电磁耦合调控铝合金发动机承力框残余应力的方法
阅读说明：本技术 电磁耦合调控铝合金发动机承力框残余应力的方法 (Method for regulating residual stress of bearing frame of aluminum alloy engine through electromagnetic coupling ) 是由 黄坤兰 杨霄 钟福 王杰 曾波 于 2021-09-16 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种电磁耦合调控铝合金发动机承力框残余应力的方法,涉及发动机零件加工技术领域,其包括对承力框的毛坯、粗加工、半精加工和精加工四个阶段采用不同的电磁参数进行动态电磁耦合处理,借助脉冲电场和脉冲磁场耦合作用下产生的应力应变以及电磁场为电子跃迁提供能量而重排,减缓或减小晶格畸变,最终实现对这四个阶段中因为材料成型以及加工引起的残余应力进行有效调控,能够同时降低残余拉应力和残余压应力,提高了承力框的成品率和使用寿命；同时依靠动态移动承力框来防止电磁处理中心区域温度过高引起的内部组织的转变,避免影响材料本身的力学性能。(The invention provides a method for regulating and controlling residual stress of a bearing frame of an aluminum alloy engine by electromagnetic coupling, which relates to the technical field of engine part processing and comprises the steps of carrying out dynamic electromagnetic coupling processing on a blank, rough processing, semi-finishing and finishing stages of the bearing frame by adopting different electromagnetic parameters, providing energy for electronic transition by means of stress strain generated under the coupling action of a pulse electric field and a pulse magnetic field and an electromagnetic field, and rearranging to slow down or reduce lattice distortion, finally realizing effective regulation and control on residual stress caused by material forming and processing in the four stages, reducing residual tensile stress and residual compressive stress at the same time, improving the yield of the bearing frame and prolonging the service life of the bearing frame; meanwhile, the force bearing frame is dynamically moved to prevent the transformation of internal tissues caused by overhigh temperature of the central area of the electromagnetic treatment, and the influence on the mechanical property of the material is avoided.)
