小的塑性变形，使外加应力与锻件的原始淬火残余应力相互叠加，在保证变形后锻件尺寸满足设计要求的前提下，实现残余应力的消减。该方法不仅能够对残余应力进行有效消除，而且操作难度小，成本低廉。

Description

盆状异形锻件残余应力消除方法

技术领域

本发明属于材料加工技术领域，尤其涉及一种盆状异形锻件残余应力消除方法。

背景技术

随着我国航空、轨道交通等工业的快速发展，结构件的损伤容限和耐久准则逐步形成，铝合金锻件向着高强韧、抗疲劳、耐腐蚀、低成本、多功能等相仿全面发展，更好的满足运载工具功能设计、生产制造领域的多方面要求。

为了获得高强高韧性，超高强度铝合金锻件必须进行固溶淬火处理。淬火冷却期间工件表面和芯部存在着极大的温度梯度，这将在淬火后结构件中诱发极大的淬火残余应力。最终的残余应力大小和分布是工件温度梯度和几何特征共同作用下的结果，且通常表现为“外压内拉”的应力分布状态。研究表明，高强铝合金锻件由于淬火产生的表层应力将会大于200MPa。此外，高端装备产业对零件的形位精度具有极高要求，但由于其尺寸较大、材料去除率高、刚度弱，较大的残余应力将导致零件在机加工过程中产生严重的弯曲、翘曲等加工变形，增加了后续工件校形的成本，甚至导致工件报废。因此，为降低铝合金锻件制造成本、提高加工质量及效率，对淬火残余应力尽可能的消减是后续加工变形控制的关键因素。

目前针对标准的盆状锻件残余应力的消减方法主要是通过施加单向外来载荷，使锻件在淬火残余应力与外加载荷引起的附加应力的共同作用下，产生一定量的永久塑性变形，从而达到消减残余应力的目的。但是对于在盆底(小头端)设有通孔，且在通孔的两端设有拔模锥角的非标准盆状锻件(也即盆状异形锻件)，通过上述方法很难实现残余应力的消除，而且操作难度大，处理成本高。

因此，如何提供一种盆状异形锻件残余应力消除方法，不仅能够对残余应力进行有效消除，而且操作难度小，成本低廉是本领域技术人员亟需解决的技术问题。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种盆状异形锻件残余应力消除方法，不仅能够对残余应力进行有效消除，而且操作难度小，成本低廉。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

盆状异形锻件残余应力消除方法，利用上下两个冷压模具彼此配合，能同时对锻件的小头端与侧壁进行胀形，在减少压下道次、提高生产效率的前提下，使盆状异形锻件整体在径向上产生小的塑性变形，使外加应力与锻件的原始淬火残余应力相互叠加，在保证变形后锻件尺寸满足设计要求的前提下，实现残余应力的消减；其中，盆状异形锻件是指在盆底设有通孔，且通孔的两端设有拔模锥角的盆状锻件。

具体的，具体包括如下步骤：

步骤一：基于零件尺寸和给定单边余量设计锻件尺寸，再基于胀形要求对局部尺寸进行优化；

步骤二：基于优化后的锻件形状与尺寸设计冷压模具；

步骤三：采用上述冷压模具，对优化后的盆状异形锻件进行冷压胀形处理。

具体的，优化后锻件截面重心的直径D_f＝(0.965～0.975)D_f0，其中D_f0为优化前锻件截面重心的原始直径。

具体的，锻件小头端的通孔设计原则形状遵循上锥面+垂直柱面+下锥面的设计准则(下锥面是为了贴合下模；设计上锥面能增大图3中的D₂尺寸，进而增大上模的内径D_t2尺寸，D_t2若较小，上模压下时可能会与下模接触；垂直柱面是起一个过渡作用，防止上下锥面相交处过于尖锐刮伤模具)，其中，锻件盆腔位于通孔的下方，通孔的上锥面斜角θ₁和下锥面斜角θ₂满足θ₁+θ₂＝90°，且θ₁＝θ₃，其中θ₃为锻件盆腔的侧锥面的斜角，锻件优化前后θ₃保持不变。

具体的，冷压胀形模具分上下两件模具，其中上模为环形平模，下模为阶梯式锥模，模具尺寸设计需满足以下要求：

(1)下模两段锥面的斜角θ_b1＝θ_b2＝θ₃，且装配后下模上下锥面分别紧贴锻件盆底通孔的下锥面和锻件盆腔侧壁的内锥面；

(2)装配后，下模顶面不得矮于锻件内孔下锥面，确保胀形时内孔紧贴下模上锥面滑动；

(3)装配后，锻件小头端内侧与下模阶梯平台之间的高度差H_m和锻件底部与下模底部之间的高度差H_b须均大于冷压胀形的压下量，为上模压下时留有足够的安全行程余量；

(4)上模的外径D_t1为(D1+80～100)mm，上模的内径D_t2应满足D_b1＜D_t2＜D₂，防止冷压胀形时上下模接触，其中，D1为锻件盆底的直径，D_b1为下模最小直径，D₂为锻件盆底通孔上锥面的最大直径。

