CN101233249A - 圆柱形部件的激光规圆与平整 - Google Patents
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Abstract
公开了一种用于规圆和/或平整由于不均匀内部应力而导致的不圆和/或不平整的环形部件的方法。首先***件不圆和/或不平整的情况。然后通过将压缩应力引入到不圆部件的选定表面区域，凭借引入压缩应力所引起的该环形部件的变形而将该环形部件规圆。替代地，通过消除该部件选定区域内的压缩应力，凭借消除压缩应力所引起的该环形部件的变形从而将该环形部件规圆。通过将压缩应力引入到不平整部件的选定表面区域，凭借引入压缩应力所引起的该环形部件的变形而平整该环形部件。替代地，通过消除该部件选定区域内的压缩应力，凭借消除压缩应力所引起的该环形部件的变形从而平整该环形部件。
Description
相关申请的相互参考
本申请要求以2005年7月22日提出的美国专利申请No.11/188,158为优先权。
关于联邦资助研究的声明
不适用。
技术领域
本发明涉及一种对由于不均匀内部应力造成不圆或不平整的中空圆柱形部件进行规圆与平整的方法。
背景技术
众所周知，钢质部件会由于热处理过程中部件内产生的内部应力导致热处理后发生扭曲。例如，当碳钢部件在奥氏体化温度之上淬火，会产生马氏体。奥氏体向马氏体的转变伴随着体积的膨胀。体积膨胀的结果是部件产生了内部应力。任何内部应力的不规则性均可能导致部件的扭曲。对于中空圆柱形钢质部件而言，扭曲可能造成部件不圆或者类似炸土豆片那样丧失平整性。对于部件的这种扭曲或是在其应用中加以容忍，或是一般花费巨大代价对部件的扭曲进行研磨或平整。因此，需要一种成本效率更好的对不圆和/或不平整的中空圆柱形部件进行规圆和平整的方法。
对于卡车结构件的矫直已经提出了一些方法。对于不正轴的矫直也已经提出了一些方法。现有方法是将热处理后弯曲的轴通过反向弯曲而矫直。所采用的修正弯曲轴的方法中，对弯曲轴在一个有限的局部区域施加足以对轴进行局部矫直的力以在轴的表层区产生压缩残余应力从而降低轴的弯曲程度。
以多种方式在弯曲轴的表层区产生压缩残余应力。已知的在表层区产生压缩残余应力的手段的例子包括表面硬化、感应硬化、激光束硬化、渗氮以及深轧制。引起的压缩残余应力仅仅存在于轴的表层区，从而所产生的压缩残余应力引起了轴的相应变形。该变形的方向取决于对轴的哪个具体表面区域诱发了压缩残余应力。有报告指出，为了达到期望的修正效果，应当在轴的限定的局部有界区域诱发压缩残余应力。这可以通过一种局部的有限硬化工艺或通过局部的有限深轧操作来实现。
已知方法中的表面硬化要求对轴进行选择性的屏蔽以防止在表面硬化加工过程中必须保持不被硬化的轴的表面部分遭到硬化。表面硬化方法能耗高且劳动强度大，因此成本很高。渗氮也受到同样缺点的困扰。在感应硬化中，将进行硬化的轴放入到快速交变电流通过的线圈中。这种方法也很难防止轴的表面必须保持不被硬化的部分在感应硬化处理中遭到硬化。同样地，感应硬化也成本高昂且非常耗时。深轧操作需要复杂的设备因而成本也相当高。
因此，尽管已经提出了一些用于矫直不正轴的方法，仍然存在对一种成本效率更好的对不圆和/或不平整的中空圆柱形部件进行规圆和平整的方法的需求。
发明内容
本发明通过提供一种对由热处理典型引起的不均匀内部应力导致不圆和/或不平整的环形部件进行规圆和/或平整的方法，以满足前述需求。在这种方法中，通过在环形部件的下表面、内径或外径的选定区域引入压缩应力而规圆或平整环形部件，以致引入的压缩应力引起环形部件的变形藉此对环形部件进行规圆和/或平整。
一方面，本发明提供了一种对具有一轴线、一个内表面和一个外表面的环形部件进行规圆的方法，其中该部件由于热处理典型引起的不均匀内部应力导致是不圆的。在这种方法中，首先确定环形部件的哪个位置不圆。这可以通过测量沿着参考线从环形部件的轴线到环形部件内表面与各个参考线相关的相应区域的距离加以进行。环形部件最不圆的部位在内表面离轴最远的区域。因此，该方法包括确定环形部件内表面第一个区域，该第一个区域至轴线的距离大于内表面第二个区域至轴线的距离。然后将压缩应力引入内表面的第一个表面区域，凭借所引入的压缩应力导致环形部件变形，藉此对环形部件进行规圆。使用激光加热、激光加热及淬火、感应加热、感应加热及淬火、激光冲击硬化和喷丸硬化方法将压缩应力引入环形部件的选定区域。优选地，按照本发明处理过的部件的各个截面在处理之后围绕质心具有平衡的应力对称，从而该部件将被规圆。在本发明的一个方案中，采用有限元分析对外表面表面区域的圆周应力进行了计算，以构造一个施加到内表面区域的激光功率模型。在一个实施例中，当激光施加至与相邻外表面区域相比计算所得应力更大的表面区域的方向时，所施加的激光功率增加。
