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文檔簡介
1、 Journa lof Materials Processing Technology 1 74 (2006) 342354 淬火中殘余應(yīng)力的預(yù)測和 冷加工對殘余應(yīng)力的減少摘 要 鋁合金淬火后,開發(fā)殘余應(yīng)力會導(dǎo)致后續(xù)機加工中失真。結(jié)果會是,機加工零件可能會失去忍受性和不得不冷加工或是重新加工。殘余應(yīng)力的測量實驗是漫長的、乏味的、和非常昂貴的,例如中子X射線衍射技術(shù)的最新發(fā)展。所以,在這項研究中,Al7050鍛造塊淬火以后,使用數(shù)量方法區(qū)預(yù)測殘余應(yīng)力,而且比較預(yù)測結(jié)果和實驗結(jié)果。結(jié)果表明了預(yù)測值與實驗結(jié)果有很好的一致性,最壞的情況下,偏差也只有10-15%。兩種不同的冷加工(壓縮和拉伸)方法常常
2、被用來減少殘余應(yīng)力。結(jié)果比較好顯示了,壓縮和拉伸工藝減少的殘余應(yīng)力有90%之多。可是單擊壓縮鋁合金方法減少殘余應(yīng)力比其別低水平的方法更加有效和經(jīng)濟。也研究了彈性模的影響效果。模具偏轉(zhuǎn)被發(fā)現(xiàn)對減少殘余應(yīng)力的量從90%降到70%左右。 1. 簡介當外部力釋放時,殘余應(yīng)力是存在于零件內(nèi)部的應(yīng)力系統(tǒng)。它的影響因素很多,如熱處理【15】、變形過程、【67】、機加工【8】、焊接/加入【9】或者上面方面的組合,這樣就改變著材料的形狀和改善著材料的特性。當零件部件發(fā)生不均勻的塑性變形或暴露在如鑄造、溫暖成型、焊接和淬火過程中的不均勻溫度下,會產(chǎn)生殘余應(yīng)力。一般來說,殘余應(yīng)力信號同有塑性應(yīng)變產(chǎn)生的殘余應(yīng)力信號是
3、相反的。如冷軋薄板,在其表面形成了由冷軋在縱向方向拉長的高壓應(yīng)力的殘余應(yīng)力。去除外力后,留下了表面的壓應(yīng)力和薄板中心區(qū)的拉應(yīng)力。重要性和相關(guān)性的測量,殘余應(yīng)力的預(yù)測和控制是基于它們對機加工產(chǎn)品的影響研究的。通過極快的減少疲勞強度,殘余應(yīng)力可能導(dǎo)致過早的實效,導(dǎo)致應(yīng)力腐蝕或氫裂,并導(dǎo)致失真和微變形。另一方面,壓縮殘余應(yīng)力可能提高組件的疲勞壽命、應(yīng)力腐蝕、抗氫裂性【1013】。所以研究調(diào)查和理解殘余應(yīng)力測量,它的預(yù)測和較少對于提高許多機加工零件的質(zhì)量和可靠性是非常重要的。殘余應(yīng)力不能被直接測量【9、11、14】。通過殘余宏觀和微觀應(yīng)力導(dǎo)致的塑性應(yīng)變的測量。實踐中使用的一些測量方法是:(a)超聲波方
4、法。她是基于這樣一個事實,當晶體材料放在壓力下,超聲波速度改變了。使用合適的儀器和技術(shù),可以測量其速度的改變。(b)使用的機械方法比其別方法使用的時間更長。有不同的方法可以達到效果,它們大多數(shù)是由去除應(yīng)力材料和測量應(yīng)力量的變化組成。在實際應(yīng)用中最流行的技術(shù)是鉆孔方法【14、15】。其別的機械方法是一出表面曾層方法和偏轉(zhuǎn)方法【2、14】。(c)X射線衍射方法:當金屬或陶瓷多晶材料放在壓力之下,在每個材料單粒中都有塑性應(yīng)變產(chǎn)生。應(yīng)力外涂或殘留在材料中,只要它是在流動應(yīng)力之下,他就會被內(nèi)部原子應(yīng)變占去。X射線衍射技術(shù)能測量處內(nèi)部原子間距,也就是樣本宏觀應(yīng)變特性【11、14、16】。既然中子比X射線更
