CN115446610B - 一种冷压消除残余应力的方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种冷压消除残余应力的方法，涉及锻造领域；所述冷压消除残余应力的方法，包括以下步骤：基于待冷压处理的锻件，获取分段冷压区域；基于所述分段冷压区域，获得分段冷压方向和分段冷压顺序；基于所述分段冷压区域、所述分段冷压方向和所述分段冷压顺序，获得所述分段冷压区域模具；基于所述分段冷压区域模具，获得分段冷压的冷压缩量；基于所述分段冷压的冷压缩量，对所述分段冷压区域进行冷压处理。所述冷压消除残余应力方法旨在解决现有消除锻件残余应力的方法对于复杂筋条结构的锻件，无法对锻件的每个部位所残余的应力进行有效消除的技术问题。

Description

一种冷压消除残余应力的方法

技术领域

本申请涉及锻造领域，特别涉及一种冷压消除残余应力的方法。

背景技术

在航空制造领域，大型铝合金模锻件为确保能达到7050铝合金的材料性能，锻件需经历固溶、淬火、人工时效工序。淬火过程由于锻件表面、芯部冷却速率不一致，锻件冷却后会在其内部形成较大的残余应力，如果处理不当，后续机加过程应力释放会引起零件加工变形，导致零件装配难度变大甚至报废。

但现有消除锻件残余应力的方法对于复杂筋条结构的锻件，无法对锻件的每个部位所残余的应力进行有效消除，而导致后续加工成零件后，造成零件变形。

发明内容

本申请的主要目的是提供一种冷压消除残余应力的方法，旨在解决现有消除锻件残余应力的方法对于复杂筋条结构的锻件，无法对锻件的每个部位所残余的应力进行有效消除的技术问题。

为了解决上述技术问题，本申请提出了一种冷压消除残余应力的方法，包括以下步骤：

基于待冷压处理的锻件，获取分段冷压区域；

基于所述分段冷压区域，获得分段冷压方向和分段冷压顺序；

基于所述分段冷压区域、所述分段冷压方向和所述分段冷压顺序，获得所述分段冷压区域模具；

基于所述分段冷压区域模具，获得分段冷压的冷压缩量；

基于所述分段冷压的冷压缩量，对所述分段冷压区域进行冷压处理。

作为本申请一些可选实施方式，所述分段冷压区域包括：腹板和筋条。

作为本申请一些可选实施方式，所述基于所述分段冷压区域，获得分段冷压方向和分段冷压顺序的步骤，包括：

基于所述分段冷压区域，判断获得压应力大且与筋条垂直的方向为所述分段冷压方向；

基于所述分段冷压区域，获得所述分段冷压顺序。

作为本申请一些可选实施方式，所述基于所述分段冷压区域，获得所述分段冷压顺序的步骤，包括：

基于所述分段冷压区域，将所述分段冷压区域从中间位置划分为两部分，获得第一部分和第二部分；

选取所述第一部分和所述第二部分中最靠近中间位置的两列筋条分别作为第一部分第一冷压筋条和第二部分第一冷压筋条；

将所述第一部分第一冷压筋条相邻的筋条作为第一部分第二冷压筋条，将所述第一部分第二冷压筋条相邻的筋条作为第一部分第三冷压筋条，以此类推，获得第一部分所有筋条的分段冷压顺序；

将所述第二部分第一冷压筋条相邻的筋条作为第二部分第二冷压筋条，将所述第二部分第二冷压筋条相邻的筋条作为第二部分第三冷压筋条；以此类推，获得第二部分所有筋条的分段冷压顺序；

