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用于预测由于喷丸机加工过程引起的工件失真的系统和方法.pdf

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用于 预测 由于 喷丸机 加工 过程 引起 工件 失真 系统 方法
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摘要
申请专利号:

CN201410185019.8

申请日:

2014.05.04

公开号:

CN104133037A

公开日:

2014.11.05

当前法律状态:

实审

有效性:

审中

法?#19978;?#24773;: 实质审查的生效IPC(主分类):G01N 33/00申请日:20140504|||公开
IPC分类号: G01N33/00 主分类号: G01N33/00
申请人: 波音公司
发明人: S·奈尔维; J·B·卡萨特; W·S·霍伦斯蒂尔; V·R·诺布尔
地址: 美国伊利诺伊州
优?#28909;ǎ?/td> 2013.05.03 US 13/886,339
专利代理机构: 北京纪凯知识产权代理有限公司 11245 代理人: 赵蓉民
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法律状态
申请(专利)号:

CN201410185019.8

授权公告号:

|||

法律状态公告日:

2016.05.18|||2014.11.05

法律状态类型:

实质审查的生效|||公开

摘要

本发明涉及用于预测由于喷丸机加工过程引起的工件失真的系统和方法。一种用于预测由于喷丸过程(10)而导致的工件(12)中的失真和残余应力(28)的方法(600)可以包括以下步骤:提供试样(20),该试样包括由喷丸过程(10)在试样表面(22)中引起的残余应力(28);计算表示在所述试样表面(22)中引起的残余应力(28)的力矩系数;将应力函数(34)校准到力矩系数;将应力函数(34)应用到工件(12)的工件模型(38);和计算由于将校准的应力函数(56)应用到工件模型(38)而导致的工件(12)的预测失真和残余应力(28)中的至少一个。

权利要求书

权利要求书
1.  一种预测由于喷丸过程(10)而导致的工件(12)中的失真的方法(600),所述方法(600)包括以下步骤:
提供试样(20),该试样包括由所述喷丸过程(10)在试样表面(22)中引起的残余应力(28);
计算表示在所述试样表面(22)中引起的残余应力(28)的力矩系数;
将应力函数(34)校准到所述力矩系数;
将所述应力函数(34)应用到所述工件(12)的工件模型(38);和
计算由于将校准的应力函数(56)应用到所述工件模型(38)而导致的所述工件(12)的预测失真。

2.  根据权利要求1所述的方法(600),其进一步包括以下步骤:
建立所述喷丸过程(10)的不同喷丸强度的经验数据库;和
将不同的预测失真(46)与所述不同喷丸强度的数据库中的每个喷丸强度关联。

3.  根据权利要求1所述的方法(600),其中计算所述力矩系数的步骤包括以下步骤:
物理测量所述试样表面(22)的位移测量值;和
基于所述位移测量?#23548;?#31639;所述力矩系数。

4.  根据权利要求3所述的方法(600),其中基于所述位移测量?#23548;?#31639;所述力矩系数的步骤包括基于所述试样(20)的抗弯刚度、泊松比、所述试样(20)的长度尺寸、所述试样(20)的宽度尺寸和在所述试样表面(22)上测得的最大位移计算所述力矩系数。

5.  根据权利要求3所述的方法(600),其中基于所述位移测量?#23548;?算所述力矩系数的步骤包括基于所述试样(20)的材料成分的弹性模量、所述试样(20)的厚度尺寸、在所述试样表面(22)上测得的最大位移、泊松比、所述试样(20)的长度尺寸和所述试样(20)的宽度尺寸计算所述力矩系数。

6.  根据权利要求1所述的方法(600),其进一步包括以下步骤:
测量在所述试样(20)的试样表面(22)中引起的残余应力(28)的测量值;
将所引起的残余应力的测量值(31)拟?#31995;?#24367;曲形状函数(32);和
基于拟合的所引起的残余应力的测量值(31)计算力矩系数。

7.  根据权利要求6所述的方法(600),其中计算所述力矩系数的步骤包括以下步骤:
物理测量所述试样表面(22)的位移测量值;
将所述位移测量?#30340;夂系?#20301;移形状函数;和
基于所述位移形状函数计算所述力矩系数。

8.  根据权利要求6所述的方法(600),其中计算所述力矩系数的步骤包括以下步骤:
将拟合的所引起的残余应力(28)的测量值应用到所述试样(20)的试样模型(80);
提取由于将拟合的所引起的残余应力(28)的测量值应用到所述试样模型(80)而导致的所述试样表面(22)的位移的测量值;
将所述试样表面(22)的位移的测量?#30340;夂系?#20301;移形状函数;和
基于在x、y和xy方向中的至少一个上的位移形状函数的拟合系数和所述试样(20)的厚度尺寸计算所述力矩系数。

9.  根据权利要求6所述的方法(600),其中将所述应力函数(34)校准到所述力矩系数的步骤包括:
将所述应力函数(34)的深度项固定为小于所引起的残余应力(28)的测量值在所述试样(20)中减小到零的深度;
使所述应力函数(34)的力矩等于所述力矩系数;和
求解所述应力函数(34)的应力幅值项。

10.  根据权利要求6所述的方法(600),其进一步包括以下步骤:
建立所述喷丸过程(10)的不同喷丸强度的经验数据库;和
将不同的计算出的力矩系数与所述不同喷丸强度的数据库中的每个喷丸强度关联。

11.  一种用于预测由于喷丸过程(10)而导致的工件(12)中的失真的基于处理器的系统(500),所述系统包括:
系数计算器(526),其被配置用于计算力矩系数;
应力函数校准器(528),其被配置用于将应力函数(34)校准到所述力矩系数;
应力函数应用器(530),其被配置用于将校准的应力函数(56)应用到所述工件(12)的工件模型(38);和
失真预测器(532),其被配置用于计算由于将校准的应力函数(56)应用到所述工件模型(38)而导致的所述工件(12)的预测失真。

12.  根据权利要求11所述的基于处理器的系统(500),其中所述力矩系数表示由所述喷丸过程(10)在试样(20)的试样表面(22)中引起的残余应力(28)和由所述喷丸过程(10)在试样(20)的试样表面(22)中测得的位移中的一个。

13.  根据权利要求11所述的基于处理器的系统(500),其进一步包括:
应力测量拟合装置,其被配置用于将所引起的残余应力(28)的测量?#30340;夂系?#24367;曲形状函数(32),所引起的应力测量值(30)表示在所述试样(20)的所述试样表面(22)中引起的残余应力(28)。

14.  根据权利要求11所述的基于处理器的系统(500),其中所述力矩系数是基于所述试样(20)的抗弯刚度、泊松比、所述试样(20)的长度尺寸、所述试样(20)的宽度尺寸和在所述试样表面(22)上测得的最大位移计算的。

15.  根据权利要求11所述的基于处理器的系统(500),其中所述力矩系数是基于所述试样(20)的材料成分的弹性模量、所述试样(20)的厚度尺寸、在所述试样表面(22)上测得的最大位移、泊松比、所述试样(20)的长度尺寸和所述试样(20)的宽度尺寸计算的。

