(19)中华人民共和国国家知识产权局
(12)发明专利申请
(10)申请公布号 CN 111024918 A(43)申请公布日 2020.04.17
(21)申请号 201911388410.7(22)申请日 2019.12.30
(71)申请人 西北工业大学
地址 710072 陕西省西安市友谊西路127号(72)发明人 王建国 刘东 杨艳慧
(74)专利代理机构 北京高沃律师事务所 11569
代理人 王立普(51)Int.Cl.
G01N 33/204(2019.01)G01L 5/00(2006.01)
权利要求书2页 说明书11页 附图1页
CN 111024918 A(54)发明名称
一种环形锻件残余应力分布均匀性评价方法
(57)摘要
本发明公开一种环形锻件残余应力分布均匀性评价方法，涉及环形锻件技术领域，包括以下步骤：1)环锻件成形及热处理；2)环锻件表面加工：对环锻件表面进行粗加工；3)残余应力测试；4)周向应力沿圆周方向均匀性评价；5)轴向应力沿圆周方向均匀性评价；6)径向应力沿圆周方向均匀性评价；7)周向应力沿轴向均匀性评价；8)轴向应力沿轴向均匀性评价；9)周向应力沿径向均匀性评价；10)径向应力沿径向均匀性评价。本发明对构件残余应力进行等级划分，基于此可明确残余应力均匀性的控制范围；进一步，可形成相关构件的产品评价标准。
CN 111024918 A
权 利 要 求 书
1/2页
1.一种环形锻件残余应力分布均匀性评价方法，其特征在于：包括以下步骤：1)环锻件成形及热处理：环锻件经镦粗、冲孔、预轧、终轧成形后，按照标准热处理制度进行热处理；
2)环锻件表面加工：对环锻件表面进行粗加工；3)残余应力测试：对环锻件表面进行残余应力测试；4)周向应力沿圆周方向均匀性评价：
σ上下端面同一圆周上测试点的周向应力；为内外环面、上下端面同一τi为内外环面、圆周上测试点的周向应力的均值；
5)轴向应力沿圆周方向均匀性评价：
σai为内外环面同一圆周上测试点的轴向应力；为内外环面同一圆周上测试点的轴向应力的均值；
6)径向应力沿圆周方向均匀性评价：
σri为上下端面同一圆周上测试点的径向应力，为上下端面同一圆周上测试点的径向应力的均值；
7)周向应力沿轴向均匀性评价：
为内外环面不同圆周上测试点周向应力的均值，
应力均值；
8)轴向应力沿轴向均匀性评价：
为内外环面所有测试点周向
为内外环面不同圆周上测试点轴向应力的均值，
应力均值；
9)周向应力沿径向均匀性评价：
为内外环面所有测试点轴向
2
CN 111024918 A
权 利 要 求 书
2/2页
为上下端面不同圆周上测试点周向应力的均值，
应力均值；
10)径向应力沿径向均匀性评价：
为上下端面所有测试点周向
为上下端面不同圆周上测试点径向应力的均值，为上下端面所有测试点径向
应力均值。
2.根据权利要求1所述的环形锻件残余应力分布均匀性评价方法，其特征在于：所述步骤3)中，对环锻件内外环面的周向和轴向、上下端面的周向和径向分别进行残余应力测试。
3.根据权利要求2所述的环形锻件残余应力分布均匀性评价方法，其特征在于：所述步骤3)中，圆周方向测试N点，环锻件上下端面沿径向测试3～5个圆周，内外环面沿轴向测试3～5个圆周。
4.根据权利要求1所述的环形锻件残余应力分布均匀性评价方法，其特征在于：所述步骤1)中预轧前设置有马架成型工序。
5.根据权利要求4所述的环形锻件残余应力分布均匀性评价方法，其特征在于：所述步骤1)中终轧后设置有胀形工序。
6.根据权利要求1所述的环形锻件残余应力分布均匀性评价方法，其特征在于：所述步骤2)中采用机械加工方法对环锻件表面进行粗加工。
7.根据权利要求1或6所述的环形锻件残余应力分布均匀性评价方法，其特征在于：经粗加工后的环锻件表面粗糙度为Ra0.4～Ra1.6μm。
3
CN 111024918 A
说 明 书
一种环形锻件残余应力分布均匀性评价方法
1/11页
技术领域
[0001]本发明涉及环形锻件领域，特别是涉及一种环形锻件残余应力分布均匀性评价方法。
背景技术
[0002]工件在制造过程中，将受到来自各种工艺等因素的作用与影响；当这些因素消失之后，若构件所受到的上述作用与影响不能随之而完全消失，仍有部分作用与影响残留在构件内，则这种残留的作用与影响，也称残余应力。[0003]残余应力是当物体没有外部因素作用时，在物体内部保持平衡而存在的应力。凡是没有外部作用，物体内部保持自相平衡的应力，称为物体的固有应力，或称为初应力，亦称为内应力。