基于所述第一部分所有筋条的分段冷压顺序和所述第二部分所有筋条的分段冷压顺序，获得所述分段冷压顺序。

其中，所述分段冷压区域为结构对称的区域。

作为本申请一些可选实施方式，所述基于所述分段冷压区域，获得所述分段冷压顺序的步骤，包括：

基于所述分段冷压区域，沿所述分段冷压方向依次对所述分段冷压区域所包含的筋条进行冷压，获得获得所述分段冷压顺序；

所述分段冷压区域为结构非对称的区域。

作为本申请一些可选实施方式，所述基于所述分段冷压区域、所述分段冷压方向和所述分段冷压顺序，获得所述分段冷压区域模具的步骤，包括：

基于所述分段冷压区域、所述分段冷压方向和所述分段冷压顺序，获得所述分段冷压区域模具的压头圆角半径R；

基于所述分段冷压区域模具的压头圆角半径R，获得所述分段冷压区域模具。

作为本申请一些可选实施方式，所述腹板与所述筋条侧面圆角半径为r，所述分段冷压区域模具的压头圆角半径为R；

在所述分段冷压方向的水平方向上，R＝r；

在所述分段冷压方向的垂直方向上，R＞r。

作为本申请一些可选实施方式，所述分段冷压区域模具为：含有压块且在所述分段冷压方向的垂直方向可单独伸缩的分段冷压区域模具。

作为本申请一些可选实施方式，所述分段冷压区域模具为：含有压块且在所述分段冷压方向的垂直方向单独伸缩的分段冷压区域模具；

所述分段冷压区域模具在压块之间放置有可上下单独移动的楔块。

作为本申请一些可选实施方式，所述分段冷压区域模具包括：

基于所述第一部分第一冷压筋条和所述第二部分第一冷压筋条，获得第一套模具；

基于所述第一部分第二冷压筋条和所述第二部分第二冷压筋条，获得第二套模具；

基于所述第一部分第三冷压筋条和所述第二部分第三冷压筋条，获得第三套模具；

以此类推，获得第N套模具，所述N等于所述第一部分或所述第二部分内筋条的数目；

基于所述N套模具，获得所述分段冷压区域模具。

作为本申请一些可选实施方式，所述冷压缩量满足如下关系式：

h＝w·(η+η’)/tanα

其中，h为所述冷压缩量，w为腹板宽度，η为塑性拉伸量，η’表示冷压时水平方向产生的弹性拉伸量，α为拔模角度。

相较于现有技术，本申请所述冷压消除残余应力的方法通过先对所述分段冷压区域内各筋条的压应力方向进行判断，获得合适的分段冷压方向以及分段冷压顺序，再基于所述分段冷压方向以及分段冷压顺序，获得与所述分段冷压区域相匹配的分段冷压区域模具，并基于计算获得分段冷压的冷压缩量后，对所述分段冷压区域进行分段冷压处理。可以看出，本申请所述方法在处理复杂结构且筋条数目较多的锻件时，由于采用了分段冷压的处理方式，可以对锻件的每个部位所残余的应力进行有效消除。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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申请的一些实施例，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示出的结构获得其他的附图。

图1为在筋条侧面利用拔模斜度外撑方法的示意图；

图2为在筋条侧面利用拔模斜度外撑方法处理后，整体模具与筋条的结构示意图；

图3为本申请实施例所述分段冷压区域以及分段冷压方向的示意图；

图4为本申请实施例所述对称锻件的分段冷压顺序示意图；

图5为本申请实施例所述非对称锻件的分段冷压顺序示意图；

图6为本申请实施例所述水平方向塑性拉伸量示意图；

图7为本申请实施例所述拉伸方向压头与筋条侧壁横截面示意图；

图8为本申请实施例所述非拉伸方向压头与筋条侧壁横截面示意图；

图9为本申请实施例所述分段冷压模具压头与锻件的关系图；

图10为本申请实施例所述的一种分段冷压模具示意图；

图11为本申请实施例所述的一种分段冷压模具示意图；

图12为本申请实施例所述的一种分段冷压模具示意图；

图13为本申请实施例所述分段冷压处理后锻件的计算仿真应力分布结果曲线图。

本申请目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。

在航空制造领域，大型铝合金模锻件为确保能达到7050铝合金的材料性能，锻件需经历固溶、淬火、人工时效工序。淬火过程由于锻件表面、芯部冷却速率不一致，锻件冷却后会在其内部形成较大的残余应力，如果处理不当，后续机加过程应力释放会引起零件加工变形，导致零件装配难度变大甚至报废。