说明书

说明书用于预测由于喷丸机加工过程引起的工件失真的系统和方法
技术领域
本发明总体涉及在工件中引起的残余应力,更具体地,涉及一种用于预测由于通过喷丸机加工在工件的表面上引起的残余应力引起的工件失真的方法。
背景技术
喷丸加工是用于产生压缩残余应力层和修改金属的机械特性的冷加工过程。它需要以足够产生塑性变形的力用丸冲击表面。喷丸加工经常被用作机械加工(例如,金属成形)的一部分,以提高零件的疲劳寿命。喷丸加工在延长疲劳寿命、增加抗应力腐蚀性和扩大金属部件的承载能力方面是有用的。例如,疲劳失效会发生在张力区域,从而通过在工件的表面上产生压缩残余应力,可以提高疲劳寿命。
喷丸加工表面使它可塑性地伸展,从而导致该表面的机械特性变化。在航空航天工业中经常要求喷丸加工来减轻在研磨加工中建立的拉伸应力并用有益的压缩应力代替那些应力。根据零件几何形状、零件材料、丸材料、丸质量、丸强度、丸覆盖度,喷丸加工可以显著增加部件的疲劳寿命。塑性变形在喷丸表面引起残余压缩应力,并且在内部引起拉伸应力。表面压缩应力给予对金属疲劳的抵抗性和对一些形式的应力腐蚀的抵抗性。零件中深的拉伸应力不像该表面上的拉伸应力那样有问题,因为裂纹不太可能在内部开始。
喷丸加工的有益效果主要是由于由丸的多个冲击引起的材料(例如,工件)表面层的塑性变形造成的残余应力场。喷丸加工变量可以影响最终工件的性能。因此,重要的是,知道残余应力的值以便预测喷丸零件的机械强度,并且知道通过改变喷丸参数这些应力如何变化。通过监测和控制喷丸加工过程的参数,可以得到一致的结果,而未受控的或未经校准的喷丸加工可以导致广泛分散范围的残余应力,甚至抵消喷丸加工的益处或导致工件失真。
失真是一种在喷丸加工过程之后工件中可能发生的残余应力的不期望影响。失真可以被表征为平面内失真或平面外失真。平面内失真包括工件沿着与工件表面的平面平行的方向的膨胀或收缩。平面外失真包括工件表面沿着与表面垂直的方向的扭曲和/或弯曲形式的位移。
虽然工件中喷丸加工引起的残余应力的深度通常是浅的(例如,0.004英寸至0.020英寸),但是与更抗弯曲的较厚横截面相比,平面外失真对不太抗弯曲的相对薄的金属横截面具有更显著的影响。不幸地是,适度的失真可能导致昂贵且耗时的检查和返工以使工件在设计公差范围内。过度的失真可能导致工件的报废和更换件的制造。因此,知道由喷丸加工过程引起的残余应力的值以便预测残余应力对喷丸工件的影响,也是重要的。
残余应力的实验测量是昂贵的、耗时的,并且对喷丸工件是破坏性的。非破坏性实验测量技术,例如衍射法,是高度表面性的;由于无法捕获衍射的x射线而会限制被测部件的尺寸和形状;对材料类型(例如,晶体结构)敏?#26657;?#24182;且仅提供局部化的(例如,逐点的)测量。此外,穿透深度需要去除至少一些局部材料(例如,通过化学蚀刻),从而成为破坏性技术并防止被测工件的进一步?#23548;?#20351;用。
用于预测工件上残余应力的示例方法可以包括通过施加估计的残余应力场或初?#21152;?#21464;场在工件的模型上,执?#26800;?#24615;分析(例如,通常通过有限元法解决)。预测的残余应力可以通过建模或测量获得。不幸地是,任?#25105;?#31181;方法都显示出由于难以证实喷丸模型和无法以?#32479;?#26412;获得准确且有代表性的实验信息而造成的局限性。
验证由于喷丸加工而导致的估计的残余应力的准确度的现有方法是耗时的。例如,验证残余应力估算的现有方法要求测量喷丸工件中的残余应力并比较测量值与使用有限元方法求解的来自模型的预测值。然后,调节喷丸加工操作的参数,或者可以重新设计该工件,以尝试调节工件中的残余应力和失真。以迭代方式重复该过程,直到物理工件中的残余应力落在可接受的限度内。不幸地是,迭代地调节喷丸加工参数、制造新工件、测量新工件中的残余应力并且接着重新调节喷丸参数这一过程是耗时且昂贵的。
喷丸加工过程(例如,喷丸加工或激光喷丸)依赖于试验板试样 (例如,阿尔门(Almen)试片),以校准喷丸强度。阿尔门试片是小的硬化?#19968;?#28779;的试片,当受到喷丸流的强度时,在一侧弯曲。在喷丸加工过程之后,测量固定长度上的残留弧高度。该测量值定义了喷丸加工强度,一般被称为阿尔门强度。根据此阿尔门强度校准喷丸加工过程,直到喷丸加工强度在试样?#31995;?#33268;饱和的这个点。当进一步喷丸加工不显著改变弧变形(例如,弧高度)时,达到饱和。然而,量化喷丸加工强度可能不仅与残余应力分?#21152;?#20851;。
因此,根据喷丸加工强度测量值量化残余应力不能给出关于工件中的残余应力场的准确信息,因为不同应力分布可能给出相同的弧高度,该高度与残余应力场关于试片厚度的积分有关。此外,材料类型不是由阿尔门试片法利用的特性。用于该试样的材料是预先定义的(例如,SAE1070弹簧钢),由此忽略了该工件的?#23548;?#26448;料(例如,6061铝、7075铝、CRES Ti64或任何其他金属)。
塑性变形和饱和直接与该工件的材料的屈服强度有关。因此,预计不同材料的变形和饱和显著不同,因为它们的弹塑性?#24418;?#26159;不同的。因此,基于标?#21450;?#23572;门试片法解释喷丸加工强度会导致高估或低估影响喷丸工件的残余应力。例如,可以避免超过喷丸加工强度造成的不利影响(例如,失真),同时可以实?#32440;?#39640;喷丸加工强度的好处(例如,较高疲劳寿命)。由于持续使用阿尔门试片法,重要的是将任何机械部件中由喷丸加工引起的残余应力场与阿尔门强度相关。
给定现有技术,很难通过实验确定喷丸部件或零件的完整初?#21152;?#21464;场。针对一组离散点使用现有实验方法这样做是非常昂贵、耗时且容易出错的。
类似于实验(例如,测得的)结果,对表面过程(例如,喷丸加工)的完整的“基于物理的”数学建模极其复杂且难以验证和确认。例如,复杂模型需要困难且昂贵而获得的材料参数。如果材料数据、边界和/或初始条件未被明确定义,则基于复杂物理的模型的不确定性和误差传播可以使模型变得无用,并且数值验证并未特别小心实施(例如,复杂模型不适合于由“非专家”使用)。此外,甚至当使用最佳数值算法时,这些模型在计算上如此密集,以致于其使用限于试样尺寸问题。此外,即使详细知道了初?#21152;?#21464;场,用高层次的详?#24863;?#24687;(例 如,空间变化)计算较大部件的失真可能是困难且在计算上昂贵。
因此,本领域技术人员在预测由喷丸加工过程引起的工件中出现的残余应力的领域中继续研究和开发工作。
发明内容
在一个实施例中,公开了一种用于预测由于喷丸过程而导致的工件中的失真的方法,该方法可包括以下步骤:(1)提供试样,该试样包括由喷丸过程在试样表面引起的残余应力;(2)计算表示在试样表面引起的残余应力的力矩系数;(3)将应力函数校准到力矩系数;(4)将应力函数应用到工件的工件模型;和(5)计算由于将校准的应力函数应用到工件模型而导致的工件的预测失真。该方法的特征可以进一步为以下步骤:建立喷丸过程的不同喷丸强度的经验数据库,并且将不同的计算出的力矩系数与不同喷丸强度数据库中的每个喷丸强度关联。该方法的特征可以进一步为以下步骤:将试样表面的位移测量?#30340;夂系?#20026;多项式函数的弯曲形状函数(32),并且更优选地,该方法可以利用应力函数,其包括具有应力幅值和深度的阶梯函数,或具有应力幅值和深度的三次项函数。
在另一实施例中,公开的是一种用于预测由于喷丸过程而导致的工件中的失真的基于处理器的系统,所述基于处理器的系统可以包括:系数计算器,其被配置用于计算力矩系数;应力函数校准器,其被配置用于将应力函数校准到力矩系数;应力函数应用器,其被配置用于将校准的应力函数应用到工件的工件模型;和失真预测器,其被配置用于计算由于将校准的应力函数应用到工件模型而导致的工件的预测失真。更优选地,该力矩系数可以表示由喷丸过程在试样的试样表面测得的位移。
通过以下详?#35813;?#36848;、附图和所附权利要求,所公开的用于预测由于喷丸过程而导致的工件中的失真的系统和方法的其他实施例将变得显而?#20934;?
附图说明
图1是喷丸加工过程应用于工件的表面以形成具有沿工件表面均匀引起的残余应力的工件的图示;
图2是该喷丸加工过程应用于板试样的表面以形成具有沿试样表面均匀引起的残余应力的试样的图示;
图3是试样的透视图,其示出由残余应力引起的失真;
图4是图2的试样安装到测量装置的图示,其示出位移测量;
图5是示例喷丸强度曲线的图示;
图6是试样的实施例的透视图,并进一步示出由喷丸加工过程在试样表面的层中引起的残余应力;
图7是图6的试样的有限元模型的实施例的透视图;
图8A是示例弯曲形状函数的图示,该示例弯曲形状函数包括在x方向上的试样表面中引起的残余应力测量值的最小二乘多项式近?#30130;?
图8B是示例弯曲形状函数的图示,该示例弯曲形状函数包括在x、y和xy方向上的试样表面中引起的残余应力测量值的最小二乘多项式近?#30130;?
图9是校准的阶梯测试函数的示例曲线图的图示;
图10是校准的线性测试函数的示例曲线图的图示;
图11是校准的三次多项式测试函数的示例曲线图的图示;
图12是半无限板中残余应力分布的横截面示意图;
图13是半无限板?#26800;?#19968;残余应力分布的横截面示意图;
图14是半无限板?#26800;?#20108;残余应力分布的横截面示意图;
图15是残余应力在从图12的半无限板截取的有限样本上的重新分布的示意图;
图16是由拉伸残余应力或压缩残余应力组成的线性板?#30001;?#20989;数的示意图;
图17是由拉伸残余应力和压缩残余应力的梯度组成的线性板弯曲函数的示意图;
图18是由于图16的线性板?#30001;?#20989;数的应用而导致的板的平面内?#30001;?#25110;压缩的示意图;
图19是由于图17的线性板弯曲函数的引用而导致的板的平面外弯曲的示意图;
图20是所公开的用于通过计算力矩系数预测工件失真的方法的实施例的流程图,所述力矩系数表征对工件执行的喷丸过程的选定喷丸强度;
图21是试样的实施例的侧视图,其示出由残余应力引起的失真;
图22是试样的俯视图;
图23是试样的侧视图;
图24是工件的实施例的透视图,并进一步示出由喷丸过程在工件表面的层中引起的残余应力;