5、加有滲透性,它們也能被使用【7、14、16、17】。殘余應(yīng)力的消除能通過壓縮和伸展的機械方法達到,也能如回火的熱處理方法達到【3、1821】。,也有非傳統(tǒng)方法如脈沖磁處理【22】。基于生產(chǎn)和實驗結(jié)果,伸展是所知的最有效的消除殘余應(yīng)力的方法??墒?,對于非矩形和非對稱零件,拉伸是不實際的,因為處理問題和非對稱載荷的原因,壓縮工藝經(jīng)常是首選的。應(yīng)用的設(shè)備,可能性德多少和成本因素決定著消除殘余應(yīng)力方法的選擇。壓縮僅適用于簡單形狀和平行面零件的使用。此外,工件的厚度不得不小于最大允許熱處理界面的厚度。既然殘余應(yīng)力的實驗測量是非常冗長、乏味和昂貴的,所以分析或數(shù)值方法對殘余應(yīng)力的預(yù)測被廣泛研究。由于有限元
6、分析方法FEA的多功能性、準確性和高效率性,它被發(fā)現(xiàn)是可行的和低成本的,代替了其別的試驗方法【7、13、24、25】。這篇文章的第一部分,有限元比利用中子衍射實驗測量方法在淬火鋁塊中對殘余應(yīng)力的預(yù)測更有合理精確性。第二部分,使用有限元方法消除車間中殘余應(yīng)力消除中的成本和冗長,分析和改善應(yīng)力消除工藝是相當復(fù)雜的。最后,提出了壓縮中消除殘余應(yīng)力上模具或工具彈性的影響。2. 淬火有限元分析淬火是一種熱處理方法,一個熱金屬零件放在水、油或其他液體,或他們的組合中,被迅速地冷卻【35、26】。使用有限元時鋁件淬火工業(yè)的分析已經(jīng)被很早的研究【7、13、24、27】。預(yù)測結(jié)果表明它同由表面移除方法測得的的殘
7、余應(yīng)力的實驗數(shù)據(jù)有很好的吻合。淬火條件在殘余應(yīng)力上有主要的影響。例如在冷水上得發(fā)生的鋁淬火對殘余應(yīng)力的影響比熱水上發(fā)生的鋁淬火要高50%【24、26、28】。2.1. 淬火工藝條件在這項研究中,對于淬火和隨后的拉伸和壓縮工藝過程,進行了有限元分析。對于淬火工藝,波音公司及其供應(yīng)商提供的報告文件中的實驗給出了有限元條件。本文作者不涉及實驗和測量,但是提供了報告中一些不能公開的部分。淬火過程中,統(tǒng)一鋁塊7050合金溫度的侵泡在水中,直到鋁塊溫度冷卻至的統(tǒng)一溫度。所以,溫度位移分析要求:(a)確定淬火溫度隨溫度變化的函數(shù)(傳熱分析)。(b)由于溫度的變化,估算殘余應(yīng)力(應(yīng)力分析)。在這項研究中使用兩
8、種不同的鋁塊7050(圖1)。第一種情況下 7050鋁塊(A塊)通過由贊助公司采用的種種衍射方法進行的實驗測試比較,來驗證有限元方法。第二種情況下,分析在鋁塊(C塊)上得殘余應(yīng)力的形成和消除,這種類型的塊通常用于鍛造和加工制造飛機結(jié)構(gòu)的原料。7050是使用在航空工業(yè)上典型的回火鋁合金。在我們的分析中,因為材料和物理數(shù)據(jù)對于鋁7050回火鋁合金塊是不適用的,所以用鋁7075來代替。這是一個合理的近似,因為兩種合金有相似的成分組成【30、31】。表1顯示了淬火工藝條件,表25描述了研究中所使用的材料特性。理想彈塑性淬火工藝的有限元分析使用ABAQUS標準表現(xiàn)。假設(shè)在開始的時候,塊中物應(yīng)力,然后塊被