具体的，H_m≥ΔH+5mm，H_b≥ΔH+5mm，其中，ΔH为上模压下量。

具体的，冷压胀形时，下模保持静止，通过上模压下、下模胀形的配合方式实现对锻件径向胀形，且胀形后截面重心的胀形量ΔD_f为(2.5％～3.5％)D_f。

具体的，上模的压下量ΔH由如下公式计算：

具体的，所述盆状异形锻件为铝合金锻件。

具体的，对固溶淬火后的铝合金锻件进行冷压胀形处理，冷压胀形完成后进行时效处理。

原理与优势：

本发明基于机械变形法和盆状异形锻件的几何特征，通过上下两个冷压模使盆状异形锻件在径向上产生较小的塑性变形，使外加应力与锻件的原始淬火残余应力相互叠加，从而达到消减残余应力的目的，同时使变形后的锻件满足设计要求。

本发明针对盆状异形铝合金锻件的几何特征提出在固溶处理工艺与人工时效工艺之间增设一道冷压胀形工艺。通过“固溶淬火+冷压胀形+时效处理”的复合工艺，可将盆状异形铝合金锻件的残余应力最高降低83％。进一步提高材料的断裂韧性、疲劳寿命、耐腐蚀性以及机加后的尺寸稳定性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是盆形异形锻件二道次冷压胀形工艺图；

图2是本发明实施例涉及的锻件优化前后示意图；

图3是本发明实施例涉及的锻件尺寸设计图；

图4是本发明实施例涉及的冷压胀形模具尺寸设计图；

图5是本发明实施例涉及的模具装配；

图6是对比例1涉及的盆形异形锻件1尺寸图；

图7是实施例2涉及的盆形异形锻件2尺寸(优化后)及冷压模尺寸图；

图8是实施例3涉及的盆形异形锻件3尺寸图(优化后)及冷压模尺寸图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

为解决盆状异形锻件残余应力消除的问题，发明人进行了大量研究，参见图1，发明人首先想到的是先利用顶部凸模+底部平模对锻件的小头端进行胀形，再将锻件倒扣过来对侧壁进行胀形(或者反过来)的二道次胀形工艺，但是发明人发现，上述工艺须分两道次压下分别对盆状锻件的侧壁与内孔进行胀形，耗费人力、物力，生产效率低。此外，第二道次压下会对第一道次的结果会产生影响，导致原本消减后的残余应力再次增大，故难以确定最适合的压下工艺使小头端与侧壁的残余应力均尽可能最小。

本发明正是发明人基于盆状异形锻件的几何特征，对上述胀形工艺进行了适当的调整与优化，提出的一种针对盆状异形锻件的新的胀形工艺，以此工艺达到消减盆状异形锻件的残余应力的目的。

本发明实施例提供的盆状异形锻件残余应力消除方法，利用上下两个冷压模具彼此配合，使盆状异形锻件在径向上产生小的塑性变形，使外加应力与锻件的原始淬火残余应力相互叠加，在保证变形后锻件尺寸满足设计要求的前提下，实现残余应力的消减；其中，盆状异形锻件是指在盆底设有通孔，且通孔的两端设有拔模锥角的盆状锻件。

本发明实施例通过上模压下、下模胀形的配合方式实现对锻件径向胀形，胀形过程中，外加应力与锻件的淬火残余应力相互叠加并重新分布，进而消减锻件的残余应力。此外，由于上下模具之间的相互配合，可对锻件的小头端与侧壁同时进行胀形，仅需一道次压下工艺便可对整个锻件完成胀形，能显著节约时间成本和人工成本，大大提高生产效率。

以下将以铝合金锻件对本发明具体工艺过程作详细阐述，这里需要说明的是，本发明残余应力消除方法并不仅限于铝合金锻件的残余应力消除，还可以用于其他存在合金锻件的残余应力消除，在此不再赘述。