另一方面，本发明提供了一种对具有一轴线、一个内表面和一个外表面的环形部件进行规圆的方法，其中该部件由于热处理典型引起的不均匀内部应力导致是不圆的。在这种方法中，首先确定环形部件的哪个位置不圆。这可以通过测量沿着参考线从环形部件的轴线到环形部件外表面与各个参考线相关的相应区域的距离加以进行。环形部件最不圆的部位在外表面离轴最远的区域。因此，该方法包括确定环形部件外表面第一个区域，该第一个区域至轴线的距离大于外表面第二个区域至轴线的距离。然后将压缩应力引入与外表面的第一区域相对的内表面的表面区域，凭借所引入压缩应力导致环形部件的变形，藉此对环形部件进行规圆。使用激光加热、激光加热及淬火、激光冲击硬化、感应加热、感应加热及淬火和喷丸硬化方法将压缩应力引入环形部件的选定区域。优选地，按照本发明处理过的部件的各个截面在处理之后围绕质心具有平衡的应力对称，从而该部件将被规圆。
接着另一方面，本发明提供了一种对具有一轴线、一个内表面和一个外表面的环形部件进行规圆的方法，其中该部件由于热处理典型引起的不均匀内部应力导致是不圆的。在这种方法中，首先确定环形部件的哪个位置不圆。这可以通过测量沿着参考线从环形部件的轴线到环形部件外表面与各个参考线相关区域的距离加以进行。环形部件最不圆的部位在外表面离轴最远的区域。因此，该方法包括确定环形部件外表面第一个区域，该第一个区域至轴线的距离大于外表面第二个区域至轴线的距离。然后将压缩应力引入除外表面第一个区域之外的外表面的至少一个表面区域，凭借所引入的压缩应力导致环形部件变形，藉此对环形部件进行规圆。使用激光加热、激光加热及淬火、激光冲击硬化、感应加热、感应加热及淬火和喷丸硬化方法将压缩应力引入环形部件的选定区域。优选地，按照本发明处理过的环形部件的各个横截面在处理后围绕部件具有相同的内部应力分布，从而该部件将被规圆。
仍有另一方面，本发明提供了一种对具有一轴线和一个垂直于该轴线的参考平面且具有一个第一端面和一个第二端面的环形部件进行平整的方法，其中由于热处理典型引起的不均匀内部应力导致第一端面上的所有点至参考平面不等距。在这种方法中，首先确定环形部件的哪个位置不平整。这可以通过测量沿着参考法线从参考平面到第一端面与各个参考法线关联的表面区域的距离来进行。部件最不平整的位置在第一端面距下参考平面最远的区域。因此，该方法包括确定第一端面的第一个表面区域，该第一个表面区域至参考平面的距离大于第一端面的第二个表面区域至参考平面的距离。然后将压缩应力引入到与第一端面的第一个表面区域相对的第二端面的表面区域，凭借所引入压缩应力导致环形部件变形，藉此对环形部件进行平整。使用激光加热、激光加热及淬火、激光冲击硬化、感应加热、感应加热及淬火和喷丸硬化方法将压缩应力引入环形部件的选定区域。优选地，按照本发明处理过的环形部件的各个横截面在处理之后围绕部件具有相同的内部应力分布，从而部件将被平整。
接着另一方面，本发明提供了一种对具有一轴线、一个内表面和一个外表面的环形部件进行规圆的方法，其中该部件由于热处理典型引起的不均匀内部应力导致是不圆的。在这种方法中，首先确定环形部件的哪个位置不圆。这可以通过测量沿着参考线从环形部件的轴线到环形部件与各个参考线相关的外表面相应区域的距离加以进行。环形部件最不圆的部位在外表面离轴最远的区域。因此，该方法包括确定环形部件外表面的第一个区域，该第一个区域距轴线的距离大于外表面第二个区域距轴线的距离。然后将外表面第一个表面区域的压缩应力消除，藉此消除引起环形部件变形的压缩应力以将环形部件规圆。压缩应力可以通过对外表面的第一表面区域进行激光回火加以消除。
仍有另一方面，本发明提供了一种对具有一轴线和一个垂直于该轴线的参考平面且具有一个第一端面和一个第二端面的环形部件进行平整的方法，其中由于热处理典型引起的不均匀内部应力导致第一端面上的所有点至参考平面不等距。在这种方法中，首先确定环形部件哪个位置不平整。这可以通过测量沿着参考法线从参考平面到第一端面与各个参考法线关联的表面区域的距离来进行。部件最不平整的位置在第一端面距下参考平面最远的区域。因此，该方法包括确定第一端面的第一个表面区域，该第一个表面区域至参考平面的距离大于第一端面的第二个表面区域至参考平面的距离。然后将第一端面第一个表面区域的压缩应力消除，藉此消除引起环形部件变形的压缩应力以将环形部件平整。压缩应力可以通过对第一端面的第一表面区域进行激光回火加以消除。
因此本发明的一个优点是提供了一种对因不均匀内部应力而不圆的环形部件进行规圆的方法，其中将压缩应力引入到该环形部件中与具有由热处理典型引起的内部应力的外表面区域相对的内表面的表面区域。
本发明的另一个优点是提供了一种对因不均匀内部应力而导致不圆的环形部件进行规圆的方法，其中将压缩应力引入到该环形部件的外表面除具有由热处理典型引起的内部应力的外表面第一个区域以外的至少一个表面区域。
本发明仍有的另一个优点是提供了一种对因不均匀内部应力导致不平整的环形部件进行平整的方法，其中将压缩应力引入到环形部件的第二端面上与环形部件的第一端面具有因热处理典型引起的内部应力的区域相对的表面区域。
本发明还具有的另一个优点是提供了一种对因不均匀内部应力导致不圆的环形部件进行规圆的方法，其中通过对环形部件外表面具有内部应力的第一个区域进行回火以消除压缩应力。
本发明仍有的另一个优点是提供了一种对因不均匀内部应力导致不平整的环形部件进行平整的方法，其中通过对环形部件一端面具有内部应力的表面区域进行回火以消除压缩应力。