常用消除锻件残余应力的方法包括时效处理、冷压、深冷处理法等，其中冷压的效果最好。对复杂筋条结构的7050铝合金模锻件，当前消除残余应力的方法是采用2～5％塑性变形量冷压筋条，使金属向两侧的腹板处流动，产生水平方向的变形。当锻件完成筋条冷压后，筋条下方的残余拉应力得以消减，但腹板仍然残留有压应力，零件完成加工时，毛坯的残余压应力在零件上仍有残留，容易造成零件变形，因此该方法对腹板的压应力没有改善作用。

通过在筋条侧面利用拔模斜度外撑，如图1所示；同样可以使锻件产生水平方向的拉伸量，并具备较好的效果。由于复杂结构模锻件筋条数量较多，但此时模具是固定的，随着横向拉伸量变大，会导致模具和锻件不匹配，如图2所示；如果整体都采用冷压模挤压会难以协调各筋条的横向变形量。

基于此，本申请实施例提出了一种冷压消除残余应力的方法，包括以下步骤：

基于待冷压处理的锻件，获取分段冷压区域；

基于所述分段冷压区域，获得分段冷压方向和分段冷压顺序；

基于所述分段冷压区域、所述分段冷压方向和所述分段冷压顺序，获得所述分段冷压区域模具；

基于所述分段冷压区域模具，获得分段冷压的冷压缩量；

基于所述分段冷压的冷压缩量，对所述分段冷压区域进行冷压处理。

相较于现有技术，本申请所述冷压消除残余应力的方法通过先对所述分段冷压区域内各筋条的压应力方向进行判断，获得合适的分段冷压方向以及分段冷压顺序，再基于所述分段冷压方向以及分段冷压顺序，获得与所述分段冷压区域相匹配的分段冷压区域模具，并基于计算获得分段冷压的冷压缩量后，对所述分段冷压区域进行分段冷压处理。可以看出，本申请所述方法在处理复杂结构且筋条数目较多的锻件时，由于采用了分段冷压的处理方式，可以对锻件的每个部位所残余的应力进行有效消除。

如上所述，常规的消除残余应力的方法只能对锻件中筋条下方的残余拉应力进行消减，但对于腹板的残余应力却无法进行有效消减，因此作为本申请一些可选实施方式，所述分段冷压区域包括：腹板和筋条。

为了更好的对待冷压区域进行冷压处理，作为本申请一些可选实施方式，所述基于所述分段冷压区域，获得分段冷压方向和分段冷压顺序的步骤，包括：

基于所述分段冷压区域，判断获得压应力大且与筋条垂直的方向为所述分段冷压方向；

基于所述分段冷压区域，获得所述分段冷压顺序。

本申请所述分段冷压区域以及分段冷压方向的示意图如图3所示，可以看出，本申请将压应力大且与筋条垂直的方向作为所述分段冷压方向(即图中的拉伸方向)，拉伸方向相反的一个单元为一个分段冷压区域。

锻件中需要冷压处理的区域通常有对称结构或不对称结构，本申请针对不同结构的冷压处理区域，提出了不同的冷压处理方案，即：

如图4所示，作为本申请一些可选实施方式，所述基于所述分段冷压区域，获得所述分段冷压顺序的步骤，包括：

基于所述分段冷压区域，将所述分段冷压区域从中间位置划分为两部分，获得第一部分和第二部分；

选取所述第一部分和所述第二部分中最靠近中间位置的两列筋条分别作为第一部分第一冷压筋条和第二部分第一冷压筋条；

将所述第一部分第一冷压筋条相邻的筋条作为第一部分第二冷压筋条，将所述第一部分第二冷压筋条相邻的筋条作为第一部分第三冷压筋条，以此类推，获得第一部分所有筋条的分段冷压顺序；

将所述第二部分第一冷压筋条相邻的筋条作为第二部分第二冷压筋条，将所述第二部分第二冷压筋条相邻的筋条作为第二部分第三冷压筋条；以此类推，获得第二部分所有筋条的分段冷压顺序；