参见图2-图4，一种盆状异形铝合金锻件冷压胀形消除残余应力的方法，包括如下步骤：

步骤一：基于零件尺寸和给定单边余量设计锻件尺寸，再对部分尺寸进行优化；

步骤二：基于锻件形状与尺寸设计冷压模具尺寸；

步骤三：对固溶淬火后的盆状异形铝合金锻件进行冷压胀形处理。

需要解释的是，发明人研究发现，优化后截面重心的直径D_f控制在(0.965～0.975)D_f0比较合适，其中D_f0为锻件截面重心的原始直径，如图2所示。这样设计的主要原因在于冷压胀形后，冷压胀形后，锻件各部位将沿径、周向产生塑性变形，直径略微增大，故为保证锻件的尺寸精度，须在锻件设计时将保持锻件高度尺寸不变但直径尺寸减小。优化后锻件其他径向尺寸均通过截面平移的方式确定缩小量，也即缩减比例均与截面重心的直径缩减比例一致。

参见图3，具体的，盆形锻件小头端的内孔设计原则为①内孔形状遵循“上锥面+垂直柱面+下锥面”设计；②内孔上锥面斜角θ₁和下锥面斜角θ₂满足θ₁+θ₂＝90°，且θ₁＝θ₃，其中θ₃为盆形锻件侧锥面的斜角。这样的设计的优点在于：一方面可以保证下锥面与下模的紧密贴合，设计上锥面能增大图4中的D2尺寸，进而增大上模的内径Dt₂尺寸，Dt₂若较小，上模压下时可能会与下模接触，垂直柱面是起一个过渡作用，防止上下锥面相交处过于尖锐刮伤模具。

具体的，冷压胀形模具分上下两件模具，其中上模为环形平模，下模为阶梯式锥模。

优选的，下模两段锥面的斜角θ_b1＝θ_b2＝θ₃，且装配后下模上下锥面分别紧贴锻件内孔的下锥面和锻件侧壁的内锥面。上述设计的目的在于可以保证下模的锥面与锻件内表面保持紧密贴合，可以确保冷压胀形过程中锻件在全高度上沿径向的胀形量相等。

具体的，模具装配后，下模顶面不得矮于锻件内孔下锥面，确保胀形时内孔紧贴下模上锥面滑动。

参见图5，可以理解的是，在实际设计过程中，模具装配后，锻件小头端内侧与下模阶梯平台之间的高度差Hm和锻件底部与下模底部之间的高度差Hb须均大于冷压胀形的压下量，为上模压下时留有足够的安全行程余量，即H_m≥ΔH+5mm，H_b≥ΔH+5mm，其中ΔH为上模压下量。上述实施例通过将Hm设计为比ΔH大5mm以上，可以避免把锻件小头端压扁，将Hb设计为比ΔH大5mm以上，可以避免还没压完锻件底部就与地面接触，导致锻件压塌。

其中，胀形后截面重心的胀形量ΔD_f为(2.5％～3.5％)D_f，上模的压下量根据如下公式计算。

具体的，上模的外径D_t1为(D1+80～100)mm，上模的内径D_t2应满足D_b1＜D_t2＜D₂，防止冷压胀形时上下模接触，其中D1为锻件盆底的直径，D_b1为下模最小直径，D₂为锻件盆底通孔上锥面的最大直径。

下面将结合对比例和具体实施例对本发明作进一步说明。

对比例1

利用传统锻造工艺成型如图6所示异形盆状铝合金锻件。锻件经480℃固溶数小时后直接淬火，淬火水温为60℃。将淬火锻件直接进行T6时效后，利用钻孔法测量其顶面和底面的残余应力，测得其表面Mises等效应力为190～256MPa，应力状态为压应力。

实施例1

对图6所示锻件进行尺寸优化并在固溶与时效工艺间进行冷压胀形处理。其工艺参数为：优化后截面重心的直径D_f＝785mm；内孔上锥面斜角θ₁＝55°；内孔下锥面斜角θ₂＝35°；下模两段锥面的斜角θ_b1＝θ_b2＝55°；上模的外径D_t1＝700mm；上模的内径D_t2＝320mm；下模的最小直径D_b1＝280mm；锻件内孔上锥面的最大直径D₂＝355mm；胀形后截面重心的胀形量ΔD_f＝2.9％D_f＝23.5mm；上模压下量ΔH＝16.8mm。利用小孔法测量其固溶处理+冷压胀形+时效后上下两面的残余应力，得：上表面Mises等效应力为31～47MPa，为拉应力，与对比例1相比残余应力的消减效果为83％；下表面Mises等效应力为84～125MPa，为压应力，与对比例1相比残余应力的消减效果为53％。

实施例2

对图7所示锻件和模具进行“固溶处理+冷压胀形+时效处理”工艺，其中上模压下量为4mm，变形量ΔD_f＝3.0％D_f＝5.5mm。利用X射线衍射法测量其冷压胀形前后上下两面的残余应力，结果如表1所示。从表中可知，冷压胀形对其残余应力的平均消减效果为42％。