结合接下来的发明详述、附图和所附权利要求，将会更好的理解本发明的这些和其它特征、方面和优点。
附图说明
图1所示为按照本发明方法进行处理前的不圆的环形部件的俯视平面图。
图2所示为按照本发明方法进行处理前的不平整的环形部件的侧面立视图。
图3所示为半个不圆的环形齿轮模型的俯视透视图。
图4所示为与图3中环形齿轮相似的半个环形齿轮模型的俯视透视图，图4中的环形齿轮不平整。
图5所示为用在举例说明本发明方法的测试中的环形齿轮。
图6所示为用于计算举例说明本发明方法的测试中的激光功率水平的瓦特/应变系数曲线图。
图7所示为用在举例说明本发明方法的测试中的一个激光功率模型。
图8是一个同一部件未经处理和经过本发明方法处理后半径的对比图。
图9所示为用在另一个计算举例说明本发明方法的测试中的激光功率水平的瓦特/应变系数曲线图。
图10是另一个同一部件未经处理和经过本发明方法处理后半径的对比图。
图11所示为用在另一个举例说明本发明方法的测试中的一个激光功率模型。
图12是另一个同一部件未经处理和经过本发明方法处理后半径的对比图。
图13所示为用在另一个举例说明本发明方法的测试中的一个激光功率模型。
具体实施方式
有很多不同的金属部件热处理方法，且热处理会引起金属环形部件的内部应力。例如，在一次钢件热处理中，将碳钢部件加热到铁素体转化为奥氏体的奥氏体温度之上，之后将该部件迅速淬火从而生成了硬度更高的马氏体。在淬火过程中，面心立方奥氏体自发性地转变为体心立方的马氏体导致了部件体积的增大。体积变化的结果是在部件内部引起了内部应力。任何马氏体体积变化的不规则性会导致内部应力的不规则，从而导致部件变形。例如，在中空圆柱形钢质部件中，变形会引起部件变得不圆或者引起部件像炸土豆片一样变得不平整。
碳钢环形部件可以进行透淬，或者进行表面硬化，因为在硬化的情况下，允许将碳扩散到钢质部件的表面区域且将钢质部件进行加热和淬火以生成坚硬马氏体表面层。而且，碳钢环形部件可以在类似内径或外径之类的特定区域采用例如表面硬化掩蔽技术或激光进行局部硬化。任何透淬、表面硬化或局部硬化中马氏体体积变化的不规则性均可能引起导致部件变形的内部应力不规则。
在本发明中，环形部件在进行热处理(以及可能的低温回火)之后，对部件进行由于热处理典型引起的不均匀内部应力导致的不圆和/或不平整情况的检查。然后对于不圆的部件将通过在部件的选定表面区域引入压缩应力藉此使引入的压缩应力引起环形部件变形而加以规圆。替代地，通过消除环形部件的选定表面区域中的压缩应力，凭借消除压缩应力引起环形部件变形而对该环形部件进行规圆。通过将压缩应力引入到部件的选定表面区域藉此使引入的压缩应力引起环形部件变形而对不平整的部件加以平整。替代地，通过消除部件的选定端面区域中的压缩应力，凭借消除压缩应力引起环形部件的变形而对该环形部件进行平整。尽管导致不圆和/或不平整情况的不均匀内部应力是由热处理典型引起的，本发明并不限于对由于热处理引起的不圆和/或不平整情况的修正。
按照本发明对类似圆环的不圆的环形部件进行规圆的方法的一个例子可以参照图1加以解释。图1中所示为一个按照本发明方法处理前的不圆的环形部件热处理后的俯视平面图。该环形部件10具有内表面13、外表面21、上表面27和轴线A。在图1中所示还有一个代表完美圆形部件内表面的圆形虚线15和一个代表同一完美圆形部件外表面的圆形虚线23。该完美圆形部件与环形部件10具有同一轴线A。环形部件10的内表面13相对于虚线15的偏差及环形部件10的外表面21相对于虚线23的偏差显示出环形部件由于热处理典型引起的不均匀内部应力而不圆。
一种按照本发明用于对环形部件10规圆的方法，其步骤如下：首先，测量沿参考线自环形部件10的轴线A到环形部件10外表面21与各参考线关联的各区域的距离。这些测量可以借助诸如光学比较仪或图像***之类的常规测量设备来进行。图1中给出了从轴线A延伸到外表面21的各个相应区域OS1、OS2、OS3的假想参考线R1、R2和R3。当然，对应无限数量的环形部件10外表面21的相应区域的无限数量的参考线也是可以的。如果环形部件10是完美的圆，对应于外表面21的所有区域OS1至OSn的假想参考线R1至Rn应是相等的。在该方法中，参考线R1、R2和R3中的至少一个应延伸超出代表着完美圆形部件的外表面的圆形虚线23。
同样见图1，然后将对参考线R1、R2和R3的长度进行比较，且外表面21的区域OS1、OS2、OS3中偏离出完美圆状况最多的区域是对应于最长参考线的那个区域。例如，在图1中，参考线R1最长，所以与外表面21的区域OS2、OS3相比，外表面21的区域OS1偏离出完美圆状况最多。由此可见，如果采用无限多的对应于环形部件10外表面21的区域的参考线，具有最长长度的假想参考线将对应于外表面21的偏离出完美圆状况最多的区域。
由于外表面21的区域OS1与外表面21的区域OS2和OS3相比偏离出完美圆状况更多，可以通过将压缩应力引入到如图1中所示内表面13的表面区域IS1而对环形部件10加以规圆。内表面13的表面区域IS1具有围绕参考线R1与环形部件10内表面13的交叉点的周界ISP，且优选地，将压缩应力引入到内表面13的周界ISP之内。最优选地，将压缩应力引入到内表面的与对应于最长参考线的外表面区域呈180°相对的表面区域。