9、加熱到,這是7050鋁合金再結(jié)晶溫度以上的溫度【31】。由于幾何形狀和邊界條件是完全對稱的,所以使用1/8的塊簡化有限元模型是可能的,目的是為了減少CPU模擬時間。用于本研究的塊A和C有限元模型顯示在圖1中。這些數(shù)據(jù)也顯示了飛機上殘余應(yīng)力在X-Y和Z方向上得到測量和報告。2.2 A塊的淬火有限元分析結(jié)果使用X射線衍射方法測得的實驗數(shù)據(jù),僅僅適用于塊A。所以,通過比較預(yù)測的有限元分析結(jié)果和實驗結(jié)果,進行的淬火分析,區(qū)證實溫度位移有限元的準確性和有效性。從實驗測量結(jié)果中得到的應(yīng)力分布不是完全對稱的。可能的原因是:(a)塊加熱前,沒有完全的應(yīng)力釋放。(b)測量過程中可能出現(xiàn)偏差。(c)緩慢侵泡的淬火
10、過程,可能產(chǎn)生不均勻和非對稱??傮w而言,所有2號曲線的分析和實驗結(jié)果相符,近似偏差14%。實驗和2號分析結(jié)果之間最大的不同是在范圍。淬火從道的室溫后冷空氣的額外有限元分析不會影響結(jié)果超過。所以,在下面的分析中就可以忽略這一因素。圖2和6、3表明,淬火以后沿著中間平面X和Y位點分析1和2的XYZ矢量方向上得殘余應(yīng)力。所有這三個情況下,在中心區(qū)分布這拉伸對稱殘余應(yīng)力和在表面層上油壓縮殘余應(yīng)力。沿著X位點的X食量的應(yīng)力值比其他矢量要低。同實驗結(jié)果相比的2號分析結(jié)果除了Z矢量應(yīng)力外都非常吻合。這的實驗結(jié)果比有限元分析結(jié)果大約要高出??傊?,所有的曲線、1號曲線的分析、2號曲線的分析和實驗結(jié)果是很好吻合的
11、。圖4表明了A塊XYZ矢量殘余應(yīng)力的分布,在中間平面分析2號曲線以后。2.3 C塊淬火有限元分析結(jié)果使用V塊進行相似的淬火分析(分析3號)。它同分析2號一樣的邊界條件和仿真步驟。C塊的幾何形狀也是中間平面使用的有限元模型如圖1b所示。圖5顯示了中間平面XY位點預(yù)測XYZ矢量的殘余應(yīng)力。圖6顯示了中間平面1/4模型中XYZ應(yīng)力組成的分布。從這些數(shù)字觀察可知,最大拉應(yīng)力X和Z殘余應(yīng)力是在中心平面,壓應(yīng)力是在表面。既然C塊的橫截面不是正方形而是矩形,y位點殘余應(yīng)力比xz位點的要低。在邊緣,y位點的殘余應(yīng)力是壓應(yīng)力,而距邊緣33mm處則變成拉應(yīng)力。一個區(qū)域到邊緣的距離同道頂部和底部層的距離相同的區(qū)域(
12、1/2倍厚度的距離=2.5=0.15分數(shù)),y應(yīng)力達到最大值,即邊緣效應(yīng)。對于C塊的中間區(qū)域,y分量開始下降之零,邊緣效應(yīng)失去它的影響。在這種情況下,在發(fā)展中的殘余應(yīng)力對幾何形狀的主要影響被非常清晰地表現(xiàn)出來。由于該板塊的z方向尺寸最大,所以z方向的殘余應(yīng)力總是達到最大值(即較大尺寸,較高的溫度梯度,反過來,較高的殘余應(yīng)力)。容易解釋沿著y位點的應(yīng)力分布。在板塊中心區(qū)域,z尺寸達到最大的拉伸值。X尺寸是相似的但有較低的應(yīng)力值。以前已經(jīng)討論板塊中心區(qū)域y尺寸最低的應(yīng)力值。既然從y位點的邊緣假設(shè)y分量達到零,則沿著整個的y長度上都是零。3. C塊壓縮工藝消除殘余應(yīng)力進行不變平模和不同墩鍛率的壓縮是