技术领域
本发明涉及发动机零件加工技术领域，特别是涉及一种电磁耦合调控铝合金发动机承力框残余应力的方法。
背景技术
发动机承力框是航空发动机主要的承力部件，需同时承受气动、温度、惯性力和转子外传振动等载荷的作用，具有结构受力复杂、功能重要的特点。铝合金发动机承力框在切削过程中会引入分布不均的残余压应力和残余拉应力，尤其是在粗加工和半精加工过程中，导致铝合金发动机承力框成品率低，使用寿命短。调控铝合金发动机承力框的残余应力成为了国内生产合格发动机承力框的关键一步。
现有调控残余应力的方法中时效法包括自然时效、热处理时效和振动时效等，但时效法调控残余应力耗时长、效果不佳；机械法中喷丸处理只能降低残余拉应力，并且诱导出残余压应力，在调控残余压应力方面具有局限性；利用超声冲击减低残余应力在当前国内外尚处于起步阶段，机理不明，无法进行成熟应用；激光冲击法与喷丸处理类似，且只能够改善材料表面应力状态，产生的残余压应力有一个饱和数值。综合比较而言，传统的残余应力调控方法存在耗时长、成本高且调控局限性引起调控效果差等问题。
发明内容
针对现有技术中的上述问题，本发明提供了一种电磁耦合调控铝合金发动机承力框残余应力的方法，解决了现有技术中调控铝合金发动机承力框残余应力的方法耗时长、调控效果差的问题。
为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：
提供一种电磁耦合调控铝合金发动机承力框残余应力的方法，其包括：
S1，根据承力框的形状及电极接触头的接触面积设计电极相对于承力框的动态处理轨迹，使动态处理轨迹完全覆盖整个承力框；
S2，将承力框毛坯件置于双电极-双线圈脉冲电磁耦合设备中进行第一次电磁耦合处理，其中，脉冲磁场强度为B1、脉冲电流强度为A1且双电极接触头以V1的速度沿着动态处理轨迹在承力框毛坯件上移动，B1＝0.5T～3T，A1＝0.5A/mm2～30A/mm2，V1＝0.1mm/s～2mm/s；
S3，对承力框毛坯件进行粗加工形成承力框粗加工件；
S4，对承力框粗加工件进行第二次电磁耦合处理，其中，脉冲磁场强度为B2、脉冲电流强度为A2且双电极接触头以V2的速度沿着动态处理轨迹在承力框粗加工件上从起始点移动至终点，且B2>B1，A2>A1，V2<V1，B2＝0.5T～3T，A2＝0.5A/mm2～30A/mm2，V2＝0.1mm/s～2mm/s；
S5，对承力框粗加工件进行半精加工形成承力框半精加工件；
S6，对承力框半精加工件进行第三次电磁耦合处理，其中，脉冲磁场强度为B3、脉冲电流强度为A3且双电极接触头以V3的速度沿着动态处理轨迹在承力框半精加工件上从起始点移动至终点，且B3>B2，A3>A2，V3<V2，B3＝0.5T～3T，A3＝0.5A/mm2～30A/mm2，V3＝0.1mm/s～2mm/s；
S7，对承力框半精加工件进行精加工形成承力框精加工件；
S8，对承力框精加工件进行第四次电磁耦合处理，其中，，脉冲磁场强度为B4、脉冲电流强度为A4且双电极接触头以V4的速度沿着动态处理轨迹在承力框精加工件上从起始点移动至终点，且B4>B3，A4>A3，V4<V3，B4＝0.5T～3T，A4＝0.5A/mm2～30A/mm2，V4＝0.1mm/s～2mm/s，形成承力框成品件。
进一步地，上述电磁耦合调控铝合金发动机承力框残余应力的方法还包括：
在第一次电磁耦合处理、第二次电磁耦合处理、第三次电磁耦合处理和第四次电磁耦合处理后，对应地，对承力框毛坯件、承力框粗加工件、承力框半精加工件、承力框精加工件和承力框成品件上的若干测试点进行残余应力检测，所述测试点位于所述动态处理轨迹上，且四次电磁耦合处理中测试点的位置相同。
进一步地，四次电磁耦合处理过程中，脉冲磁场和脉冲电流同时作用于承力框上。
进一步地，从第一次电磁耦合处理、第二次电磁耦合处理、第三次电磁耦合处理至第四次电磁耦合处理中，脉冲磁场强度逐渐递增且每次增加量ΔB＝0.1T～0.4T。