替代地，测量沿着参考线自环形部件10的轴线A到环形部件10内表面13各区域的距离，其中内表面13的每个区域与一参考线关联。当内表面13的一个区域与内表面13的其它区域相比偏离出完美圆状况更多时，可以通过将压缩应力引入到内表面13偏离出完美圆状况更多的表面区域而对环形部件10加以规圆。
将压缩应力引入到内表面13的表面区域IS1，以使处于外表面21的OS1区域和内表面13的表面区域IS1之间的环形部件10横截面中的内部应力是均匀的。引入到内表面13表面区域IS1的压缩应力引起环形部件的变形从而将环形部件规圆。对环形部件10的规圆量取决于所引入压缩应力的强度以及所引入压缩应力到达环形部件10内表面13的表面区域IS1的深度。然而，为了达到理想的规圆效果，应将压缩应力引入到环形部件10内表面13中确定的局部限定区域。例如，可能有必要将压缩应力引入到环形部件10内表面13的表面区域IS1的90°之内。
压缩应力可以通过不同的方法引入到内表面13的表面区域IS1中。例如，可以使用工业激光或者类似的射线束快速地加热内表面13的表面区域IS1。通过很局部地加热内表面13的表面区域IS1，激光在该区域诱发应变。对表面区域IS1的热塑性张紧带来的热膨胀导致了内部应力分布的变化。
当环形部件10含有碳钢时，可以采用工业激光或类似射线束快速加热表面区域IS1，以使激光束的能量转化为表面区域IS1中的热能。通过使用激光快速加热表面区域IS1，由于激光加热的浅表面区域IS1与环形部件10的绝大部分之间存在极高的热差异，表面区域IS1将产生自淬火生成马氏体。表面区域IS1中奥氏体向马氏体的转变伴随着体积的膨胀。体积膨胀的结果是在环形部件10的表面区域IS1中诱发了应力，从而外表面21的区域OS1与内表面13的表面区域IS1之间的环形部件10横截面中的内部应力是均匀的。替代地，可以采用高频感应加热***加热表面区域IS1。
可以通过采用激光冲击硬化将压缩应力引入到内表面13的表面区域IS1。类似于美国专利号5,131,957、4,401,477和3,850,698中所公开的方法，采用来自高能脉冲激光的多波束脉冲在环形部件10的表面区域IS1上产生冲击波。替代地，可以通过采用喷丸硬化将压缩应力引入到内表面13的表面区域IS1。
另一个按照本发明用于环形部件10规圆的方法如下：首先，测量沿着参考线自环形部件10的轴线A到环形部件10外表面21各区域的距离，其中外表面21的每个区域与一参考线关联。这些测量可以借助诸如光学比较仪或图像***之类的常规测量仪器来进行。图1中给出了从轴线A延伸到外表面21的各个相应区域OS1、OS2、OS3的假想参考线R1、R2和R3。在该方法中，参考线R1、R2和R3中的至少一个应延伸超出代表着完美圆形部件的外表面的圆形虚线23。
同样见图1，然后将对参考线R1、R2和R3的长度进行比较，且外表面21的区域OS1、OS2、OS3中偏离出完美圆状况最多的区域是对应于最长参考线的那个区域。例如，在图1中，参考线R1最长，所以与外表面21的区域OS2、OS3相比外表面21的区域OS1偏离出完美圆状况最多。
由于外表面21的区域OS1与外表面21的区域OS2和OS3相比偏离出完美圆状况更多，可以通过将压缩应力引入到除外表面21表面区域OS1之外的外表面21表面区域而对环形部件10加以规圆。将压缩应力引入到外表面21的表面区域，以使围绕环形部件10的外表面21的内部应力是均匀的。引入到外表面21表面区域的压缩应力引起环形部件的变形从而将环形部件规圆。对环形部件10的规圆量取决于所引入压缩应力的强度以及所引入压缩应力到达环形部件10外表面21的表面区域的深度。
可以通过将压缩应力引入到除外表面21的区域OS1之外的至少一个表面区域对环形部件进行规圆，凭借引入的压缩应力所引起的环形部件10的变形而将环形部件10规圆。优选地，将压缩应力引入到除外表面21的区域OS1之外的外表面各个表面区域，使得除外表面21区域OS1之外的外表面表面区域中的压缩应力与外表面21的表面区域OS1中的压缩应力基本上相等。最优选地，将压缩应力引入到除与最长参考线相对应的外表面区域之外的外表面表面区域中。
可以通过上面所述的激光加热、激光加热和淬火、激光冲击硬化和喷丸硬化方法将压缩应力引入到除外表面21的区域OS1之外的外表面的表面区域。当发生激光硬化时，部件的主体在加热区域进行自淬火。
仍见图1，当外表面21的区域OS1与外表面21的区域OS2、OS3相比偏离出完美圆状况更多时，通过消除外表面21的区域OS1中的压缩应力对环形部件10加以规圆。对外表面21的表面区域OS1中的压缩应力进行局部消除，以使围绕环形部件10外表面21的内部应力是均匀的。这会引起环形部件的变形从而将环形部件规圆。可以通过对外表面21表面区域OS1的激光回火消除外表面21表面区域OS1中的压缩应力。回火对于碳钢部件尤其有利。