13、由于淬火導(dǎo)致的減小殘余應(yīng)力。C塊形狀尺寸和有限元模型如圖1b所示。使用平均速度為20mm/s的液壓機在全部的分析中。相同壓縮比的較高速度(如v=200mm/s)不影響結(jié)果。壓縮發(fā)生在室溫下。壓縮預(yù)定比鋼坯以后,移除模具,允許產(chǎn)生殘余應(yīng)力。為了比較壓縮結(jié)果,在淬火結(jié)果使用相同位點和板塊(即板塊中間位置的位點,如圖68所示)。表5列出了有限元分析和壓縮工藝條件。在所有這些計算中,假設(shè)模具是平坦、不彎曲的。對于最初的調(diào)查,假設(shè)看起來是合理的。在接下來的部分,考慮與分析模具塑性變形。這部分的摩擦系數(shù)下顯示了1%、2%和4%墩鍛率的結(jié)果,為了重現(xiàn)干壓條件【32】。表6總結(jié)干燥條件下壓縮的結(jié)果,而表7顯示
14、了潤滑壓縮的情況結(jié)果。表7中,x矢量殘余應(yīng)力分布在1%墩鍛率(干燥條件)下的中間板,如例子中所示。對于所有的應(yīng)力矢量分布,1%壓縮(5號分析)導(dǎo)致最低和均勻的應(yīng)力分布(的范圍),而另外壓縮率(6號和7號分析)導(dǎo)致較高或不均勻的干燥條件下的應(yīng)力分布。1%壓縮以后,有82%的應(yīng)力較少,較少的值達到的應(yīng)力范圍中(即淬火、拉伸、壓縮后使用最大殘余應(yīng)力值估算較少的百分率)。壓縮后的高的應(yīng)力值經(jīng)常在板塊的邊緣,隨著淬火后底程度應(yīng)力有相似的趨勢。至于在期間發(fā)生的形狀變化:(a)淬火(b)1%壓縮(c)4%在C塊上得壓縮,1%壓縮率不僅僅導(dǎo)致較高和較均勻應(yīng)力減小,而且有均勻的形狀(即更小失真),當4%壓縮率情
15、況下相比較。進行的對【810】分析顯示了1%、2%和4%墩鍛率(摩擦系數(shù)【33】下,潤滑壓縮條件如表7總結(jié)的,1%壓縮以后(即分析8號),達到底的殘余應(yīng)力減少85%左右,達到范圍。另一發(fā)面,同干燥條件相反,2%和4%壓縮率導(dǎo)致的結(jié)果甚至是較高的減少值有93%的殘余應(yīng)力減少到的范圍,有一個均勻的應(yīng)力分布和較小的形狀變形。因此。潤滑天劍顯然由于干燥條件對減小殘余應(yīng)力更有效,應(yīng)該首先選擇。4.拉伸工藝對C塊的殘余應(yīng)力的消除 拉伸是最有名的消除殘余應(yīng)力的機械方法【21】。為了達到它,需要一個特殊的取抓機械工具。使用鋁7075,拉伸中1.4%塑性變形以后發(fā)生有最高達的殘余應(yīng)力90%【20】。使用ABAQ
16、US 標準表現(xiàn)了三種不同拉伸率(1%、2%和3%)的4號有限元分析結(jié)果。初始條件。淬火后,對11、12和13的殘余應(yīng)力分析(表8)。由于淬火導(dǎo)致不同拉伸率表現(xiàn)在z方向區(qū)減少殘余應(yīng)力。拉伸板塊至預(yù)期拉伸率,移除外力,允許塊能塑性恢復(fù)。為了比較淬火拉伸結(jié)果和壓縮工藝結(jié)果采用相同的位點和板塊數(shù)據(jù)。假設(shè)拉伸工藝是理想條件在板邊不固定板的邊緣,移除塊的一個板。也就是說在一個方向上使用均勻的拉伸應(yīng)力。既然沒有合適的這種工藝的特殊數(shù)據(jù),所以不用分析特殊的夾緊過程。表9中總結(jié)了1%、2%、3%拉伸率的結(jié)果。在圖8中,描述了2%拉伸率下x矢量的殘余應(yīng)力分布。拉伸以后殘余應(yīng)力的值是非常低,不同的拉伸率下可看到不同