基于所述第一部分所有筋条的分段冷压顺序和所述第二部分所有筋条的分段冷压顺序，获得所述分段冷压顺序。

其中，所述分段冷压区域为结构对称的区域。

如图5所示，作为本申请一些可选实施方式，所述基于所述分段冷压区域，获得所述分段冷压顺序的步骤，包括：

基于所述分段冷压区域，沿所述分段冷压方向依次对所述分段冷压区域所包含的筋条进行冷压，获得获得所述分段冷压顺序；

所述分段冷压区域为结构非对称的区域。

通过上述冷压处理，如图6所示，会在腹板的水平方向上产生0.1～0.2％塑性拉伸量η，其中：

η＝(Δw/w)-η’

其中，w表示腹板宽度，Δw表示腹板水平拉伸量，η’表示冷压时水平方向产生的弹性拉伸量。

为了制造出更适用于本申请所述分段冷压方法的配套模具，作为本申请一些可选实施方式，所述基于所述分段冷压区域、所述分段冷压方向和所述分段冷压顺序，获得所述分段冷压区域模具的步骤，包括：

基于所述分段冷压区域、所述分段冷压方向和所述分段冷压顺序，获得所述分段冷压区域模具的压头圆角半径R；

基于所述分段冷压区域模具的压头圆角半径R，获得所述分段冷压区域模具。

作为本申请一些可选实施方式，所述腹板与所述筋条侧面圆角半径为r，所述分段冷压区域模具的压头圆角半径为R；

如图7所示，在拉伸方向上，为了保证压块能够与侧壁产生足够的水平方向的拉伸量，在所述分段冷压方向的水平方向上，R＝r；

如图8所示，在非拉伸方向上，模具压头的圆角半径R、腹板与筋条侧面圆角半径r，为了保证压头与筋条侧壁不产生接触，在所述分段冷压方向的垂直方向上，R＞r。

如图9所示，腹板到筋条的高度为H，压块与锻件接触部分的高度为H’，腹板与筋条侧面圆角半径为r，筋条顶部圆角半径为r’，由于拔模角度α较小(通常为5～7°)，可以认为压块与锻件接触部分的长度H-r-r’与H’近似等同，即H’≈H-r-r’，因此所需冷压缩量为h＝w·(η+η’)/tanα，同时应满足下压量h＜H’。作为本申请一些可选实施方式，所述冷压缩量满足如下关系式：

h＝w·(η+η’)/tanα

其中，h为所述冷压缩量，w为腹板宽度，η为塑性拉伸量，η’表示冷压时水平方向产生的弹性拉伸量，α为拔模角度。

在确定所述分段冷压区域、分段冷压方向、分段冷压顺序以及冷压缩量后，就可以确定采用何种冷压模具对锻件进行分段冷压处理：

作为本申请一些可选实施方式，当h＝w·(η+η’)/tanα且满足h＜H’时，所述分段冷压区域模具包括：

基于所述第一部分第一冷压筋条和所述第二部分第一冷压筋条，获得第一套模具；

基于所述第一部分第二冷压筋条和所述第二部分第二冷压筋条，获得第二套模具；

基于所述第一部分第三冷压筋条和所述第二部分第三冷压筋条，获得第三套模具；

以此类推，获得第N套模具，所述N等于所述第一部分或所述第二部分内筋条的数目；

基于所述N套模具，获得所述分段冷压区域模具。

如图10所示，对每两列腹板定制一套模具，采用多套模具分别进行冷压。首先对B、C压块对应的腹板进行冷压，腹板宽度为Wb、Wc，产生的水平方向拉伸量为Δw₁；然后对A、D压块对应的腹板进行冷压，腹板宽度为Wa、Wd，产生的水平方向拉伸量为Δw₂。冷压模B、C压头外侧面的间距应满足：Wbc＝Wb+Wc+2Δw₁；冷压模A、D压头外侧面的间距应满足：Wad＝Wa+Wd+2Δw₁+Wb+Wc+2Δw₂。

作为本申请一些可选实施方式，当h＝w·(η+η’)/tanα且满足h＜H’时，所述分段冷压区域模具为：含有压块且在所述分段冷压方向的垂直方向可单独伸缩的分段冷压区域模具；所述压块采用机械结构或机电/液压结构控制