图25是图24的工件的有限元模型的实施例的透视图;
图26是校准到x方向的力矩系数的阶梯函数的力矩系数相对误差与应力幅值相对误差的关系的曲线图的图示;
图27是校准到y方向的力矩系数的阶梯函数的力矩系数相对误差与应力幅值相对误差的关系的曲线图的图示;
图28是校准到xy方向的力矩系数的阶梯函数的力矩系数相对误差与应力幅值相对误差的关系的曲线图的图示;
图29是校准到x方向的力矩系数的三次项函数的力矩系数相对误差与应力幅值相对误差的关系的曲线图的图示;
图30是校准到y方向的力矩系数的三次项函数的力矩系数相对误差与应力幅值相对误差的曲线图的图示;
图31是校准到xy方向的力矩系数的三次项函数的力矩系数相对误差与应力幅值相对误差的曲线图的图示;
图32是在xy方向的应力幅值与深度的关系的示例曲线图的图示,并示出所引起的残余应力测量值的多项式拟合,?#19994;?#21152;有校准的阶梯函数的曲线图。
图33是在预测工件位移时的阶梯函数误差的示例曲线图的图示;
图34是受限于图33中所示的校准的阶梯函数的工件的不同工件厚度和关联位移误差表的图示;
图35是在y方向的应力幅值与深度的关系的示例曲线图的图示,并示出所引起的残余应力测量的多项式拟合,?#19994;?#21152;有校准的三次项函数的曲线图;
图36是在预测工件位移时的三次项函数误差的示例曲线图的图示;
图37是受限于图36中所示的校准的三次项函数的工件的不同工件厚度和关联位移误差表的图示;
图38是深度和在力系数和?#23548;?#27531;余应力分布的合成之间的对应相对误差的表;
图39是所公开的用于预测工件失真的方法的实施例的流程图,其中使用由对工件执行的喷丸过程引起的试样表面位移的测量?#23548;?#31639;力矩系数;
图40是根据作用在试样的x方向的所引起的残余应力测量?#23548;?#31639;的示例位移形状函数的图示;
图41是根据作用在试样的y方向的所引起的残余应力测量?#23548;?#31639;的示例位移形状函数的图示;
图42是根据作用在试样的xy方向的所引起的残余应力测量?#23548;?#31639;的示例位移形状函数的图示;
图43是所公开的用于建立不同喷丸强度和对应力矩系数的数据库的方法的实施例的流程图;
图44是所公开的用于建立不同喷丸强度和对应力矩系数的数据库的另一实施例的流程图;
图45是用于实施所公开的用于预测工件中的残余应力和/或失真的方法的一个或多个操作的基于处理器的系统的实施例的方框图。
具体实施方式
下列详?#35813;?#36848;参照了附图,这些附图示出本公开的具体实施例。具有不同结构和操作的其他实施例不背离本公开的范围。在不同附图中,类似参考标号可以指代相同元件或部件。
所公开的用于预测由喷丸加工过程引起的失真的方法的一个实施例可以基于喷丸材料(例如,工件)表征喷丸强度,且可以允许量化由喷丸过程引起的残余应变。
参照图1,为了本公开的目的,喷丸过程10被描述为加工操作,其中工件12的表面14或试样20的表面22(图2)可以用例如来自喷嘴18的丸16(例如,圆金属、玻璃或陶瓷颗粒)进行冲击。工件12或板试样20(图2)的材料可以包括任何各向同性金属或非金属材料 或其任何组合,而无限制。丸16可以用足够产生塑性变形的力冲击表面14,从而导致工件12的机械特性变化。塑性变形可以在喷丸表面14中引起残余压缩应力,并且在内部引起拉伸应力。表面压缩应力可以给予对金属疲劳的抵抗性和对一些形式的应力腐蚀的抵抗性。本领域技术人员可以理解,工件中深处的拉伸应力不像该表面上的拉伸应力那样有问题,因为裂纹不太可能在内部开始。
参照图2至图4,喷丸加工过程10可以利用板试样20(例如,阿尔门试片)方法来描述喷丸过程的强度。阿尔门试片法可以量化影响工件12的喷丸处理的强度的所有因素。如图2中所示,喷丸过程10可以应用于板试样20的相对两个表面中的一个表面22,以沿着试样20的表面22均匀地引起残余应力。平式金属板试样20可以被夹紧至测试块24且(例如,从喷嘴18)喷有丸16。
如图3中所示,由于仅喷丸表面22的表面层的压缩,当从测试块24释放时,残余表面压缩应力会使试样20在中间向上弯曲。此弯曲弧的高度h可以例如通过测量装置26(例如,阿尔门量规)(图4)测量。高度h可以是喷丸强度的指数。该弧的高h可以取决于压缩残余应力28的程度(图5),并且可以是喷丸过程10的强度的度量。弯曲度(例如,弧高h)可以取决于喷丸的特性、试样20的特性和暴露的性质。
参照图5,试样20必须暴露于喷丸过程10持续足够的时间,以便出?#30452;?#21644;。饱和可以通过将若干试样20暴露于连续较长时间的喷丸来确定。用曲线图表示结果可以允许解释数据,并且可以得到强度的读数。强度可以被定义为曲线上的如果暴露时间加?#23545;?#24359;高h增加10%的第一点。图5示出增加暴露时间时实现的弧高的曲线图。假设试样20的曲率可以指示压缩残余应力的程度并且因此指示抗疲劳失效性,或指示应力腐蚀开裂的程度
参照图6,可以在x方向、y方向和xy方向中的每个上测量所引起的残余应力28。所引起的应力的测量30可以通过包括但不限于x射线衍射的任何合适技术执?#23567;?#25152;引起的残余应力测量值30(例如,在x、y和/或xy方向)可以被拟合为如图8A和图8B中所示的弯曲形状函数(curve shape function)32(例如,近似于曲线的形状)。可以理解, 图8A示出所引起的残余应力测量值30被拟?#31995;?#23545;应于x方向上的应力分量的弯曲形状函数32的示例,并且图8B示出所引起的残余应力测量30被拟?#31995;?#23545;应x方向、y方向和xy方向上的应力分量的弯曲形状函数32的类似示例。弯曲形状函数32可以是由喷丸过程10(图1)在试样表面22中引起的残余应力测量值30的最小二乘多项式近似。
如下面更详细所述的,可以基于拟合的所引起的残余应力测量值31(图8B)在x方向、y方向和xy方向(图6)中的每一个方向上计算力矩系数CM。力矩系数CM可以用于校准任何合适应力函数34,例如但不限于阶梯函数(图9)、线性函数(图10)和三次项函数(图11)。应力函数34可以应用于工件12(图24)的有限元模型38(图25),用于预测由喷丸过程10(图1)的引用而引起的工件12中的失真和/或残余应力。可以基于工件12中所预测的失真或所预测的残余应力改变喷丸过程10。例如,喷丸过程10可以被改变,以减少工件12的表面14中残余应力幅值,和/或以引起残余应力的形成,所述残余应力主要是压缩的,以提高疲劳寿命并减少裂纹生长。
本发明是基于以下前提:(1)弹性的线性理论是用于计算由喷丸过程10(图1)引起的失真的良好近似(例如,材料是线性弹性的,并在表面过程之后保持线性弹性);(2)机加工之后在材料(例如,工件12)上留下的总应变通过最后机加工?#25215;?#20135;生(例如,通过任何机加工?#25215;?#24341;入的应变包含在相对小或浅的层(例如,0.020英寸)中,这通过随后机加工?#25215;?#31227;除和重新创建;(3)假设机加工之后有足够弹性的材料,并且相同参数(例如,工具、机加工设置和工具路径)用于相同材料,则机加工引起的应变将总是相同的(例如,假设机加工过程的不变化,两个相同机加工试样之间的任何差异将由关于上述参数的变化造成);和(4)相对于在机加工表面上引起的应变的统?#30772;?#22343;值的局部变化将导致残余应力的局部变化和部件的失真,因此,如果这些变化是可忽略的,则在机加工表面上引起的应变的平均值可以用于预测机加工部件的失真和残余应力。
此外,本发明是基于以下前提:(1)表面过程引起的应变仅是已加工表面法线的函数;和(2)任何其他残余应力源(例如,材料残余应力)被认为是可忽略的,然而在材料应力不能被忽略的情况下,可 以通过假设线性叠加包括那些材料应力。
因此,由喷丸引起的残余应力28(图6)引起的失真可以根据沿厚度的残余应变分布的合成或积分平均确定。基于上述情况,应变分布的局部变化可以被忽略,并?#20918;?#31034;部件中沿厚度的残余应变分布的任何函数可以用于表示残余应力,其假设是:(1)该函数的合成具有与?#23548;?例如,测得的)残余应变相同(例如,静态地相等)的幅值;(2)残余应力所积分的深度大于残余应变减小到零的深度。
参照图12,示出已接收在其整个表面上的表面过程处理(例如,喷丸加工10)的半无限板36。整个表面可以通过具有已设置机加工参数和机加工路径的相同过程(例如,喷丸过程10)进行处理。所有应变分量(例如,垂直于板法线的应变分量)可以被转化成应力(例如,任何应力分布可以被平衡)。
在半无限板34内的残余应变可以与残余应力互换,因为残余应变和残余应力的分布在板36的无限长度和宽度上平衡。在这方面,沿厚度的残余应变的积分平均的合成可以通过使用下面的公式10确定,这可以被解释为用于定义残余应力分布在给定深度处的合成力CF的积分公式(即,在子域厚度上每单位长度合成的力等于常数):
∫0tσ0dz=CF]]>       (公式10)
其中σ0表示残余应力分布,z表示厚度方向,t表示残余应力积分所沿着的深度。同样地,下面的公式20可以被解释为用于定义残余应力分布在给定深度处的合成力矩CM的积分公式(即,在子域厚度上每单位长度合成的力矩等于常数):
∫0tσ0(z-t/2)dz=CM]]>       (公式20)
参照图13和图14,示出在半无限板36的子表面上的两个静态相等的残余应力分布σ01和σ02。当t分别大于或等于最大值d1或d2时,σ01可以在d1处减小到零,而σ02可在d2处减小到零。所示的是在具有有限厚度(或深度)和无限长度和/或宽度的半无限板36中的第一残余应力分布σ01和第二残余应力分布σ02的示意图。图13和图14中所示的残余应力分布σ01和σ02是可以由在表面14(图5)上执行一个或多个喷丸操作引起的各种替代残余应力分布的非限制性示例。
图13示出残余应力分布σ01,其本质上可以是拉伸的,其中最大幅值在表面14(图1)处,并且在d1处衰减到零。与此相反,图14示出残余应力分布,其本质上可以是拉伸和压缩的组合,并且?#30001;?#21040;相对于深度d1更大的深度d2(图12)。在图13和图14中可以看到,厚度t大于最大值d1和d2,使得对于比最大值d1和d2大的任何深度t,应力分布σ01和σ02的合成力的幅值可以基本相等,如下面在公式30中所示。同样地,对于比最大值d1和d2大的任何深度t,应力分布σ01和σ02的合成力矩的幅值可以基本相等,如下面公式40中所示。