[0004]机械加工和强化工艺都能引起残余应力，如冷拉、弯曲、切削加工、滚压、喷丸、铸造、锻压、焊接和金属热处理等，因不均匀塑性变形或相变都可能引起残余应力。残余应力一般是有害的，如零件在不适当的热处理、焊接或切削加工后，残余应力会引起零件发生翘曲或扭曲变形，甚至开裂，或经淬火、磨削后表面会出现裂纹。[0005]残余应力的存在有时不会立即表现为缺陷，而当零件在工作中因工作应力与残余应力的叠加，使总应力超过强度极限时，便出现裂纹和断裂。而且构件服役过程中，内部残余应力与其他荷载引起的工作应力相互叠加，残余应力将重新分布并引发构件二次变形。若构件内部残余应力分布不均匀，将导致二次变形不均匀，环形构件椭圆度和端面平行度均会降低，结构的刚度和稳定性也会降低，更严重者影响装备的使用寿命和效率。零件的残余应力大部分都可通过适当的热处理消除。[0006]残余应力有时也有有益的方面，它可以被控制用来提高零件的疲劳强度和耐磨性能。
[0007]因此，环形锻件作为关键结构的承力部件，除了对残余应力水平进行控制外，更需要对残余应力的均匀性进行，以避免其在冷热加工及后续服役过程中产生不均匀变形及其他缺陷，导致部件尺寸偏差甚至影响装备的寿命和效率。但是，现在对于环形锻件残余应力分布均匀性没有明确统一的评价方法，由此导致对于残余应力均匀性的控制没有明确的依据。
[0008]因此，亟需提供一种新的环形锻件残余应力分布均匀性评价方法，以解决现有技术中所存在的上述问题。
发明内容
[0009]本发明的目的是提供一种环形锻件残余应力分布均匀性评价方法，以解决上述现有技术存在的问题，对构件残余应力进行等级划分，基于此可明确残余应力均匀性的控制范围；进一步，可形成相关构件的产品评价标准。[0010]为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种环形锻件残余应力分
4
CN 111024918 A
说 明 书
2/11页
布均匀性评价方法，包括以下步骤：[0011]1)环锻件成形及热处理：环锻件经镦粗、冲孔、预轧、终轧成形后，按照标准热处理制度进行热处理；
[0012]2)环锻件表面加工：对环锻件表面进行粗加工；[0013]3)残余应力测试：对环锻件内外环面的周向和轴向、上下端面的周向和径向分别进行残余应力测试，圆周方向测试N点，环锻件上下端面沿径向测试3～5个圆周，内外环面沿轴向测试3～5个圆周；
[0014]4)周向应力沿圆周方向均匀性评价：
[0015][0016]
σ上下端面同一圆周上测试点的周向应力；为内外环面、上下端τi为内外环面、
面同一圆周上测试点的周向应力的均值；
[0017]5)轴向应力沿圆周方向均匀性评价：
[0018]
[0019]σai为内外环面同一圆周上测试点的轴向应力；为内外环面同一圆周上测试点
的轴向应力的均值；
[0020]6)径向应力沿圆周方向均匀性评价：
[0021]
[0022]σri为上下端面同一圆周上测试点的径向应力，为上下端面同一圆周上测试点
的径向应力的均值；
[0023]7)周向应力沿轴向均匀性评价：
[0024]
[0025]为内外环面不同圆周上测试点周向应力的均值，为内外环面所有测试点
周向应力均值；
[0026]8)轴向应力沿轴向均匀性评价：
[0027]
[0028]为内外环面不同圆周上测试点轴向应力的均值，为内外环面所有测试点
轴向应力均值；
5
CN 111024918 A[0029]
说 明 书
3/11页
9)周向应力沿径向均匀性评价：
[0030]
[0031]为上下端面不同圆周上测试点周向应力的均值，为上下端面所有测试点
周向应力均值；
[0032]10)径向应力沿径向均匀性评价：
[0033]
[0034]为上下端面不同圆周上测试点径向应力的均值，为上下端面所有测试点
径向应力均值。[0035]优选的，所述步骤1)中预轧前设置有马架成型工序。[0036]优选的，所述步骤1)中终轧后设置有胀形成型工序。[0037]优选的，所述步骤2)中采用机械加工方法对环锻件表面进行粗加工。[0038]优选的，经粗加工后的环锻件表面粗糙度为Ra0.4～Ra1.6μm。[0039]本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：[0040]本发明提出的残余应力均匀性评价方法，可以更加方便的评价环锻件残余应力的分布均匀性，为后续建立环锻件残余应力控制要求奠定基础，对于新工艺的优越性评价具有重要意义。
附图说明
[0041]为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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。