如图11所示，只采用一套模具，模具的每个压块可单独沿高度方向伸缩，通过机械结构或机电/液压结构将需要冷压的腹板所对应的压块伸出，从而实现按一定的顺序进行冷压。初始阶段所有压块均保持不动，然后对称轴两侧或固定端一侧的压块A开始下压，其余压块保持不动，当压块A压缩到位时，腹板B、C、D向外侧移动了Δw₁，压块B正好可避开腹板B两侧筋顶，并开始下压产生水平拉伸量Δw₂，以此类推。当压块A、B、C、D均下压完毕时，冷压完成，如图11所示，产生的水平方向拉伸量分别为Δw₁、Δw₂、Δw₃、Δw₄。相邻压头之间的间距应满足：Wab＝Wb+Δw₂，以此类推。两两对称的压头之间的距离满足：首先对B、C压块对应的腹板进行冷压，腹板宽度为Wb、Wc，产生的水平方向拉伸量为Δw₁；然后对A、D压块对应的腹板进行冷压，腹板宽度为Wa、Wd，产生的水平方向拉伸量为Δw₂。冷压模B、C压头外侧面的间距应满足：Wbc＝Wb+Wc+2Δw₁；冷压模A、D压头外侧面的间距应满足：Wad＝Wa+Wd+2Δw₁+Wb+Wc+2Δw₂。

作为本申请一些可选实施方式，当h＝w·(η+η’)/tanα且h＞H’时，所述分段冷压区域模具为：含有压块且在所述分段冷压方向的垂直方向单独伸缩的分段冷压区域模具；所述分段冷压区域模具在压块之间放置有可上下单独移动的楔块；并通过楔块移动使压块外撑从而实现分段冷压。

如图12所示，在压块之间设置可以上下自由活动的楔块，压块固定不动，楔块侧面与两边压块均接触。通过控制楔块的下压产生水平方向的力，带动压块在水平方向外撑筋条，从而实现分段冷压的效果。楔块侧面倾斜角为α，水平方向产生的塑性拉伸量为η，对腹板水平拉伸量为Δw，下压量h应满足h＝Δw/tanα。

当上述模具都可以采用时，则对于腹板数量较多的锻件，为了减少更换模具的时间，提高生产效率，优先采用一套模具或楔块控制的方式进行冷压；对于腹板数量较少的锻件，可采用上述任意方式进行冷压。

可以看出，本申请所述分段冷压处理方法，针对不同的分段冷压区域、不同的分段冷压方向以及不同的分段冷压顺序，定制了不同的冷压模具，使得冷压过程中，模具与锻件仍然完全匹配，不会对锻件造成损伤。

并且本申请通过工艺仿真计算，如图13所示为本申请实施例所述分段冷压处理后锻件的计算仿真应力分布结果曲线图，图中，R12表示压块圆角半径为12mm，R18表示压块圆角半径为18mm，R20表示压块圆角半径为20mm；2.5表示下压量h为2.5mm，2.19表示下压量h为2.19mm，1.4表示下压量h为1.4mm。以图中“R20+1.4”为例，其中R20表示压块圆角半径为20mm，对应的锻件腹板圆角半径r＝18mm，1.4表示下压量h为1.4mm，对应塑性拉伸量η为0.1％，下压量2.5mm对应的塑性拉伸量η约为0.2％。根据本发明的技术方案，采取R＞r，变形量为0.1％，即采用“R20+1.4”的方案，能将初始状态下-10～-45MPa的残余压应力转化为＜10MPa的残余拉应力，使锻件腹板处几乎不留有残余应力，能够解决后续加工零件变形的问题，可大幅提高生产效率。

本申请所述分段冷压处理方法由于实施方案灵活，实现方式较多，因此可以适用于各种结构类型的锻件，对腹板结构常规的锻件可通过一套模具、多套模具、楔块控制的方案实现；对腹板宽度大且深度小的特殊结构锻件可通过楔块控制的方案实现。本申请所述分段冷压处理方法只在一个方向上进行水平拉伸，能够简化冷压模的结构，金属在冷压过程中只沿一个方向运动，易于协调锻件的变形，避免四周同时胀形带来的脱模困难、变形协调困难等问题。