按照本发明用于对不平整的环形部件进行平整的方法可以参照图2加以解释。图2中所示为不平整的环形部件按照本发明方法进行处理前的侧面立视图。该环形部件10具有外表面21，上表面27提供一个第一端面，下表面35提供一个第二端面，以及轴线A。图2所示还有一条代表完美平整部件上表面的完美平整虚线29和一条代表同一完美平整部件下表面的完美平整虚线37。完美平整部件的下表面限定了环形部件10的下参考平面。环形部件10的上表面27与虚线29的偏差和环形部件10的下表面35与虚线37的偏差表明环形部件由于热处理典型引起的不均匀内部应力而不平整。
根据本发明用于平整环形部件10的这一方法步骤如下：首先，测量沿参考线从限定环形部件10下参考平面的虚线37到环形部件10上表面27的各表面区域的距离，其中每个上表面27的区域与一参考线关联。这些测量可以借助诸如光学比较仪或图像***之类的常规测量仪器来进行。图2给出了从限定下参考平面的虚线37分别延伸到上表面27的各个相应区域US1、US2、US3的假想参考线L1、L2和L3。当然，对应无限数量的环形部件10上表面27的相应区域可能有无限数量的参考线。如果环形部件10完美平整，对应于上表面27所有区域US1至USn的假想参考线L1至Ln应是相等的。
同样见图2，然后将对参考线L1、L2和L3的长度进行比较，且上表面27的区域US1、US2、US3中偏离出完美平整状况最多的区域是对应于最长参考线的那个区域。例如，在图2中，参考线L1最长，所以与上表面27的区域US2、US3相比上表面27的区域US1偏离出完美平整状况最多。由此可见如果采用无限多的对应于环形部件10的上表面27各个区域的参考线，具有最长距离的假想参考线将对应偏离出完美平整状况最多的上表面27的那个区域。
由于上表面27的区域US1与上表面27的区域US2和US3相比偏离出完美平整状况更多，可以通过将压缩应力引入到如图2中所示下表面35的表面区域LS1而对环形部件10加以平整。下表面35的表面区域LS1具有一个围绕参考法线L1与环形部件10下表面35交叉点的周界LSP，且优选地，将压缩应力引入到下表面35的周界LSP之内。最优选地，将压缩应力引入到与对应于最长参考法线的上表面区域呈180°相对的一个下表面的表面区域。
将压缩应力引入到下表面35的表面区域LS1，以使处于上表面27区域US1和下表面35表面区域LS1之间的环形部件10的横截面内的内部应力是均匀的。引入到下表面35表面区域LS1的压缩应力引起环形部件变形，从而对环形部件10加以平整。对环形部件10的平整量取决于所引入压缩应力的强度以及所引入的压缩应力到达环形部件10的下表面35表面区域LS1的深度。然而，为了达到理想的平整效果，应将压缩应力引入到环形部件10的下表面35中确定的局部限定区域。
压缩应力可以通过上述激光加热、激光加热和淬火、激光冲击硬化和喷丸硬化方法引入到下表面35的表面区域中。
同样见图2，当上表面27的区域US1与上表面27的区域US2、US3相比偏离出完美平整状况更多时，如图2中所示，可以通过局部消除上表面27的区域US1中的压缩应力而对环形部件10加以平整。这会引起环形部件的变形从而对环形部件加以平整。可以通过对上表面27区域US1进行激光回火而消除上表面27区域US1中的压缩应力。回火对于碳钢部件尤其有利。
应当理解的是，上述方法的任何组合也应属于本发明范围之内。可以在部件的外径、内径、上表面和下表面的任何组合引入和/或消除应力，以改变部件中的内部应力。例如，可以消除内径的一个表面区域的应力并对外径的一个表面区域进行硬化(从而引入应力)以完成规圆和/或平整处理。而且，本发明不限于确定平整度和圆度的特定方法。
实例
下列实例的给出是为了进一步说明本发明而不是为了以任何方式对本发明加以限制。
实例1
采用计算机模拟以显示表面区域体积膨胀对于环形部件圆度的影响。图3所示“双标记激光成形”图是一直径为约10英寸的半个环形齿轮模型(未模拟齿)。将外径上呈180°分开的小区域71、72的体积提高0.23％以模拟对这些局部区域进行硬化的情况。该部件的不圆度达到了0.026英寸。该模拟显示出不均匀热处理的影响，也显示出部件可以通过进一步在围绕外径的点HT1、HT2、HT3、HT4、HT5、HT6处进行热处理使得围绕部件周界的内部应力是均匀的从而将部件规圆。替代地，如果对与外径区域对应的内径区域ID1和ID2进行热处理，在围绕环形部件的各个横截面内的内部应力将是均匀的。
因此，至少有两种方式对由于热处理而变形的环形部件进行规圆。首先，如果围绕部件的各个横截面的内部应力分布是相同的，部件就将是圆的。其次，如果部件中各个横截面中围绕质心具有平衡的对称应力，部件就将是圆的。在本发明中，对不圆状况进行测量以决定在何处将压缩应力引入部件。
实例2
采用计算机模拟以显示表面区域体积膨胀对于环形部件平整度的影响。图4所示“双标记激光整平”图是与图3中相同的半个直径约为10英寸的环形齿轮的模型(未模拟齿)。将齿轮顶部上呈180°分开的小区域81、82的体积提高0.23％，以模拟对这些局部区域进行硬化的情况。该部件的翘曲不平度达到了0.0025英寸。该模拟再次显示出不均匀热处理的影响，也显示出怎样通过对部件底部上的相应区域B1、B2进行热处理使得部件的所有横截面具有均匀的应力分布。