进一步地，从第一次电磁耦合处理、第二次电磁耦合处理、第三次电磁耦合处理至第四次电磁耦合处理中，脉冲电流强度逐渐递增且每次增加量ΔA＝1.0A～2.5A。
进一步地，从第一次电磁耦合处理、第二次电磁耦合处理、第三次电磁耦合处理至第四次电磁耦合处理中，移动承力框使双电极接触头相对于承力框移动的速度逐渐递减且每次减小量ΔV＝0.1mm/s～0.6mm/s。
进一步地，上述步骤S1中动态处理轨迹的设计方法为：
将承力框沿轴向或周向均分为若干处理单元，每个处理单元的宽度等于电极接触头在对应方向上的宽度，所述动态处理轨迹包括沿每个处理单元等分线延伸的处理线以及连接相邻处理单元上处理线的连接线。
本发明的有益效果为：
1、对承力框的毛坯、粗加工、半精加工和精加工四个阶段均进行电磁耦合处理，一方面借助脉冲电场和脉冲磁场耦合作用下产生的应力应变，其应力应变来源包括电磁力、热应力等，使材料缺陷发生移动与相互作用，进而让晶界与晶内的材料缺陷均匀化分布并减缓晶格畸变，另一方面脉冲电场和脉冲磁场为电子实现跃迁提供了足够的能量，电子变化会引起原子重排现象，导致原子排列呈现归一化趋势，从而减小晶格畸变，最终实现对这四个阶段中因为材料成型和加工引起的残余应力进行有效调控，能够同时降低残余拉应力和残余压应力，提高了承力框的成品率和使用寿命。
2、在四次电磁耦合处理过程中，通过按照一定速度移动承力框来让脉冲电场和脉冲磁场同时对承力框实现动态处理，使得处理区域中心温度低于150℃，远远小于铝合金熔化温度范围，使得调控残余应力过程不会引起铝合金内部组织的转变，不会影响材料本身的力学性能，并对其抗拉强度有一定的提升，同时避免了因为焦耳热产生的热应力使得承力框发生形变。
3、本方法中的双电极-双电圈脉冲电磁耦合设备产生脉冲电场和脉冲磁场均由电能驱动，电能作为清洁能源之一具有成本低、无污染等特点；电磁场作为一种随开随停的特殊外场，具有实时性好的特点，并且在应用过程中可以按照预期值调整电磁场强度，同时强度可调整范围大，使得处理更加高效。
附图说明
图1为承力框置于双电极-双线圈脉冲电磁耦合设备中处理时动态处理轨迹示意图1。
图2为承力框置于双电极-双线圈脉冲电磁耦合设备中处理时动态处理轨迹示意图2。
其中，1、双线圈；2、双电极；21、接触头；3、承力框；31、处理单元；4、动态处理轨迹；41、处理线；42、连接线；5、电磁处理区域。
具体实施方式
本发明实施例通过提供一种电磁耦合调控铝合金发动机承力框残余应力的方法，解决了现有技术中调控铝合金发动机承力框残余应力的方法耗时长、调控效果差的问题。
本申请实施例中为解决上述技术问题总体思路如下：
在加工铝合金发动机承力框的过程中，其毛坯件因为锻造以及在粗加工、半精加工和精加工过程中因为刀具的切削都会因为相变或不均匀塑性变形而引入残余应力，残余应力会引起承力框3发生翘曲或扭曲变形甚至开裂，极大地降低了承力框3的成品率和使用寿命。采用同时能够进行脉冲电场和脉冲磁场处理的双电极-双线圈脉冲电磁耦合设备，对承力框3的四个阶段分别采用特定的电磁参数进行处理，利用脉冲电磁场产生的能量为铝合金材料内部缺陷移动与增殖提供动力，借助于微观缺陷的移动与增殖减缓晶格畸变，从而达到调控铝合金发动机承力框3残余应力的目的。在电磁耦合处理过程中，移动承力框3，让电磁场对承力框3进行动态处理，在保证残余应力调控效果的前提下，使得被电磁耦合处理区域的中心温度远小于铝合金的熔化温度，以避免铝合金内部组织的转变。
为了更好地理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。
实施例1
提供一种电磁耦合调控铝合金发动机承力框残余应力的方法，其包括：
S1，根据承力框3的形状及电极接触头的接触面积设计电极相对于承力框3的动态处理轨迹，使动态处理轨迹完全覆盖整个承力框3。