∫0tσ01dz=∫0tσ02dz=CF]]>     (公式30)
∫0tσ01(z-t/2)dz=∫0tσ02(z-t/2)dz=CM]]>    (公式40)
因此,对于两?#22336;?#24067;,如果积分区间(例如,[0,t])包括应力幅值衰减到零的区域,则由公式30和公式40计算的应力合成可以产生相同的值。因此,假设部件的厚度大于应力分布变成零的深度,如果常数CF和CM(例如,对于应力张量的每个分量)是已知的,则产生相同值的任何函数可以用于预测机加工部件(例如,工件12)的失真。
参照图15,可以示意性地表示残余应力在从半无限板36截取的有限样本上的重新分布。如果有限子域从半无限板36移除作为有限样本40,则应力可以重新分布且样本40会失真。不满足子域内平衡的应力分量可以是失真的原因,而其他分量作为新残余应力分布保持在样本40中。如图所示,σ0=σ1+σ2。样本40的新表面可以满足无应力表面边界条件。
如果考虑两个静态相等的初?#21152;?#21147;分布,则在移除有限样本40之后由这些应力的重新分布(图15)造成的失真会处处相同,除了在自由端的紧密附近。这些应力的自平衡部?#21482;?#22312;自由表面的紧密附近导致失真差异。因此,考虑到它们具有零合成并且其作用随距边界的距离指数衰减(例如,通过圣维?#26174;?#29702;),差异可以是微乎其微。
假如?#25105;?#24212;力分?#21152;?#26080;限板36(图12)中的原?#21152;?#21147;分布静态相等,则可以生成?#25105;?#24212;力分布来预测失真。由于喷丸过程10(图1)影响的材料集中在相对小的层中,因此该方法可以用于预测复杂几何形状的失真。给定由喷丸过程10引起的应变是不变的这一假设,可以 选择具有相对简单几何形状的试样(例如,板试样20),以校准?#25105;?#24212;力分布。
本领域技术人员可以理解,假如保持过程是不变的这一假设,所公开的方法可以扩展到影响小层上的材料的任何表面过程。本领域技术人?#34987;?#21487;以理解,如果准确的初?#21152;?#21147;/应变分布是已知的,则可以预测复杂几何形状上的失真和合成的残余应力场。
参照图16至图19,在图16和图17中示出受限于应力函数42、44的?#25105;?#26495;的线性的沿厚度的应力函数失真42、44,在图18和图19中示出受限于应力函数42、44的?#25105;?#26495;的各自失真46。图16是完全由拉伸残余应力(或完全由压缩残余应力)组成的线性板?#30001;?#20989;数42的示意图。如图18中可以看到的,线性板?#30001;?#20989;数42可以导致该板的平面内扩展48(例如,拉伸残余应力)或平面内收缩50(例如,压缩残余应力)。图17是由拉伸和压缩残余应力的梯度组成的线性板弯曲函数44的示意图。在图19中,线性板弯曲函数44可以导致?#25105;?#26495;的平面外弯曲52。图16和图17中所示的线性应力函数42、44是残余应力分布的基本示例,可以针对该残余应力分布以下面更详?#35813;?#36848;的方式计算力矩系数CM和校?#21152;?#21147;函数。
参照图20,还公开了用于预测使用喷丸过程10(图1)制造的工件12(图1)失真的方法的一个实施例,总体标为200。
如在方框202处所示,该方法可以包括提供板试样20(图6)的步骤,该板试样20具有由喷丸过程10(图1)在至少一个相对试样表面22(图2)中引起的残余应力。
参照图21至图23,试样20可以具有大致薄且正交(例如,矩形)形状,且可以是具有长度尺寸L和宽度尺寸W的大致平的或平面形状。在一个实施例中,试样10的厚度th可以是在从约0.02英寸至约0.10英寸的范围内。在另一实施例中,试样20可以是阿尔门试片,具有从约0.31英寸至约0.0938英寸的范围内的厚度。然而,试样20可以以任何合?#39135;?#23544;、形状和配置形成,并且不限于薄的矩形配置。试样20可以由任何合适的各向同性材料形成,例如任何合适金属材料。试样20的材料可以是在成分上基本类似于要预测失真的工件12(图24)的材料成分。例如,板试样20可以由诸如Ti6A14V-合金的钛合金形成, 该Ti6A14V-合金由于其在高温下密度低和拉伸强度高而常用在航空航天应用中。然而,该板试样可以由任何材料形成,而无限制。
如图2中所示,喷丸过程10可以应用于试样20的相对两表面22中的一个表面,使得在试样表面22的长度L和宽度W(图22)上均匀地产生沿厚度的残余应力。喷丸过程10可以在紧邻试样20外表面的试样表面22(图6)内形成残余应力层54。残余应力层54被识别为具有深度d(图6),这是距试样表面22的残余应力减小到零的距离。
在残余应力层54中引起的残余应力28可以被表征在x方向、y方向和xy方向,与笛卡尔坐标系对准,其中x和y方向是平面内,z方向是试样20的厚度th方向。然而,本公开中所示的笛卡尔坐标系表示可以被实施用于表征所引起残余应力18相对于试样表面22位置的取向的各种替代系统之一。
再次参照图20,如方框204处所示,该方法可以包括沿x方向、y方向和xy方向中的至少一个(图6)测量在至少一个试样20(图6)的试样表面22中引起的残余应力28的步骤。测得的参数可以包括在试样20的不同深度处所引起的残余应力28的幅值和在不同深度d处所引起的残余应力28的相对取向(例如,拉伸或压缩)。所引起的残余应力28的测量可以使用任何合适应力测量技术执?#26657;?#21253;括但不限于x射线衍射、中子衍射、激光干涉测量、散斑干涉测量、超声波?#19978;瘛?#30913;共振?#19978;?#21644;试样钻探,以及对试样20进行?#26159;?#25110;解剖同时使用战略上定位的应变计进行应变测量。
如方框206处所示,该方法可以包括以下步骤:将x、y和/或xy方向中的每一个方向的所引起的应力测量值30(图8A和图8B)拟?#31995;?#34920;示在x、y和/或xy方向中的每个方向上测量的残余应力的分布的弯曲形状函数32的步骤。例如,图8示出使用如?#28388;?#31034;的公式50拟合的所引起的残余应力测量值的最小二乘多项式近?#30130;?
    (公式50)
其中?#20918;?#31034;针对k=1至N项使用多项式近似拟合的残余应力,□K表示此处选择作为多项式函数[(z-z0)/z0]k+2的一般形状函数,Ak表示位移弯曲形状函数的恒定拟合系数,z表示板试样20(图6)的可变深度,z0表示使用选定的测量技术(例如,x射线衍射)测量所引起的应力28 的最大深度。图8中所示的拟合的多项式近似可以表示试样20中?#23548;?#24341;起的残余应变分布。
如方框208处所示,可以通过将σ残余应力的上述公式50代入分别表示残余应力分布的合成力和合成力矩的公式10和公式20,根据x、y和/或xy方向中的每一个方向的拟合(例如,多项式近似)的所引起的残余应力测量值30(图8B)计算x、y和/或xy方向中的每一个方向的力矩系数CM。得到的用于根据多项式拟合(图8B)分别计算力系数CF和力矩系数CM的公式60和公式70如下:
CF=ΣK=1NAK∫0z0[(z-z0)/z0]k+2dz]]>    (公式60)
CM=ΣK=1NAK∫0z0[(z-z0)/z0]k+2[z-(t/2)]dz]]>    (公式70)
如方框210处所示,该方法可以包括以下步骤:校?#21152;?#21147;函数(例如,残余应力的函数)到力矩系数CM。校准的应力函数56(图9至图11)可以应用于工件12(图24)的模型38(图25)。工件模型38可以包括用于模拟工件12的对在工件12上引用负载应力的响应的任何合适模型。例如,工件模型38可以包括但不限于,工件12的有限元模型(如图25中所示)、有限差分模型、有限体积模型或板公式。计算力矩系数、校?#21152;?#21147;函数56到力矩系数CM和将校准的应力函数56应用到工件12的模型38用于确定由喷丸过程引起的工件12中的预测的失真的以上方法提供了如下技术效果:为了确定由于对工件执行具有设定参数(例如,喷丸强度)的喷丸过程10而在工件12中可能出现的残余应力28,不需要制造物理工件12。
校准的应力函数56(例如,图9至图11)可以应用于工件模型38(图25),用于预测工件12(图24)的失真和/或用于预测工件12中的残余应力。校准的应力函数56可以包括用于将应力应用到工件模型38的任何合适函数。例如,校准的应力函数56可以包括阶梯函数58(图9)、线性函数60(图10)或三次项函数62(图11)。校准的应力函数56可以包括深度项和沿着该深度应用的应力幅值项。
对于阶梯函数58(图9),校准该应力函数56到力矩系数CM的步骤(方框210)可以包括将阶梯函数58的深度项d固定到小于所引起的残余应力测量值30(图8B)(例如,经由x射线衍射)变得无关 紧要或在试样20(图6)中减小到零的深度的步骤,如在方框212处所示的。如在方框214处所示,阶梯函数58关于试样中性轴的力矩可以等于力矩系数CM。如在方框216处所示,可以针对x、y和xy方向中的每个方向求解阶梯函数58的应力幅值项Smax。应力幅值Smax可以通过求解下列公式80来计算:
Smax=2CM/[d(d-th)]        (公式80)
其中CM表示力矩系数,d表示应力幅值Smax起作用的深度,th表示试样20(图6)的厚度。
对于线性函数60(图10),校?#21152;?#21147;函数56到力矩系数CM的步骤(方框210)可以包括将线性函数60的深度项固定到小于其中所引起残余应力测量值30(图8B)变得无关紧要或在试样20(图6)中减小到零的深度的步骤,如在方框212处所示的。如在方框214处所示,线性函数60关于试样中性轴的力矩可等同于力矩系数CM。如在方框216处所示,线性函数60的应力大小项Smax可求解x、y和xy每个方向。应力大小Smax可以通过求解下列公式90来计算:
Smax=12CM/[d(2d-3th)]    (公式90)
对于三次项函数62,校准该应力函数56到力矩系数CM的步骤(方框210)可以包括将三次项函数62的深度项固定到小于所引起的残余应力测量值30(图8B)变得无关紧要或在试样20(图6)中减小到零的深度的步骤,如在方框212处所示。如在方框214处所示,三次项函数62的力矩可以等于力矩系数CM。如在方框216处所示,可以针对x、y和xy方向中的每个方向求解三次项函数62的应力幅值项Smax。应力幅值Smax可以通过求解下列公式100来计算:
Smax=CM/[(d2/20)-(dth/8)]    (公式100)
如在方框218处所示,该方法可以包括以对应的校准的应力幅值(例如,分别用于阶梯函数58、线性函数60或三次项函数62的Smax)和对应的固定深度(例如,d)应用校准的应力函数56(图9至图11)到工件模型38(图25)的步骤。校准的应力函数56可以在x、y和/或xy方向中的每个方向上应用于工件模型38。
参照图26至图31,所示的图示示出对于x、y和/或xy方向中的每一个方向,用于校准的阶梯函数58(图9)和校准的三次项函数62 (图11)的校?#21152;?#21147;幅值Smax相对于力矩系数CM的误差64的灵敏度。
图26至图28示出根据阶梯函数58的校准的应力幅值Smax的相对误差绘制的力矩系数CM的相对误差。所绘制的力矩系数CM的误差是根据x射线衍射测量的人为添加到试样20(图6)中的所引起的残余应力测量值30(图8B)的误差的结果。同样地,图29至图31示出根据三次项函数62(图11)的校准的应力幅值Smax的相对误差绘制的力矩系数CM的相对误差,其中力矩系数CM误差是人为添加到所引起的残余应力测量值30(图8B)的误差的结果。
对于图26至图31中绘制的力矩系数CM,在x方向(图8B)、y方向和/或xy方向中的每个方向上添加到所引起的残余应力测量值30的误差的幅值被设定为不大于通过x射线衍射测得的试样20(图6)的最大平面外位移的百分之五(5%)。如图26至图31中可以看到的,在阶梯函数60和三次项函数62的校准的应力幅值Smax的相对误差64传播相对于力矩系数CM的误差是线性的。此外,可以看到,校准的应力幅值Smax的误差是与力矩系数CM的误差在相同量级的幅值。
仍然参照图20,如在方框220处所示,该方法可以包括计算由以校准的应力幅值和对应的深度应用校?#21152;?#21147;函数60(图9至图11)到工件模型38(图25)而引起的工件12的预测失真和/或预测残余应力。失真和/或残余应力可以在任何厚度的工件12中预测。如上面所指出的,校准的应力函数56表示沿厚度的方向上的应力分布曲线。校准的应力函数56可以以校准的应力幅值和对应的深度应用于工件模型38。
参照图32,示出在xy方向上的阶梯函数58的校准的应力幅值Smax与深度d的关系的示例图。校准的阶梯函数58的曲线被叠加在具有约0.040英寸厚度的试样20(图6)的所引起的残余应力测量值30的多项式拟合的曲线之上。在图32中,0.002英寸固定深度d的阶梯函数62的应力幅值Smax被校准成基?#38236;?#20110;力矩系数CM。如上面所?#33268;?#30340;,力矩系数CM是沿厚度的残余应力分布的力矩合成,所述沿厚度的残余应力分布在图32中由在xy方向上的所引起的残余应力测量值30的多项式拟合表示。
参照图33,示出预测xy方向上的工件12(图24)的平面外位移(例如,弯曲)时的校准的阶梯函数58的精确度的示例图。更具体地, 图33是绘制预测工件位移与工件厚度的关系的图示。工件厚度范围是从0.02英寸至0.10英寸。针对沿0.002英寸的深度d的受限于校准的阶梯函数58应力幅值Smax的不同工件厚度,计算位移并绘制位移66(例如,阶梯函数)。还针对受限于来自如图32中所示的x射线衍射的所引起的残余应力测量值30的应力分布曲线(例如,多项式拟合)的工件厚度计算位移并绘制位移(例如,多项式拟合)在图33中。
参照图34,示出如图33中绘制的相对平面外位移误差与工件厚度的示例表。更具体地,图34示出不同工件厚度和受限于来自x射线衍射的所引起的残余应力测量值30的工件的位移68(图33)的受限于校准的应力幅值Smax的工件的预测位移66(图33)的相应误差。在图33中可以看到,对于工件厚度基?#38236;?#20110;所引起的残余应力测量值30取自的试样厚度(例如,0.04英寸)的情况,相对的位移位差64(图26至图28)是最低的。可以看到,位移的相对误差64随工件厚度的增加而增加。然而,在图34中还可以看到,对于不同于试样厚度的至少为试样厚度一半的工件厚度,位移误差是相对小的(例如,小于5%)。
参照图35,示出在y方向上的校准的应力幅值Smax与校准的三次项函数62的深度d的关系的示例图。校准的三次项函数62的曲线被叠加到0.040英寸厚度的板试样20(图6)的所引起的残余应力测量值30的曲线之上。0.002英寸的固定深度d的三次项函数62的应力幅值Smax被校准成基?#38236;?#20110;根据如上面关于图8B所述的所引起的残余应力测量值30计算的力矩系数CM。
参照图36,示出预测y方向上的工件12(图24)的平面外位移(例如,弯曲)时的校准的三次项函数62的精确度的示例图。更具体地,图36示出预测工件位移与工件厚度的曲线图。针对如图35中所示的沿0.002英寸的深度d的受限于校准的三次项函数62应力幅值Smax的工件12不同厚度(例如,0.02英寸至0.10英寸)绘制位移70(例如,三次项函数)。还针对图35中绘制的受限于来自x射线衍射的所引起的残余应力测量值30的应力分布曲线的工件厚度绘制位移68(例如,多项式拟合)。
参照图37,示出相对平面外位移误差与图36中所示的工件厚度的示例表。更具体地,图37示出相对于受限于来自x射线衍射的所引起 的残余应力测量值30的工件位移68(图36),受限于校准的三次项函数62(图35)应力幅值Smax的不同工件厚度的预测位移70(图36)的误差。在图37中可以看到,在工件厚度基?#38236;?#20110;试样厚度(例如,0.040英寸)的情况下位移最低,并且对于不同于试样厚度的至少为试样厚度一半的工件厚度,位移误差是相对小的(例如,小于1%)。
参照图38,示出沿应力分布曲线的不同深度和在相对于在给定深度的?#23548;?#24212;力的合成的计算的应力系数CF中的关联误差72的示例表。如上面所指出的,应力系数CF可以使用在试样20(图6)中测量的残余应力分布通过公式60计算。?#23548;?#24212;力分布是来自使用诸如x射线衍射的任何合适残余应力测量技术的所引起的残余应力测量值30(图8A和图8B)。虽然应力系数CF不等于在给定深度的?#23548;?#24212;力的合成,但对于在?#23548;?#24212;力分布曲线内的深度,应力系数CF的相对误差是相对小的。此外,因为平面内位移(例如,扩展和收缩)与应力系数CF有关,应力系数CF的相对小的误差对应于预测平面内位移的相对小的误差。
再次参照图24,示出工件12的非限制性示例,其中可以基于可应用于工件模型38(图25)的校准的应力函数56(图32、图35)预测失真和/或残余应力。在所示的实施例中,工件12可以包括由一批肋条74和腹板76组成的样本零件。应力函数56可以包括如上所述的阶梯函数58或三次项函数。然而,应力函数56可以包括表示应力分布或应力轮廓的任何合适函数,它们可以应用于模型以便预测工件12的失真和/或残余应力。如上所述,应力函数56可以被校准到力矩系数CM。力矩系数CM表示由喷丸过程10(图2)在试样20(图6)中所引起的残余应力的合成。本领域技术人员可以理解,诸如所引起的残余应力28(图6)的应力幅值和深度的参数可?#36816;?#30528;制造操作的不同和工件12的材料成分不同而变化
另外在此方面,图1示出具有喷嘴18的喷丸过程10,该喷嘴18被配置为在工件12的表面14处投射丸16,以分别沿腹板76和肋条74的表面14a和14b均匀地引起残余应力。在所有其他机加工参数相等情况下,与肋条74中的残余应力幅值和沿厚度的分布相比,喷丸过程10可以在腹板76中引起不同残余应力幅值和沿厚度的分布。因此,应用到有限元工件模型38(图25)的腹板76的校准的应力函数56(图 32、图35)和应力幅值可以与应用到有限元工件模型38的肋条74的校准的应力函数56不同,从而产生与肋条74的预测失真相比不同的腹板76的预测失真的值。
所公开的方法可以包括建立喷丸过程10(图1)的不同喷丸过程参数(例如,喷丸强度)和对应的力矩系数CM的经验数据库。例如,该数据库可以包括喷丸强度、暴露时间(例如,至饱和)、丸速度、丸路径、丸硬度和丸冲击角度的上述参数。机加工参数的额外非限制性示例可以包括工件材料成分和任何其他的各种额外参数。不同喷丸强度(例如,阿尔门强度)的数据库可以包括多个参数组,其中每个参数组可以对应于用于校准要被应用到工件模型38(包括但不限于有限元模型)(图25)的应力函数56的力矩系数CM。
再次参照图20,如在方框222处所示,该方法可以包括调节喷丸过程10(图1)的强度(例如,阿尔门强度)以改变工件12(图24)的预测失真和/或改变工件12的预测残余应力的步骤。例如,校准到不同力矩系数CM的应力函数56(图32、图35)可以被应用于工件模型38(图25),以便实现工件12的不同残余应力分布和/或不同失真。不同的力矩系数CM可以被用于:关联喷丸过程10的不同喷丸强度;关联工件12(图24)的塑性变形;和为失真模拟计算静态相等形状函数78(图40至图42)。例如,不同的应力函数56可以被校准到表示?#31995;?#24378;度的力矩系数CM,该?#31995;?#24378;度减少了工件模型38的预测残余应力或失真。可替代地,应力函数56可以被校准到表示喷丸强度的力矩系数CM,该喷丸强度在较大深度处产生增加幅值的最大残余应力来提高工件的疲劳强度和/或疲劳寿命和减少工件12的失真。