实例3
第一步，按照阿尔门(Almen)带的理念对金属带进行激光处理以确定诱发的应变。对带中的弯曲和应变作图以为第二步提供指导。
第二步，对一组SF1009环状齿轮(见图5中的一个齿轮例子)使用给定的激光功率设置在部件内径上等距分布的四个位置处进行激光处理。采用不同的功率设置处理出一系列这样的部件。对产生的圆度上的变化与各个测试部件的有限元分析(FEA)模拟进行比较。
将这些数据用于构建一系列的应变因子/激光功率(瓦特)方程式。在激光功率水平较低和/或速度(IPM)较高时，方程式为线性的；随着功率的提高方程式曲线向后弯曲且部件中出现的总应变更小。曲线的线性段是由于回火，而卷曲转变区域是由于重淬火。瓦特/应变因子图如图6所示。
第三步，将部件激光规圆。在激光规圆处理中，首先测量部件的圆度，运行有限元分析(FEA)模型规圆部件然后采用应变因子方程式构建规圆部件所需的激光模型，见图7所示的激光功率模型。激光功率模型与外径圆周应力相关联。激光功率模型与内径圆周应力反向关联。
在对于具有表面硬化表面的完全致密钢质部件的规圆方面取得了成功。图8所示为未经处理部件与经过本发明方法处理后的同一部件半径的对比图。图8所示部件BT37图的不圆度降低了75％。摆脱理论的束缚，规圆主要归功于回火现象。在这次处理中，如果注意对激光束的导引，似乎将不存在热影响区。在经过激光处理的区域将会出现硬度的变化。
对于粉末金属测试部件，部件仅仅进行了第二步(用激光处理四个对等的部位)，出现了小量的形状变化。对这些经过第二步的部件进行评价，其密度为6.8克/立方厘米。这些测试假设并采用SF1009环形齿轮(图5)的功率范围。其结果是，这些部件采用处于曲线的非线性区域功率设定的激光进行处理。
因此，在激光规圆处理中，所开发的运行良好的步骤如下：(1)围绕部件内径测量100个点。(2)将数据输入到计算机电子数据表中。(3)在一个有限元分析(FEA)模型中规圆部件。(4)采用有限元分析(FEA)内径圆周应力和外径圆周应力开发出围绕部件的激光模型。(5)使用激光模型对部件内径进行360°激光处理。(6)围绕部件内径测量100个点并与原始形状进行比较。
实例4
本实例使用了粉末金属部件。用于粉末金属部件的基本激光规圆步骤与实施例3中测试过的用于完全致密部件的规圆步骤相同。采用经设计用于构建一个均匀吸收率、将变化最小化的深色涂料喷涂激光表面进行测试。
对一个新的部件进行规圆的第一个步骤是开发激光功率与应变因子的关系。由测试部件得到的激光功率与应变因子的关系如图9所示。图中的“Z”形区域是新生马氏体和热影响区中回火马氏体的混合区，其会带来不可预测的结果；“Z”形区域的左侧是回火的结果。
该功率与应变因子的关系将被用于在下面的步骤5中构建部件规圆所需的激光模型。激光规圆步骤如下：(1)围绕部件内径测量100个点。(2)将数据输入到计算机电子数据表中用于数据计算。(3)在有限元分析(FEA)模型中规圆部件。(4)采用有限元分析(FEA)内径圆周应力和外径圆周应力开发出基本激光模型。(5)使用步骤4中的信息和功率与应变因子的关系构建激光模型的量值。(6)使用步骤5的激光模型对部件内径进行360°激光处理。(7)围绕部件内径测量100个点并与原始形状进行比较。
在对于具有表面硬化表面的粉末金属钢质部件的规圆方面取得了成功。图10所示为未经处理部件与经过本发明方法处理后的同一部件半径的对比图。图10所示部件PRE16图的不圆度降低了超过90％。摆脱理论的束缚，规圆主要归功于回火现象。图11示出了用于规圆PRE16的激光模型。激光功率模型跟随外径圆周应力。激光功率模型与内径圆周应力反向关联。所采用的最大功率是在20英寸/分钟(IPM)下的830瓦特，这可以在图9图表中找到。
构造激光模型的激光规圆算法运行良好。图12显示出了激光模型的进一步应用。“A”形状是第一次通过模型获得的结果，而“B”形状是采用同样的激光模型第二次通过同一个部件上内径的不同区域的结果。进一步的规圆显示出不圆度可以采用上述步骤4和步骤5开发出的激光模型均匀地、进一步地降低。图13所示为用于进一步规圆PRE18的激光模型。
尽管已经将本发明参照特定的实施例进行了相当详细的描述，本领域技术人员知道本发明可以以不同于所属实施例的方法实施，列出所述的实施例是出于说明的目的而非加以限制。因此，所附权利要求的范围不应限于此处所包含的对实施例的描述。
工业适用性
本发明提供了对由于不均匀内部应力导致不圆和/或不平整的环形部件，例如环，进行规圆和/或平整的方法。
Claims (44)
1.一种对具有一轴线、一个内表面和一个外表面的环形部件进行规圆的方法，其中该部件由于不均匀内部应力而导致是不圆的，该方法包括：
(a)测量沿着参考线从轴线到内表面的表面区域的距离，该表面区域与各个参考线是相关的；
(b)确定与沿第一个参考线从轴线到内表面第一个表面区域的第一个距离相关的内表面第一个表面区域，该第一个距离大于沿第二个参考线从轴线到内表面第二个表面区域的第二个距离；且