17、的殘余應(yīng)力分布尺寸。1%拉伸率后(分析11號),達到98%的應(yīng)力減少在范圍。2%拉伸率后(分析12號)這個減少量能增加到范圍的99%,隨著拉伸率的增加,不均勻的彈性變形也再增加,3%和更高拉伸率將導(dǎo)致較小的殘余應(yīng)力減小。比2%拉伸率有較高的應(yīng)力分布。沿著x位點的y矢量殘余應(yīng)力,同x矢量值是相似的,2%拉伸率得到了最低和最均勻的應(yīng)力分布。1%拉伸率有98%的應(yīng)力減少,即z矢量應(yīng)力預(yù)示的范圍。2%拉伸率后,z矢量殘余應(yīng)力減少到一個完全的范圍,即減少99%。再次較高拉伸比率,不均勻塑性變形增加,即2%拉伸率更高的應(yīng)力分布??紤]沿y位點預(yù)測的殘余應(yīng)力,2%拉伸率較少殘余應(yīng)力因為淬火99100%。與以前
18、一樣1%拉伸率不能和2%拉伸率減少殘余應(yīng)力一樣,3%拉伸率增加的殘余應(yīng)力比2%拉伸率最壞,因為不均勻的塑性變形。關(guān)于期間發(fā)生的形狀變化(a)淬火(b)2%拉伸率(c)C塊上3%拉伸率,z方向上得2%拉伸率導(dǎo)致在x和y方向上均勻統(tǒng)一。除此之外,3%拉伸率在這兩個方向上導(dǎo)致不均勻統(tǒng)一,因為不均勻的塑性變形。必須又一次提及,拉伸工藝不包括邊緣處的任何處理和固定操作。這些操作可能在這些區(qū)域?qū)е虏煌?或高的)應(yīng)力。5.比較拉伸和壓縮對消除殘余應(yīng)力上得作用如表10總結(jié),顯示的所有數(shù)字表明干燥條件下1%壓縮率減小的殘余應(yīng)力在40%和80%之間。潤滑后,壓縮工藝能得到很好的改進。潤滑條件下,2%壓縮率,減少的
19、殘余應(yīng)力在范圍比90%好要多,也幾乎均勻應(yīng)力分布。可是,2%拉伸工藝也能得到99%的應(yīng)力減少,也完全均勻應(yīng)力分布。圖9和圖10表明1%干壓縮率,2%潤滑壓縮了(=0.05)和2%拉伸工藝,殘余應(yīng)力的比較。為了找到淬火減少殘余應(yīng)力最佳的工藝方法和縮小率,需要比簡單殘余應(yīng)力考慮更多的方面。首先,確定工藝中合適的機械設(shè)備必須是可能的。第二,拉伸,工件需要處理,即抓住邊緣。第三,零件形狀可能不適合一些工藝。例如,不能造成整個零件變形、彎曲和不可接受的扭曲。6.壓縮工藝中彈性模型分析和它對減少殘余應(yīng)力的影響壓縮過程的所有有限元分析,到目前為止,使用的是鋼模和平模。以前研究考慮的是鍛造操作模具變形【34】
20、。在這部分只進行的是塑性模的模擬。ABAQU二維碼對于淬火工藝壓縮工藝得到的可靠結(jié)果一樣。原因是因為,進行的二維壓縮模型顯示了使用鋼模和使用塑模之間的不同和影響。假設(shè)估算了A2工具鋼的塑性特性,圖11顯示了使用1%壓縮率殘余應(yīng)力減少中主要的不同,很明顯,模具的彈性變形對于整體零件有明顯的影響,而且不會集中影響板塊的邊緣和中間區(qū)域,可是,塑性模的影響需要的壓縮率沒能夠達到。為了避免長方形零件和簡單形狀模具的這些效果,必須增長壓縮率來補償彈性模變形。 7.討論和總結(jié)淬火工藝試驗結(jié)果和有限元分析的結(jié)果的比較說明,只要知道樣本的熱特性和材料特性,通過有限元殘余應(yīng)力的預(yù)測,可能得到合理的精度。相比需要專門和昂貴設(shè)備的實驗,有限元分析有快速和成本效益的產(chǎn)生。其次,比較塊A和塊C淬火結(jié)果顯示,樣本形狀對殘余
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