关于提高工件12(图24)的建模解决方案,如在方框224处所示,基于由校准的应力函数56(图32、图35)的应用而引起的工件12的预测失真和/或工件12的预测残余应力可以迭代地调节工件模型38(图25)。例如,基于应用到工件模型38的校准的应力函数56的有限元分析的结果,模型网格(例如,有限元件)可以被调节以对准到具有相对高幅值残余应力的位置的网格元件。在另一非限制性示例中,有限元模型边界条件(例如,?#38469;?#36733;荷)可以基于工件模型38的预测失真来调节。
参照图39,公开了用于预测使用喷丸过程10(图1)制造的工件12(图1)的失真的方法的一个实施例,其总体被标识为300。
如在方框302处所示,该方法可以包括在x、y和/或xy方向上物理测量试样表面22(图6)的位移并基于试样表面22的位移计算力矩系数CM的步骤。
如图2至图4中所示,在试样表面22上执行喷丸过程10可以在试样表面22中引起残余应力28(图6),并可能导致试样20的失真。试样表面22的位移可以由用于测量零件几何形状的任何合适技术测量。
参照图21至图23,试样20可以由薄矩形金属试片(即,阿尔门试片)形成,试样20可以被喷丸加工并且其偏转(即,弧高度h)作为喷丸强度的函数被测量。此偏转作为喷丸强度的函数被称为阿尔门强度。
标?#21450;?#23572;门试片由普通?#20960;諷AE1070制成且具有约45HRC的刚度,并且通常用于确定喷丸过程10(图2)的有效性。一般地,喷丸过程10是基于阿尔门试片强度校准的,直到喷丸强度在试片(例如,试样20)?#31995;?#33268;饱和的这一点。当进一步喷丸不显著改变阿尔门试片(图21)的弧高h时达到饱和,通常饱和被定义为暴露时间加倍导致阿尔门试片的最后弧高h的增加小于10%的这一点。
再次参照图39,在喷丸之后试样20(例如,阿尔门试片)的双轴应力状态下,曲率(例如,失真)半径可以在x和y方向上是相同的(例如,喷丸之后试样保持?#25429;?#24418;状)。位移(例如,失真)可以被测量为试样20(图21)的弧高度h。弧高度h可以使用测量装置26(图3)如阿尔门量规测量。
可替代地,在更复杂(例如,非双轴)应力状态下,试样表面22(图6)的位移可以在x、y和/或xy方向物理测量并?#20234;?#30697;系数CM可以基于试样表面22的位移来计算。例如,在x、y和/或xy方向的位移可使用诸如先进地形测量传感器(ATOS)的光学计量来测量,以产生表示失真试样表面22的部分数据和/或点云数据,其中坐标测量系统使用接触式探针或任何其他合适测量技术,而无限制。
如在方框304处所示,该方法可以包括在x、y和/或xy方向中的 至少一个方向上拟合试样位移测量(例如,弧高度h)到位移形状函数78的步骤,其中该位移形状函数78类似于图40至图42中所示的位移形状函数78。在x、y和/或xy方向上的位移形状函数78可以通过使用弹性公式(例如,杨氏模量、泊松比)求解本征应变进行计算,以转换应力函数。
如在方框306处所示,该方法可以包括计算在x、y和/或xy方向中的至少一个方向上的力矩系数CM的步骤。例如,力矩系数CM可以是基于形状函数78的。作为另一示例,力矩系数CM可以是基于材料成分、试样20的尺寸和位移测量,如下面将关于公式120和公式130所述的。
如在方框308处所示,该方法可以包括以如上面在图20的方框210处所示的方法步骤中描述的方式校?#21152;?#21147;函数56和对应的应力幅值Smax到力矩系数CM的步骤。
如在方框310处所示,该方法可以包括应用校准的应力函数56(图32、图35)到工件模型38(图25)(例如,有限元模型)的步骤,如上面在图20的方框218处所示的方法步骤中描述的。
如在方框312处所示,该方法可以包括计算由应用校准的应力函数56到工件模型38而引起的工件12(图24)的预测失真的步骤,如上面关于在图20中所示的方框220处所示的方法步骤描述的。
力矩系数CM可以可选地通过以下步骤来计算:应用拟合的所引起的残余应力测量值30(图8B)到板试样20的模型80(图7)(例如,有限元模型),并提取由应用拟合的所引起的残余应力测量值31到试样模型80而引起的在x、y和/或xy方向的试样表面22(图6)位移测量。然后,试样位移测量可以拟?#31995;?#20301;移形状函数78,如图40至图42所示和上面关于在图39的方框304处所示的方法步骤描述的位移形状函数78。
可以针对x、y和/或xy方向使用下列公式110计算力矩系数:
CM=(A2th3)/12       (公式110)
其中A2表示在x、y和/或xy方向上的位移形状函数78的拟合系数(例如,乘数),th表示试样厚度(图23)。如上面所指出的,力矩系数表示基于位移形状函数78(图40至图42)的关于板试样中性轴的所 引起的残余应力力矩。
由于标准化而引起的标?#21450;?#23572;门试片试样的广泛使用可能限制由于缺乏关于对具体喷丸材料的喷丸影响的信息而引起的喷丸技术的潜在性(例如,增加的疲劳寿命、用于形成指导的反馈和对公差的影响)。塑性变形和饱和直接与材料的屈服强度有关。因此,预计诸如铝和钛的其他材料的变形和饱和水平显著不同,因为其弹塑?#24418;?#19981;同。因此,根据标?#21450;?#23572;门试片转化喷丸强度可能导致影响喷丸部件的残余应力的高估或低估,从而失去来自超过强度的不利影响或来自较高强度的潜在好处。使用与要喷丸处理的部件(例如,工件12)的材料相同的材料来创建测试试样20并关联由于不同喷丸强度(例如,高达饱和水平)试样20的偏转到残余应力28可以提供更好选择喷丸强度和更?#27599;?#21046;关于喷丸处理部件的失真和表面残余应力水平的能力。
因此,可以针对x、y和/或xy方向计算力矩系数CM,以考虑材料成分和试样尺寸(例如,长度L、宽度W(图21至图23))。力矩系数CM可以使用下列公式120(例如,基于Timoshenko板方程)计算:
CM=(2D(1-ν)/[(L/2)2+(W/2)2])hmax    (公式120)
其中D表示试样20的抗弯刚度,ν表示泊松比,L表示试样20的长度尺寸,W表示试样20的宽度尺寸,hmax表示在试样20(例如,阿尔门试片)上测得的最大位移(例如,弧高度)。
可替代地,也可以使用下列公式130针对x、y和/或xy方向计算力矩系数CM,以考虑材料成分和试样尺寸(例如,长度L、宽度W和厚度th):
CM=2Eth2hmax/3(1-ν)(L2+W2)    (公式130)
其中E表示试样20的材料成分的弹性模量,th表示试样20的厚度尺寸,hmax表示在试样20上测得的最大位移(例如,弧高度),ν表示泊松比,L表示试样20的长度尺寸,W表示试样20的宽度尺寸。
力系数CF和力矩系数CM的计算可以间接地根据具有均匀厚度t(例如,阿尔门试片)的试样20的位移场执?#23567;?#27979;得的试样20的位移可以被拟合为由均匀应力分量引起的变形形状的线性组合,如下面在公式140和公式150中所示:
σuniform=A1      (公式140)
σlinear=A2[z-(t/2)]    (公式150)
其中A1和A2是要校准的恒定系数,公式140和公式150在试样20的整个厚度上定义。
均匀项A1表示试样20的?#30001;?#19988;直接用位移的平面内分量校准(例如,每个平面应力分量的两个正交均匀?#30001;?#21644;一个偏斜)。系数A2可以通过以下步骤获得:计算在测得位移的平面外(例如,法向)分量和通过在用于应力张量(例如,σx、σy、σxy)的每个平面分量的公式150中将系数A2设置为一(1)而得到的形状函数78(图40至图42)的线性组合之间的最小二乘法拟合。用于拟?#20808;?#20309;其他形状函数78的力矩系数CM可以使用上述公式110在x、y和/或xy方向中的任?#25105;?#20010;方向上计算。
试样20(图6)可以被配置为具有与对应的工件12(图24)基本类似的材料成分。例如,试样20可以由与构成工件12的钛合金基本类似的钛合金形成,或者试样20可以由与构成工件12的铝合金基本类似的铝合金形成。如上所述,公式120和公式130可以用于使用标?#21450;?#23572;门强度方法(图2至图5)计算试样20的力矩系数CM,因为仅试样20的材料成分是相对于标?#21450;?#23572;门试片修改的。因此,hmax可以使用标准测量装置26(图4)(例如,阿尔门量规)来测量,以关联喷丸强度并且计算对应的工件12的特定材料成分的力矩系数,并预测经历设置在关联的喷丸强度的喷丸过程10(图1)的工件12的所引起的残余应力和/或变形。
有利地,图39中所示的物理测量试样表面22(图6)的位移来确定力矩系数CM的上述方法300可以避免与用于确定力矩系数CM的试样表面22中的残余应力28(图6)的测量关联的不准确性?#32479;?#26412;。例如,考虑到材料的成本以及板试样的机加工和测量结果的分析所需的时间以及费用,使用x射线衍射或中子衍射的残余应力28的测量会是成本过高且进度过长的。一般情况下,试样钻孔可以为测量应力提供?#32479;?#26412;替代方法,然而,试样钻孔可能在以确定力矩系数所需的相对高准确度测量试样表面22的残余应力时带来挑战。同样,激光干涉测量、散斑干涉测量、超声波?#19978;?#21644;磁共振?#19978;?#20063;可能在测量残余应力时带来挑战。解剖或切开虽然从成本角度来看是有利的,但也可能在 提供测量板试样的残余应力28所需的准确度时带来挑战。
参照图43,还公开了一种用于建立力矩系数CM的数据库方法,总体标为400,其中每一个力矩系数CM可以对应于喷丸过程10的选定喷丸强度,如上面所提到的。
如在方框402处所示,该方法可以包括测量试样20(图6)的试样表面22(图6)中引起的残余应力28的步骤,与上面在图20的方框204处所示的方法步骤中描述的类似。试样20的残余应力28可以由喷丸过程10的选定喷丸强度在试样表面22中引起。
如在方框404处所示,该方法可以包括在x、y和/或xy方向上拟合试样引起的残余应力测量?#26723;?#24367;曲形状函数32的步骤,类似于由图8A和图8B中的示例所述。
如在方框406处所示,该方法可以包括使用上述公式70计算表示由选定喷丸强度在试样20中引起的残余应力28(图6)的力矩系数CM的步骤。