[0042]图1为本发明中环形锻件残余应力分布均匀性评价方法的工作流程图。
具体实施方式
[0043]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做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。
[0044]本发明的目的是提供一种环形锻件残余应力分布均匀性评价方法，以解决上述现有技术存在的问题，对构件残余应力进行等级划分，基于此可明确残余应力均匀性的控制范围；进一步，可形成相关构件的产品评价标准。[0045]为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
6
CN 111024918 A[0046][0047]
说 明 书
4/11页
实施例一如图1所示，本实施例提供一种环形锻件残余应力分布均匀性评价方法，包括以下
步骤：
1)环锻件成形及热处理：环锻件经镦粗、冲孔、预轧(或马架+预轧)、终轧(或终轧+
胀形)成形后，按照标准热处理制度进行热处理；[0049]2)环锻件表面加工：对环锻件表面进行粗加工；[0050]3)残余应力测试：对环锻件内外环面的周向(στ)和轴向(σa)、上下端面的周向(στ)和径向(σR)分别进行残余应力测试，圆周方向测试N点，采用阿拉伯数字进行编号，环件上/下端面分别用U/D代表，沿径向测试3～5个圆周，从内到外采用大写罗马字母进行编号；内/外环面分别用I/O代表，沿轴向测试3～5个圆周，自上而下采用大写罗马字母进行编号；[0051]4)周向应力沿圆周方向均匀性评价：
[0052][0053][0048]
σ上下端面同一圆周上测试点的周向应力；为内外环面、上下端τi为内外环面、
面同一圆周上测试点的周向应力的均值；
[0054]5)轴向应力沿圆周方向均匀性评价(内外环面)：
[0055]
[0056]σai为内外环面同一圆周上测试点的轴向应力；为内外环面同一圆周上测试点
的轴向应力的均值；
[0057]6)径向应力沿圆周方向均匀性评价：
[0058]
[0059]σri为上下端面同一圆周上测试点的径向应力，为上下端面同一圆周上测试点
的径向应力的均值；
[0060]7)周向应力沿轴向均匀性评价：
[0061]
[0062]为内外环面不同圆周上测试点周向应力的均值，为内外环面所有测试点
周向应力均值；
[0063]8)轴向应力沿轴向均匀性评价：
7
CN 111024918 A
说 明 书
5/11页
[00]
[0065]为内外环面不同圆周上测试点轴向应力的均值，为内外环面所有测试点
轴向应力均值；
[0066]9)周向应力沿径向均匀性评价：
[0067]
[0068]为上下端面不同圆周上测试点周向应力的均值，为上下端面所有测试点
周向应力均值；
[0069]10)径向应力沿径向均匀性评价：
[0070]
[0071]为上下端面不同圆周上测试点径向应力的均值，为上下端面所有测试点
径向应力均值。[0072]优选的，所述步骤2)中采用机械加工方法(例如，车铣刨磨)对环锻件表面进行粗加工，经粗加工后的环锻件表面粗糙度为Ra0.4～Ra1.6μm。[0073]在本实施例中：[0074]1、GH4169合金环件经镦粗、冲孔、预轧、终轧、胀形后，进行960℃固溶+双时效的热处理；
[0075]2、环件经表面加工后，表面粗糙度为Ra1.2μm；[0076]3、采用EDM盲孔法进行上下端面残余应力测试，测试结果如下表：[0077]下表中：[0078]στ，σr分别为周向应力和径向应力，数值前负号代表压应力；[0079]U：环件上端面，D代表下端面；[0080]Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ为上端面从内到外三个不同测试圆周；[0081]1～8为圆周上均布的8个测试点。
8
CN 111024918 A
说 明 书
6/11页
[0082]
[0083]
[0084]
4、应力分布均匀性如下表：
[0085]
[0086]
5.根据上表可判定，该环件下端面周向应力沿圆周方向均匀性优于上端面，径向
应力沿圆周方向的均匀性略低于上端面；下端面周向应力和径向应力沿径向分布均匀性均低于上端面。
9
CN 111024918 A[0087][0088][00][0090][0091][0092][0093][0094][0095][0096][0097]
说 明 书
7/11页
实施例二