表1锻件2的残余应力测试结果

实施例3

对图8所示锻件和模具进行“固溶处理+冷压胀形+时效处理”工艺，其中上模压下量为10mm，变形量ΔD_f＝3.0％D_f＝14.0mm。利用小孔法测量其顶面和底面的残余应力，其Mises等效应力为31～68MPa。

上述本发明所公开的任一技术方案除另有声明外，如果其公开了数值范围，那么公开的数值范围均为优选的数值范围，任何本领域的技术人员应该理解：优选的数值范围仅仅是诸多可实施的数值中技术效果比较明显或具有代表性的数值。由于数值较多，无法穷举，所以本发明才公开部分数值以举例说明本发明的技术方案，并且，上述列举的数值不应构成对本发明创造保护范围的限制。

另外，上述本发明公开的任一技术方案中所应用的用于表示位置关系或形状的术语除另有声明外其含义包括与其近似、类似或接近的状态或形状。本发明提供的任一部件既可以是由多个单独的组成部分组装而成，也可以为一体成形工艺制造出来的单独部件。

上述实施例仅仅是清楚地说明本发明所作的举例，而非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里也无需也无法对所有的实施例予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims (6)

1.盆状异形锻件残余应力消除方法，其特征在于：利用上下两个冷压模具彼此配合，使盆状异形锻件在径向上产生小的塑性变形，使外加应力与锻件的原始淬火残余应力相互叠加，在保证变形后锻件尺寸满足设计要求的前提下，实现残余应力的消减；其中，盆状异形锻件是指在盆底设有通孔，且通孔的两端设有拔模锥角的盆状锻件；

具体包括如下步骤：

步骤一：基于零件尺寸和给定单边余量设计锻件尺寸，再基于胀形要求对局部尺寸进行优化；

步骤二：基于优化后的锻件形状与尺寸设计冷压模具；

步骤三：采用上述冷压模具，对优化后的盆状异形锻件进行冷压胀形处理；

优化后锻件截面重心的直径D_f＝(0.965～0.975)D_f0，其中D_f0为优化前锻件截面重心的原始直径；

锻件小头端的通孔设计原则形状遵循上锥面+垂直柱面+下锥面的设计准则，其中，锻件盆腔位于通孔的下方，通孔的上锥面斜角θ₁和下锥面斜角θ₂满足θ₁+θ₂＝90°，且θ₁＝θ₃，其中θ₃为锻件盆腔的侧锥面的斜角；

冷压胀形模具分上下两件模具，其中上模为环形平模，下模为阶梯式锥模，模具尺寸设计需满足以下要求：

(1)下模两段锥面的斜角θ_b1＝θ_b2＝θ₃，且装配后下模上下锥面分别紧贴锻件盆底通孔的下锥面和锻件盆腔侧壁的内锥面；

(2)装配后，下模顶面不得矮于锻件内孔下锥面，确保胀形时内孔紧贴下模上锥面滑动；

(3)装配后，锻件小头端内侧与下模阶梯平台之间的高度差H_m和锻件底部与下模底部之间的高度差H_b须均大于冷压胀形的压下量，为上模压下时留有足够的安全行程余量；

(4)上模的外径D_t1为(D1+80～100)mm，上模的内径D_t2应满足D_b1＜D_t2＜D₂，防止冷压胀形时上下模接触，其中，D1为锻件盆底的直径，D_b1为下模最小直径，D₂为锻件盆底通孔上锥面的最大直径。

2.根据权利要求1所述的盆状异形锻件残余应力消除方法，其特征在于：H_m≥ΔH+5mm，H_b≥ΔH+5mm，其中，ΔH为上模压下量。

3.根据权利要求1所述的盆状异形锻件残余应力消除方法，其特征在于：冷压胀形时，下模保持静止，通过上模压下、下模胀形的配合方式实现对锻件径向胀形，且胀形后截面重心的胀形量ΔD_f为(2.5％～3.5％)D_f。

4.根据权利要求3所述的盆状异形锻件残余应力消除方法，其特征在于：上模的压下量ΔH由如下公式计算：

5.根据权利要求1-4任一项所述的盆状异形锻件残余应力消除方法，其特征在于：所述盆状异形锻件为铝合金锻件。

6.根据权利要求5所述的盆状异形锻件残余应力消除方法，其特征在于：对固溶淬火后的铝合金锻件进行冷压胀形处理，冷压胀形完成后进行时效处理。

Images