如在方框408处所示,该方法可以包括建立不同喷丸强度和与每个喷丸强度关联的对应的力矩系数CM的经验数据库。在这方面,该数据库可以包括与喷丸过程10关联的?#25105;?#25968;量的不同参数中的一个或多个,其中喷丸过程10是与试样20关联的,?#25105;?#25968;量的不同参数中的一个或多个可以影响由选定喷丸强度在试样表面22中引起的残余应力。
参照图44,还公开了一种用于建立力矩系数CM的数据库方法,总体被标为600,其中每个力矩系数CM可以对应于喷丸过程10的选定喷丸强度,如上面所提到的。
如在方框602处所示,方法600可以包括测量由喷丸过程10的执行而引起的在试样20(图6)的试样表面22(图6)中的位移的步骤,与在图39的方框302处所示的方法步骤中所述的类似。试样20的位移可以由喷丸过程10的选定喷丸强度在试样表面22中生成。
如在方框604处所示,方法600可以包括在x、y和/或xy方向上拟合试样位移测量?#26723;?#20301;移形状函数78的步骤,与由图40至图42中的示例所示的类似。
如在方框606处所示,方法600可以包括基于形状函数78计算在 x、y和/或xy方向上的力矩系数CM的步骤。
如在方框608处所示,方法600可以包括建立不同喷丸强度和与每个喷丸强度关联的对应的力矩系数CM的经验数据库的步骤。在这方面,该数据库可以包括与喷丸过程10关联的?#25105;?#25968;量的不同参数中的一个或多个,其中喷丸过程10是与试样20关联的,?#25105;?#25968;量的不同参数可以影响由选定喷丸强度在试样表面22中引起的残余应力。
有利地,本文公开的实施例可以提供一种手段来预测可能发生在工件12中的失真和/或残余应力并调节制造操作(例如,喷丸过程10的强度),以最小化或最大化工件12中的残余应力幅值并控制工件12的失真。例如,本文公开的实施例中的一个或多个可以有利地实施在航空航天工业中,其中喷丸过程10的机加工参数(例如,喷丸强度)可以经调整以控制所引起的残余应力并减少或消除由于对工件12执行的喷丸操作而造成的金属工件中的失真。
通过举例的方式示出这一点,上述过程可以应用于被设计为具有宽度尺寸?#32479;?#24230;尺寸的细长平面构件的铝或钛工件,其中长度可以显著大于宽度(例如,分别为十二(12)英寸乘八十六(86)英寸)。该平面构件可以包括沿该工件的长度尺寸?#30001;?#30340;多个腹板。这些腹板可以被机加工到相对小的厚度(例如,范围为约0.090英寸至0.227英寸)。每个腹板可以沿该工件的长度尺寸与相邻腹板分开一肋条,?#32654;?#26465;从腹板向外?#30001;?#19988;相对于工件长度横向取向。
该工件可以使用一组原始的喷丸过程参数(例如,喷丸强度)进行机加工,该组原始的喷丸过程参数由于来自喷丸过程的残余应力而导致该工件的失真。该工件的失真可以由沿该工件长度方向的大致恒定曲率与作为工件的一端相对于该工件的另一端的测得位移(例如,弯曲)(例如,约四(4)英寸)表征。由于这种弯曲度,可能需要通过矫直进行工件返工,以除去该曲率,使工件在可接受的公差内。
可以测量具有基本上与该工件类似的材料成分(例如,铝或钛)的试样,以确定用于校?#21152;?#21147;函数的力矩系数CM,该应力函数可以被应用于该工件的有限元模型。试样可以表示该工件的材料成分(例如,铝、?#36873;?#38109;合金、钛合金)和原始喷丸参数。由应用校准的应力函数而引起的有限元解决方案可以预测由喷丸过程在该工件中引起的失真 (例如,弯曲)(例如,约3.3英寸),并且在该工件中引起的失真可以与测得的工件失真(例如,约四(4)英寸)关联。
然后可调整和优化该工件的喷丸参数(例如,喷丸强度)和有限元模型,直到预测失真落入可接受的限制内。优化过程可以导致该工件弯曲位移(例如,沿该工件长度方向的曲率)的预测失真(例如,约0.009英寸)。然后该工件可以使用优化喷丸参数(例如,喷丸强度)进行机加工,从而产生由于失真的幅值小而可能不可测量的失真。上述用于减小失真的同一过程可以用于优化喷丸参数(例如,喷丸强度),以引起在该工件中有利的(例如,主要是压缩的)残余应力的形成,例如以增加疲劳寿命和/或最小化裂纹生长。此外,上述示例不应?#21271;?#35299;释为限于航空航天工业的金属结构的机加工,而是可以应用于任何制造操作而无限制,并且可以实施在由于能量到工件的施加(例如喷丸处理、激光喷丸)或者力或热到工件的其他施加而在任何类型的工件中引起残余应力的任何工业中。
参照图45,所公开方法的上述步骤或这些步骤的任何组合可以全部或部分在计算机实施的过程中实施,如在基于处理器的系统500或其他合适计算机系统上实施。基于处理器的系统500可以执行可计算的可读程序指令524。计算机可读程序指令524可以被提供至或加载到基于处理器的系统500,以便实施上述操作或步骤中的一个或多个。在非限制性示例中,基于处理器的系统500和/或计算机可读程序指令524可以有助于预测在使用喷丸过程10制造的工件12(图24)中引起的残余应力28(图6)和/或失真(图32、图35)。
图45的方框图可以示出基于处理器的系统500的实施例,该基于处理器的系统500可以使用在由喷丸过程10制造的试样20中引起的残余应力28的测量值来预测工件12中的残余应力28。在所示的实施例中,基于处理器的系统500可以包括数据通信路径502(例如,数据链路),以通信地耦合一个或多个部件来有助于这些部件之间的数据传输。通信路径502可以包括一个或多个数据总线和有助于基于处理器的系统500的部件和装置之间的数据传输的任何其他合适通信路径。
在非限制性实施例中,部件可以包括处理器504、存储装置506、?#19988;?#22833;?#28304;?#20648;装置508、通信装置512以及输入/输出装置510、显示装 置514、系数计算器526、应力函数校准器528、应力函数施加器530、失真预测器532和应力测量拟合装置534中的一个或多个。系数计算器526可以计算表示由喷丸过程10(图2)在试样20(图6)中引起的残余应力28的力矩系数CM。
系数计算器526可以以上面关于在图20的方框208处所示的方法步骤描述的方式,或者以上面关于在图39的方框306处所示的方法步骤或在图43的方框406处所示的方法步骤描述的方式计算力矩系数CM。
例如,系数计算器526可以针对x、y和/或xy方向中的每个方向使用在试样20中拟合的所引起的残余应力测量值30(图8B)计算力矩系数CM。如上面在图20的方框204处所示的方法步骤中描述的,可以确定拟合的所引起的应力测量值30,其中在试样20中引起的残余应力28(图6)可以例如通过使用x射线衍射或任何其他合适应力测量技术沿x方向、y方向和/或xy方向中的至少一个测量。
作为另一示例,系数计算器526可以针对x、y和/或xy方向中的每一个方向使用在试样20中的位移测量?#23548;?#31639;力矩系数CM。如上面在图39的方框302处所示的方法步骤中描述的,可以确定位移测量值,其中试样20的位移可以例如通过测量装置26沿x方向、y方向和/或xy方向中的至少一个测量。
应力测量拟合装置534可以接收所引起的残余应力测量值30(图8B),所引起的残余应力测量值30可以通过输入/输出装置510被输入到应力测量拟合装置534,使得应力测量拟合装置534可以如在图20的方框206处所示的方法步骤中或在图39的方框304处所示的方法步骤中描述的,通过使用公式50拟合所引起的残余应力测量值30到弯曲形状函数32,如在图8A中所示的最小二乘多项式近似。图8B中所示的拟合多项式近似可以表示试样20中?#23548;?#24341;起的残余应变分布。所引起的残余应力测量值30可以经由通信路径502被提供到系数计算器526,使得系数计算器526可以接着计算x、y和/或xy方向的力矩系数CM。
应力函数校准器528可以使用公式70根据x、y和/或xy方向中的每一个方向的拟合(例如,多项式近似)的所引起的残余应力测量值 30计算力矩系数CM,如上面在图20的方框210处所示的方法步骤中或在图39的方框308处所示的方法步骤中描述的。例如,公式80(例如,阶梯函数)中的深度项d和公式100(例如,三次项函数)中的深度项d可以被设定为小于所引起的残余应力测量在试样20中减小到零的深度,如关于在图20的方框212处所示的方法步骤描述的。然后,应力函数校准器528可以使阶梯函数58(图9)或三次项函数62(图11)的力矩等于力矩系数CM,如在图20的方框214处所示的方法步骤中描述的,并求解x、y和/或xy方向中的每一个方向的阶梯函数58的应力幅值项Smax(公式80)或三次项函数的应力幅值项Smax(公式100),如上面在图20的方框216处所示的方法步骤中描述的。
应力函数应用器530可以经由通信路径502从应力函数校准器528接收校准的应力函数56。应力函数应用器530可以如上面在图20的方框218处所示的方法步骤中或在图39的方框310处所示的方法步骤中描述的方式应用校准的应力函数56到工件模型38(图25),如有限元模型。例如,应力函数应用器530可以沿校准的应力幅值Smax的对应的固定深度d,以分别用于对应的校准的阶梯函数56和三次项函数62的校准的应力幅值Smax(公式80)和Smax(公式100)应用校准的应力函数56(图32、图35)到工件模型38。然而,如上面所指出的,应力函数应用器530可以应用任何校准的应力函数到工件模型38并且不限于应用校准的阶梯函数56(图32)或校准的三次项函数62(图35)。
失真预测器532可以计算以校准的应力幅值Smax(公式80)和Smax(公式100)以及对应的深度d应用校准的应力函数56(图32、图35)到工件模型38(图25)而引起的工件12(图24)的预测失真和/或残余应力,如在图20的方框220处所示的方法步骤中或在图39的方框313处所示的方法步骤中描述的。失真预测器532可以例如经由通信路径502接收来自由应力函数应用器530将校准的应力函数56应用到工件模型38的结果。工件12的预测失真和/或预测残余应力的结果可以例如由显示装置514传输到输入/输出装置510,该显示装置514可以显示工件12的预测失真和/或预测残余应力的工件模型38的模拟。预测失真和/或预测残余应力可以在显示装置514上被显示为图形显示和/ 或数值,其表示失真和/或残余应力相对于工件模型38(图25)的参考点(未示出)的幅值和/或方向。然而,应力函数应用器530的输出可以是通过任何合适手段并且不限于显示装置514上的图形或数值显示。