本实施例是在实施例一的基础上进行的改进，其改进之处在于：1、TC4合金环件经镦粗、冲孔、马架、预轧、终轧成形后，进行退火热处理；2、环件经表面加工后，表面粗糙度为Ra0.8；3、采用X射线法对内外环面进行残余应力测试，测试结果如下表：下表中：στ，σr分别为周向应力和径向应力，数值前负号代表压应力；U：环件上端面，D代表下端面；Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ为上端面从内到外三个不同测试圆周；1～8为圆周上均布的8个测试点。
单位(Mpa)σ-I-Ⅰτ
1-342.6
2-200.3
3-271.9
4-288.5
5-326.6
6-198.5
7-201.7
8-301.0
σ-I-Ⅱτσ-I-Ⅲτ
-328.1-330.1
-223.9-205.2
-209.0-219.7
-191.5-212.9
-248.1-272.8
-307.1-326.9
-241.0-236.2
-156.9-223.7
σⅠa-I-σa-I-Ⅱ
-314.3-310.7
-296.9-268.4
-281.1-266.3
-312.8-201.3
-352.7-285.2
-299.7-294.9
-308.3-243.7
-373.6-190.1
σa-I-Ⅲσ-O-Ⅰτ
-307.6-194.1
-277.1-286.7
-287.0-327.1
-374.3-322.7
-326.1-249.1
-297.0-283.0
-273.6-344.2
-273.6-300.7
σ-O-Ⅱτσ-O-Ⅲτ
-233.7-190.1
-287.5-266.9
-214.3-340.1
-243.6-325.9
-230.0-309.0
-254.5-269.7
-287.9-3.9
-267.5-296.7
σⅠa-O-σa-O-Ⅱ
-231.9-266.5
-320.5-337.9
-412.2-222.0
-387.9-244.3
-335.7-245.6
-366.7-2.4
-457.2-296.9
-362.7-344.3
σa-O-Ⅲ
[0098]
-205.3-280.1-352.3-323.4-344.5-326.9-391.4-3.7
5、应力分布均匀性如下表：
[0099]
10
CN 111024918 A
说 明 书
8/11页
[0100]
5.根据上表可判定，该环件外环面周向应力沿圆周方向均匀性优于内环面，外环
面轴向应力沿圆周方向的均匀性略低于内环面；外环面周向应力和轴向应力沿轴向分布均匀性均低于内环面。[0102]实施例三
[0103]本实施例是在实施例一的基础上进行的改进，其改进之处在于：[0104]1、GH4738高温合金环件经镦粗、冲孔、马架、预轧、终轧、胀形后，进行固溶+时效热处理；
[0105]2、环件经表面加工后，表面粗糙度为Ra1.6；[0106]3、采用机械制孔盲孔对内外环面、上下端面进行残余应力测试，测试结果如下表：[0107]下表中：[0108]στ，σr分别为周向应力和径向应力，数值前负号代表压应力；[0109]U：环件上端面，D代表下端面，I代表内环面，O代表外环面；[0110]Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ为上端面从内到外三个不同测试圆周；[0111]1～8为圆周上均布的8个测试点。
[0112]
[0101]
11
CN 111024918 A
说 明 书
9/11页
[0113]
[0114]
4、应力分布均匀性如下表：
[0115]
12
CN 111024918 A
说 明 书
10/11页
[0116]
5、应力分布均匀性评价如下：
[0118]四个面周向应力沿圆周方向均匀性从大到小依次为：下端面、外环面、上端面、内环面；内环面轴向应力沿圆周方向均匀性优于外环面，上端面径向应力沿圆周方向均匀性优于下端面；内环面周向应力和轴向应力沿轴向均匀性优于外环面；上端面周向应力和径向应力沿径向分布均匀性优于下端面。[0119]综上，本发明中环轧成型、马架成型、胀形成型环件均可适用，残余应力测试方法可选用EDM盲孔法、机械制孔法、X射线法、中子衍射法等，对周向、轴向、径向残余应力均匀性均可评价。
[0120]本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的
[0117]
13
CN 111024918 A
说 明 书
11/11页
说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的。
14
CN 111024918 A
说 明 书 附 图
1/1页
图1
15