以上所述仅为本申请的可选实施例，并非因此限制本申请的专利范围，凡是在本申请的发明构思下，利用本申请说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本申请的专利保护范围内。

Claims (6)

1.一种冷压消除残余应力的方法，其特征在于，包括以下步骤：

基于待冷压处理的锻件，获取分段冷压区域；所述分段冷压区域包括：腹板和筋条；

基于所述分段冷压区域，判断获得压应力大且与筋条垂直的方向为分段冷压方向；若所述所述分段冷压区域为结构对称的区域，则基于所述分段冷压区域，将所述分段冷压区域从中间位置划分为两部分，获得第一部分和第二部分；选取所述第一部分和所述第二部分中最靠近中间位置的两列筋条分别作为第一部分第一冷压筋条和第二部分第一冷压筋条；将所述第一部分第一冷压筋条相邻的筋条作为第一部分第二冷压筋条，将所述第一部分第二冷压筋条相邻的筋条作为第一部分第三冷压筋条，以此类推，获得第一部分所有筋条的分段冷压顺序；将所述第二部分第一冷压筋条相邻的筋条作为第二部分第二冷压筋条，将所述第二部分第二冷压筋条相邻的筋条作为第二部分第三冷压筋条；以此类推，获得第二部分所有筋条的分段冷压顺序；基于所述第一部分所有筋条的分段冷压顺序和所述第二部分所有筋条的分段冷压顺序，获得所述分段冷压顺序；若所述分段冷压区域为结构非对称的区域，则基于所述分段冷压区域，沿所述分段冷压方向依次对所述分段冷压区域所包含的筋条进行冷压，获得获得所述分段冷压顺序；

基于所述分段冷压区域、所述分段冷压方向和所述分段冷压顺序，获得所述分段冷压区域模具；所述分段冷压区域模具包括：基于所述第一部分第一冷压筋条和所述第二部分第一冷压筋条，获得第一套模具；基于所述第一部分第二冷压筋条和所述第二部分第二冷压筋条，获得第二套模具；基于所述第一部分第三冷压筋条和所述第二部分第三冷压筋条，获得第三套模具；以此类推，获得第N套模具，所述N等于所述第一部分或所述第二部分内筋条的数目；基于所述N套模具，获得所述分段冷压区域模具；

基于所述分段冷压区域模具，获得分段冷压的冷压缩量；

基于所述分段冷压的冷压缩量，对所述分段冷压区域进行冷压处理。

2.根据权利要求1所述冷压消除残余应力的方法，其特征在于，所述基于所述分段冷压区域、所述分段冷压方向和所述分段冷压顺序，获得所述分段冷压区域模具的步骤，包括：

基于所述分段冷压区域、所述分段冷压方向和所述分段冷压顺序，获得所述分段冷压区域模具的压头圆角半径R；

基于所述分段冷压区域模具的压头圆角半径R，获得所述分段冷压区域模具。

3.根据权利要求2所述冷压消除残余应力的方法，其特征在于，所述腹板与所述筋条侧面圆角半径为r，所述分段冷压区域模具的压头圆角半径为R；

在所述分段冷压方向的水平方向上，R=r；

在所述分段冷压方向的垂直方向上，R＞r。

4.根据权利要求1-3任一项所述冷压消除残余应力的方法，其特征在于，所述分段冷压区域模具为：含有压块且在所述分段冷压方向的垂直方向可单独伸缩的分段冷压区域模具。

5.根据权利要求1-3任一项所述冷压消除残余应力的方法，其特征在于，所述分段冷压区域模具为：含有压块且在所述分段冷压方向的垂直方向单独伸缩的分段冷压区域模具；

所述分段冷压区域模具在压块之间放置有可上下单独移动的楔块。

6.根据权利要求1所述一种冷压消除残余应力的方法，其特征在于，所述冷压缩量满足如下关系式：

h=w·(η+η’)/tanα

其中，h为所述冷压缩量，w为腹板宽度，η为塑性拉伸量，η’表示冷压时水平方向产生的弹性拉伸量，α为拔模角度。