在一个实施例中,基于处理器的系统500可以包括一个或多个处理器504,其被配置用于执行可安装到存储装置506的计算机可读程序指令524。可替代地,处理器504可以包括多处理器核?#27169;?#35813;多处理器核心具有两个或更多集成处理器核心。甚至进一步地,处理器504可以包括集成在一个芯片上的主处理器和一个或多个辅助处理器。处理器504还可以包括多处理器系统,其具有多个配置的处理器。
基于处理器的系统500可以进一步包括一个或多个存储装置506,其可以包括一个或多个易失性或?#19988;?#22833;?#28304;?#20648;装置508。然而,存储装置506可以包括用于存储数据的任何硬件装置。例如,存储装置506可以包括随机存取存储器或接口和/或集成的内存控制器集线器的高速缓存,其可以被包括在通信路径502中。存储装置506可以被配置为永久地和/或临时地存储各种不同类型的数据、计算机可读代码或程序指令524或任何其他类型的信息中的任?#25105;?#20010;。?#19988;?#22833;?#28304;?#20648;装置508可以以各种配置提供,包括但不限于?#20102;?#23384;储器装置、硬盘驱动器、光盘、硬盘、磁带或用于长期存储的任何其他合适实施例。另外,?#19988;?#22833;?#28304;?#20648;装置508可以包括可移除装置,例如可移除硬盘驱动器。
基于处理器的系统500还可以包括输入/输出装置510中的一个或多个,以有助于可连接到基于处理器的系统500的部件之间的数据传输。输入/输出装置510可以直接和/或间接耦?#31995;?#22522;于处理器的系统500。输入/输出装置510可以通过外围装置,如键盘、鼠标、操纵杆、触摸屏和用于输入数据到基于处理器的系统500的任何其他合?#39318;?#32622;有助于用户输入。输入/输出装置510可以包括用于传输表示基于处理器的系统500的输出的数据的输出装置。例如,输入/输出装置510可以包括显示装置514,如用于显示由基于处理器的系统500处理的数据结果的计算机监视器或计算机屏?#24359;?#36755;入/输出装置510可以可选地包括用于打印由基于处理器的系统500处理的信息的?#37096;?#36125;的打印机或传真机。
基于处理器的系统500可以包括一个或多个通信装置512,以有助 于基于处理器的系统500在计算机网络内和/或与其他基于处理器的系统的通信。基于处理器的系统500与计算机网络或与其他基于处理器的系统的通信可以是通过无线方式和/或通过硬线连接的。例如,通信装置512可以包括网络接口控制器,以启用基于处理器的系统500和计算机网络之间的无线或电缆通信。通信装置512还可以包括调制解调器和/或网络适配器或各种用于发送和接收数据的替代装置中的任?#25105;?#20010;。
上述用于预测和/或验证工件12(图24)的残余应力28(图6)的公开方法200、300的操作中的一个或多个可以由处理器504和/或由系数计算器526、应力函数校准器528、应力函数应用器530、失真预测器532和应力测量拟合装置534中的一个或多个使用计算机可读程序指令524执?#23567;?#35745;算机可读程序指令524可以包括程序代码,其可以包括计算机可用程序代码和计算机可读程序代码。计算机可读程序指令524可以由处理器504读取和执?#23567;?#35745;算机可读程序指令524可以使处理器504能够执行上述与预测工件12的残余应力28和失真关联的实施例的一个或多个操作。
计算机可读程序指令524可以包括用于基于处理器的系统500的操作指令,且可以包括应用和程序。计算机可读程序指令524可以被包含和/或加载到存储装置506和/或?#19988;?#22833;?#28304;?#20648;装置508中的一个或多个,以便由处理器504和/或由系数计算器526、应力函数校准器528、应力函数应用器530、失真预测器532和应力测量拟合装置534执?#23567;?#22914;上所指出的,存储装置506和/或?#19988;?#22833;?#28304;?#20648;装置508中的一个或多个可以通过通信路径502通信地耦?#31995;?#22270;44中所示的剩余部件中的一个或多个。
计算机可读程序指令524可以被包含在有形或无形、临时或非临时计算机可?#20004;?#36136;518上,并且其可以被加载到或传输到基于处理器的系统500,以便由处理器504执?#23567;?#35745;算机可读程序指令524和计算机可?#20004;?#36136;518可以包括计算机程序产品516。在一个实施例中,计算机可?#20004;?#36136;518可以包括计算机可读存储介质520和/或计算机可?#21015;?#21495;介质。
计算机可读存储介质520可以包括各种不同实施例,包括但不限于 可加载到驱动器内的光盘和磁盘、?#20102;?#23384;储装置或用于传输数据到诸如硬盘驱动器的存储装置上的其他存储装置或硬件。计算机可读存储介质520可以被非可移除地安装到基于处理器的系统500上。计算机可读存储介质520可以包括任何合?#34432;?#20648;介质,且可以包括但不限于半导体系统或传播介质。在这方面,计算机可读存储介质520可以包括电子介质、磁性介质、光学介质、电磁介质和红外介质。例如,计算机可读存储介质520可以包括磁盘、计算机磁盘、随机存取存储器和只读存储器。光盘实施例的非限制性示例可以包括光盘只读存储器、光盘-读/写和数?#36136;?#39057;光盘。
计算机可?#21015;?#21495;介质522可以包含计算机可读程序指令524,且可以被体现在各种数据信号配置中,包括但不限于电磁信号和光信号。此类数据信号可以通过任何合适通信链路传输,包括通过无线或通过硬线通信传输。例如,硬线通信可以包括光纤电缆、同轴电缆、信号线和用于通过有线或物理方法传输数据的任何其他合适方法。
计算机可?#21015;?#21495;介质522可以有助于下载计算机可读程序指令524到?#19988;?#22833;?#28304;?#20648;器或其他合?#34432;?#20648;器或存储装置,以便在基于处理器的系统500内使用。例如,包含在计算机可读存储介质520内的计算机可读程序指令524可以通过计算机网络从另一系统的服务器或客户端计算机下载到基于处理器的系统500。
基于处理器的系统500的各种不同实施例的任?#25105;?#20010;可以通过使用能够执行计算机可读程序指令524的任何硬件装置或系统实施。例如,处理器504可以包括硬件单元,其被配置用于执行一个或多个特定功能,其中用于执行所述功能的计算机可读程序指令524可以被预先加载到存储装置506内。
在一个实施例中,处理器504可以包括专用集成电路(ASIC)、可编程逻辑器件或被配置为执行一个或多个具体功能或操作的任何其他硬件装置。例如,可编程逻辑器件可以被临时地或永久性地编程,以执行与预测由于具有设定机加工参数(例如,喷丸强度)的喷丸过程10(图1)而导致的工件12(图24)中的残余应力28(图6)或失真的公开方法有关的操作中的一个或多个。可编程逻辑器件可以包括可编程逻辑阵列、可编程阵列逻辑、现场可编程逻辑阵列、现场可编 程门阵列和任何其他合适逻辑器件,而无限制。在一个实施例中,计算机可读程序指令524可以由一个或多个处理器504和/或由包括与处理器504通信的一个或多个硬件单元的其他装置操作。计算机可读程序指令524的?#25215;?#37096;分可以由处理器504运?#26657;?#32780;计算机可读程序指令524的其他部分可以由硬件单元运?#23567;?
有利地,本文所述各种实施例可以提供预测工件12(图24)中可能出现的残余应力28(图6)和失真(图32、图35)的能力,进一步的技术效果是不需要制造物理工件12以便确定由于对工件12执行具有设定参数(例如,喷丸强度)的喷丸过程10(图1)而导致的可能出现在工件12中的残余应力28。在这方面,执行上述方法的一个或多个操作的技术效果可以包括不需要迭代地调整喷丸过程参数(例如,喷丸强度)、制造新工件12、测量新工件12中的残余应力28并且接着重新调整喷丸参数直到残余应力28和/或失真落入可接受限制内。此外,本文所述的各种有利实施例可以提供增加在验证由于以?#25215;?#35774;定喷丸强度对工件12执行喷丸过程10而可能出现在工件12中的残余应力28的预测时的效率和准确性的效果。
此外,公开方法的各种实施例可以提供通过将工件12(图24)的材料性质合并到校准过程中来确定喷丸过程10(图1)的合适喷丸强度的能力。所公开的系统和方法可以允许基于工件12的材料成分和几何形状表征喷丸强度,并可以允许量化喷丸过程10引起的残余应力28。通过对于不同材料和几何形状的喷丸强度的识别和合并,可以改进用于增加特定零件(例如,工件12)的强度和疲劳寿命的喷丸过程10。通常,工件12上使用的喷丸强度越高,该零件的材料强度越高且该零件的疲劳寿命越长。然而,喷丸强度必须与工件12的失真平衡。
因此,所公开的方法可以提供通过关联不同喷丸强度(例如,直到饱和水平)与在工件中引起的残余应力对喷丸系统进行校准。该系统和方法可以提供改进的能力,以选择喷丸强度且控制喷丸部件上的失真和表面残余应力水平。
虽然已经示出和描述所公开的用于预测由喷丸过程引起的失真的系统和方法的各种实施例,但是本领域技术人员在阅读本说明书?#34987;?#24819;到修改。本申请包括此类修?#27169;?#24182;且仅由权利要求的范围限制。

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本文标题:用于预测由于喷丸机加工过程引起的工件失真的系统和方法.pdf
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