(c)将压缩应力引入到内表面的第一个表面区域，凭借引入的压缩应力引起的环形部件的变形而将环形部件规圆。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：
环形部件是碳钢材质，且
步骤(c)包括将内表面的第一个表面区域采用射线束加热到奥氏体化温度，并允许经加热后的第一个表面区域淬火以形成马氏体，从而将压缩应力引入到内表面的第一个表面区域。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于：
射线束为激光束。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于：
步骤(c)包括采用激光束加热内表面的第一个表面区域，从而将压缩应力引入到内表面的第一个表面区域。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于：
步骤(c)包括对内表面的第一个表面区域进行激光冲击硬化，从而将压缩应力引入到内表面的第一个表面区域。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于：
步骤(c)包括对内表面的第一个表面区域进行喷丸硬化，从而将压缩应力引入到内表面的第一个表面区域。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于：
步骤(c)包括对内表面的第一个表面区域进行感应加热，从而将压缩应力引入到内表面的第一个表面区域。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(c)包括：
计算外表面的一个表面区域中的应力，该表面区域具有一个围绕或邻近第一个参考线和外表面交叉点的周界；且
采用激光束加热内表面的第一个表面区域，从而将压缩应力引入到内表面的第一个表面区域，
其中，激光束功率水平基于计算所得的外表面表面区域中应力进行选择。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于：
采用有限元分析进行应力计算。
10.如权利要求8所述的方法，其特征在于：
对具有更大计算应力的外表面表面区域选择功率水平更大的激光束。
11.一种对具有一轴线、一个内表面和一个外表面的环形部件进行规圆的方法，其中该部件由于不均匀内部应力而导致是不圆的，该方法包括：
(a)测量沿着参考线从轴线到外表面与各个参考线相关的表面区域的距离；
(b)确定与沿第一个参考线从轴线到外表面第一个表面区域的第一个距离相关的外表面第一个表面区域，该第一个距离大于沿第二个参考线从轴线到外表面第二个表面区域的第二个距离；且
(c)将压缩应力引入到内表面的一个表面区域，该表面区域具有一个围绕或邻近第一个参考线和内表面交叉点的周界，凭借引入的压缩应力引起的环形部件的变形而将环形部件规圆。
12.如权利要求11所述的方法，其特征在于：
环形部件是碳钢材质，且
步骤(c)包括将内表面的表面区域采用射线束加热到奥氏体化温度，并允许内表面的表面区域淬火形成马氏体，从而将压缩应力引入到内表面的表面区域。
13.如权利要求12所述的方法，其特征在于：
射线束是激光束。
14.如权利要求11所述的方法，其特征在于：
步骤(c)包括采用激光束加热内表面的表面区域，从而将压缩应力引入到内表面的该表面区域。
15.如权利要求11所述的方法，其特征在于：
步骤(c)包括对内表面的表面区域进行激光冲击硬化，从而将压缩应力引入到内表面的该表面区域。
16.如权利要求11所述的方法，其特征在于：
步骤(c)包括对内表面的表面区域进行喷丸硬化，从而将压缩应力引入到内表面的该表面区域。
17.如权利要求11所述的方法，其特征在于：
内表面表面区域的周界围绕第一个参考线和内表面的交叉点。
18.如权利要求11所述的方法，其特征在于：
内表面表面区域的周界处于第一个参考线和内表面的交叉点的90°之内。
19.如权利要求11所述的方法，其特征在于：
第一个距离大于或等于与各个参考线关联的所有沿参考线从轴线到外表面各区域测得的距离。
20.如权利要求11所述的方法，其特征在于：
步骤(c)包括对内表面的表面区域进行感应加热，从而将压缩应力引入到内表面的该表面区域。
21.一种对具有一轴线、一个内表面和一个外表面的环形部件进行规圆的方法，其中该部件由于不均匀内部应力而导致是不圆的，该方法包括：
(a)测量沿着参考线从轴线到外表面与各个参考线相关的表面区域的距离；
(b)确定与沿第一个参考线从轴线到外表面第一个表面区域的第一个距离相关的外表面第一个表面区域，该第一个距离大于沿第二个参考线从轴线到外表面第二个表面区域的第二个距离；且
(c)将压缩应力引入到除外表面第一个表面区域之外的至少一个外表面表面区域，凭借引入的压缩应力引起的环形部件的变形而将环形部件规圆。
22.如权利要求21所述的方法，其特征在于：
环形部件是碳钢材质，且
