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残余应力检测,探索工件变形根本原因

发布时间:2019/12/09

在机械加工领域,工件变形仍然是制造企业普遍面临的问题。变形现象几乎存在于机械制造每个环节:铸造、锻造、焊接、铣削、车削、磨削、喷丸、热处理……不同批次的零件都会有不同程度的变形,造成制造成本上升、报废率高等问题。

是什么导致了变形?

影响变形的因素很多且十分复杂,包括毛坯残余应力重新分布引起的变形、切削或焊接温差引起的变形、时效引起的蠕动变形、热处理中材料组织变化引起的变形、3D打印中温差和组织变化引起的变形等。其中最主要、最难以控制的元凶便是工件材料中的残余应力。

残余应力是物体未受外力时,其内部存在的保持自身相互平衡的应力系统。如一个毛坯件的应力分布处于平衡状态,当切断一边后,平衡随之被打破,残余应力便会在工件内部释放,最终重新分布,产生变形。

为什么要测量残余应力?

残余应力有时候是有益的(通常是压缩应力),有时候又是有害的(通常是拉伸应力),并且这些应力是影响许多零部件使用寿命的关键因素之一,特别是那些经常经受疲劳和/或在应力腐蚀开裂环境中使用的部件。

大多数时候,残余应力的存在,一方面会降低工件强度,使工件在制造时产生变形和开裂等工艺缺陷;另一方面又会在制造后的自然释放过程中,使工件尺寸发生变化或降低其疲劳强度、应力腐蚀等力学性能。

残余应力是产生加工变形的根源之一,如果能进一步有效降低或均化毛坯或工件的残余应力水平,必将大大降低工件的变形潜能,控制加工变形,提高加工质量。因此,设法测量出工件中的残余应力场,预测出加工变形的大小,对于优化加工工艺、控制加工变形、确保工件的安全性和可靠性有着非常重要的意义。

不同阶段残余应力检测的价值

残余应力的检测方法有很多,其中X 射线衍射法被公认为是最精确可靠和方便快捷的检测方式,被广泛应用。

X射线衍射技术是一种可用于检测和比较零件中应力的非破坏性无损检测方法。测量可以在处理的开始和结束,以及在每个步骤之后进行。

由于锻、轧、铸毛坯的成型过程与工艺方法、工艺参数等因素,残余应力几乎存在于工艺的每个流程。任何阶段产生塑性流动(塑性变形)都会导致零件中残余应力的状态发生变化。因此,在各个阶段进行残余应力检测,有利于把控工件制造的整体质量,便于发现变形原因。

比如毛坯阶段,加工工艺定型后,毛坯残余应力的大小和分布规律直接影响最终加工完成后零件的尺寸变形。同批次零件毛坯的应力水平和一致性是加工合格率的关键。这个阶段进行应力检测,可从基本上发现问题,以免残次毛坯再加工,造成巨大浪费。

在工件加工阶段,残余应力检测可以在制造早期发现可能有缺陷的部件,并有效缩短识别问题的时间和重新制造部件的成本。对于一些创新性强的公司来说,甚至可以根据残余应力检测建立数据库,根据大数据,发现不同应力值对工件的影响规律,实时准确监控组件中的应力,以此了解何时制造设备需要维护甚至更换刀具等。

在工件加工制造过程中测量残余应力,另一个好处是能够优化工艺顺序,以便使成品部件中具有最佳的残余应力状态。许多热处理过程可以缓解或消除零件的应力,如果在高应力操作之前可以进行热处理,则可能更好地减少或消除部件中的翘曲现象。

工件服役阶段,残余应力检测同样具有很高的价值。工件投入使用后,应力可能会有所消退。在日常维护期间,对高负载应力的零件进行检测,可以有效评估零件寿命,进行失效评估,长此以往,自然可以根据应力自然值判断是否需要维修或更换零件。

检测与控制结合 双管齐下效果好

残余应力的检测能够帮助企业发现应力对工件的影响,一旦发现有害应力造成工件开裂、断裂、疲劳寿命等问题,这时候就需要进行残余应力控制,来降低或均化工件中的残余应力。

残余应力的控制方式主要分为自然时效、热时效、振动时效法等,其中振动时效在经济性、环保性和消除效率方面明显优于其他方法,已经得到广泛应用。

目前行业里已经有一些专业的残余应力控制厂商,具有自主研发能力,在技术方面非常成熟,比如北京翔博科技,致力于解决机械制造业的残余应力与加工变形问题,多次参与行业标准制定,在轻型薄壁金属零件应力与变形控制方面,处于世界领先地位。

翔博科技透露,影响变形的有诸多因素,仅仅控制残余应力并不能完全解决变形问题,因此公司对残余应力的解决方案核心在于“整体解决”,而不是单一解决。

检测只是基础,残余应力控制才是根本。整体解决方案核心在于充分考虑工件毛坯的初始残余应力分布状态,及其在后续机械加工过程中的变化情况。结合仿真技术,来揭示工件在现有制备工艺下残余应力的演化规律及工件的变形情况,确定影响工件变形的主要因素。

然后优化加工工艺,使原有残余应力均匀释放,并减小加工残余应力的引入。最终结合时效技术(如频谱谐波定位时效、模态宽频时效、热态频谱谐波等)来降低和均化工件残余应力,从而达到控制最终工件尺寸的精度的目的,获得加工变形小、无应力集中的长寿命结构件。

写在最后

总的来说,残余应力作为工件加工过程中的必然派生品,与工件的变形、开裂、强度、寿命等问题息息相关,是评价产品的可制造性与加工工艺优劣的重要参考因素。机械加工领域企业需加强对残余应力的认知,建立科学的检验机制,以提高工件合格率及利用率。