步骤(c)包括将至少一个外表面表面区域采用射线束加热到奥氏体化温度，并允许经加热后的外表面的各个表面区域淬火形成马氏体。
23.如权利要求22所述的方法，其特征在于：
射线束为激光束。
24.如权利要求21所述的方法，其特征在于：
步骤(c)包括采用激光束加热至少一个外表面表面区域，从而将压缩应力引入到至少一个外表面表面区域。
25.如权利要求21所述的方法，其特征在于：
步骤(c)包括对至少一个外表面表面区域进行激光冲击硬化，从而将压缩应力引入到至少一个外表面表面区域。
26.如权利要求21所述的方法，其特征在于：
步骤(c)包括对至少一个外表面表面区域进行喷丸硬化，从而将压缩应力引入到至少一个外表面表面区域。
27.如权利要求21所述的方法，其特征在于：
第一个距离大于或等于所有沿参考线从轴线到外表面与各个参考线关联的各区域测得的距离。
28.如权利要求21所述的方法，其特征在于：
步骤(c)包括将压缩应力引入到外表面的表面区域，从而除外表面的第一个表面区域之外的外表面各个表面区域中的压缩应力均与外表面第一个表面区域中的压缩应力基本相等。
29.如权利要求21所述的方法，其特征在于：
步骤(c)包括对至少一个外表面表面区域进行感应加热，从而将压缩应力引入到至少一个外表面表面区域。
30.一种用于平整具有一轴线和一个垂直于该轴线的参考平面且具有一个第一端面和一个第二端面的环形部件的方法，其中由于不均匀内部应力导致第一端面上的所有点至参考平面不等距，该方法包括：
(a)测量沿各参考法线自参考平面到与各参考法线关联的第一端面表面的距离；
(b)确定具有一个相关的沿第一个参考法线从参考平面到第一个表面区域的第一个距离的第一端面的第一表面区域，该第一个距离大于沿第二个参考法线从参考平面到第二个表面区域的第二个距离；且
(c)将压缩应力引入到第二端面的表面区域，该第二端面具有围绕或邻近第一个参考法线和第二端面交点的周界，凭借引入的压缩应力引起的环形部件变形从而平整环形部件。
31.如权利要求30所述的方法，其特征在于：
该环形部件为碳钢材质，且
步骤(c)包括采用射线束将第二端面的个表面区域加热至奥氏体化温度并允许第二端面的该表面区域淬火转变为马氏体，从而将压缩应力引入到第二端面的该表面区域。
32.如权利要求31所述的方法，其特征在于：
射线束为激光束。
33.如权利要求30所述的方法，其特征在于：
步骤(c)包括采用激光束加热第二端面的表面区域，从而将压缩应力引入到第二端面的该表面区域。
34.如权利要求30所述的方法，其特征在于：
步骤(c)包括采用激光冲击硬化第二端面的表面区域，从而将压缩应力引入到第二端面的该表面区域。
35.如权利要求30所述的方法，其特征在于：
步骤(c)包括采用喷丸硬化第二端面的表面区域，从而将压缩应力引入到第二端面的该表面区域。
36.如权利要求30所述的方法，其特征在于：
第二端面的表面区域的周界围绕着第一参考法线与第二端面的交点。
37.如权利要求30所述的方法，其特征在于：
第一个距离大于或等于所有测得的沿参考法线从参考平面到与各个参考法线相关各表面区域的距离。
38.如权利要求30中所述的方法，其特征在于：
步骤(c)包括对第二端面的表面区域进行感应加热，从而将压缩应力引入到第二端面的该表面区域。
39.一种对具有一轴线、一个内表面和一个外表面的环形部件进行规圆的方法，其中该部件由于不均匀内部应力而导致是不圆的，该方法包括：
(a)测量沿着参考线从轴线到外表面与各个参考线相关的表面区域的距离；
(b)确定与沿第一个参考线从轴线到外表面第一个表面区域的第一个距离相关的外表面第一个表面区域，该第一个距离大于沿第二个参考线从轴线到外表面第二个表面区域的第二个距离；且
(c)局部消除外表面的第一个表面区域中的压缩应力，凭借消除压缩应力引起环形部件的变形而将环形部件规圆。
40.如权利要求39中所述的方法，其特征在于：
环形部件为碳钢材质，且
步骤(c)包括采用射线束对外表面的第一个表面区域进行回火。
41.如权利要求40中所述的方法，其特征在于：
射线束为激光束。
42.一种用于平整具有一轴线和一个垂直于该轴线的参考平面且具有一个第一端面和一个第二端面的环形部件的方法，其中由于不均匀内部应力导致第一端面上的所有点至参考平面不等距，该方法包括：
(a)测量沿着参考法线的自参考平面到与各个参考法线关联的第一端面表面距离；
(b)确定具有一个相关的沿第一个参考法线从参考平面到第一个表面区域的第一个距离的第一个表面区域，该第一个距离大于沿第二个参考法线从参考平面到第二个表面区域的第二个距离；且
(c)局部消除第一端面的第一个表面区域中的压缩应力，凭借消除压缩应力引起的环形部件变形从而平整环形部件。
43.如权利要求42中所述的方法，其特征在于：
环形部件为碳钢材质，且
步骤(c)包括采用射线束对第一端面的第一个表面区域进行回火从而消除第一端面的第一个表面区域中的压缩应力。
44.如权利要求43中所述的方法，其特征在于：
射线束为激光束。
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