如图1和图2所示了承力框3中的一部分为扇环性的结构，动态处理轨迹4具体的设计方法是将承力框3沿轴向或周向均分为若干处理单元31，每个处理单元31的宽度等于电极接触头21在对应方向上的宽度，动态处理轨迹4包括沿每个处理单元31等分线延伸的处理线41以及连接相邻处理单元31上处理线41的连接线42。
图1中所示的动态处理轨迹4为沿轴向将承力框3均分为若干处理单元31(分隔处理单元的实线是虚拟线，并不是把承力框3进行了分隔)，每个处理单元31为扇环状，处理线41为平行于扇环边缘的弧线，连接线42为平行于承力框3轴线的直线。
图2中所示的动态处理轨迹4为沿周向将承力框3均分为若干处理单元31(分隔处理单元31的实线是虚拟线，并不是把承力框3进行了分隔)，每个处理单元31为条状；处理线41为平行于承力框3轴线的直线，连接线42为平行于承力框3边缘的弧线。
S2，将承力框毛坯件置于双电极-双线圈脉冲电磁耦合设备中进行第一次电磁耦合处理，其中，脉冲磁场强度为B1、脉冲电流强度为A1且双电极的接触头21以V1的速度沿着动态处理轨迹在承力框毛坯件上移动，B1＝0.5T～3T，A1＝0.5A/mm2～30A/mm2，V1＝0.1mm/s～2mm/s。
在电磁耦合处理过程中，以图1中所示的结构为例，动态处理轨迹4的起点为承力框3的左上角，在开始处理前，将左上角置于双电极-双线圈脉冲电磁耦合设备中双线圈1之间的中心位置，将双电极2分别通过接触头21与承力框3内、外侧的壁面滑动接触连接，电极与导电体之间的滑动接触连接技术为现有技术，此处不赘述。电极连接好后，启动设备按照B1和A1形成的电磁处理参数进行电磁耦合处理，同时移动承力框3，按照动态处理轨迹4将承力框3的各个部分均移动到电磁处理区域5中进行处理，如在图1中，沿周向按照V1的速度移动承力框3，使电磁场沿着图1中承力框3上箭头所指方向移动。
在四次电磁耦合处理过程中，双电极-双线圈脉冲电磁耦合设备的双线圈1和双电极2均不移动，移动的是承力框3，进而呈现电磁场沿着动态处理轨迹4在承力框3上移动的现象。
S3，对承力框毛坯件进行粗加工形成承力框粗加工件。
S4，对承力框粗加工件进行第二次电磁耦合处理，其中，脉冲磁场强度为B2、脉冲电流强度为A2且双电极2的接触头21以V2的速度沿着动态处理轨迹在承力框粗加工件上从起始点移动至终点，且B2>B1，A2>A1，V2<V1，B2＝0.5T～3T，A2＝0.5A/mm2～30A/mm2，V2＝0.1mm/s～2mm/s。
S5，对承力框粗加工件进行半精加工形成承力框半精加工件。
S6，对承力框半精加工件进行第三次电磁耦合处理，其中，脉冲磁场强度为B3、脉冲电流强度为A3且双电极2的接触头21以V3的速度沿着动态处理轨迹在承力框半精加工件上从起始点移动至终点，且B3>B2，A3>A2，V3<V2，B3＝0.5T～3T，A3＝0.5A/mm2～30A/mm2，V3＝0.1mm/s～2mm/s。
S7，对承力框半精加工件进行精加工形成承力框精加工件。
S8，对承力框精加工件进行第四次电磁耦合处理，其中，脉冲磁场强度为B4、脉冲电流强度为A4且双电极接触头21以V4的速度沿着动态处理轨迹在承力框精加工件上从起始点移动至终点，且B4>B3，A4>A3，V4<V3，B4＝0.5T～3T，A4＝0.5A/mm2～30A/mm2，V4＝0.1mm/s～2mm/s，形成承力框成品件。
作为本实施例的优选实施方式，上述电磁耦合调控铝合金发动机承力框残余应力的方法还包括：
在第一次电磁耦合处理、第二次电磁耦合处理、第三次电磁耦合处理和第四次电磁耦合处理后，对应地，对承力框毛坯件、承力框粗加工件、承力框半精加工件、承力框精加工件和承力框成品件上的若干测试点进行残余应力检测，测试点位于动态处理轨迹上，且四次电磁耦合处理中测试点的位置相同。在实际调控过程中，可以通过残余应力检测来判断电磁耦合处理对残余应力的调控情况，以便于根据实际承力框的情况调节下一阶段中电磁耦合处理的参数，提高电磁耦合调控承力框残余应力的效果。
作为本实施例的优选实施方式，四次电磁耦合处理过程中，脉冲磁场和脉冲电流同时作用于承力框3上，且移动承力框3同时进行，以保证调控过程的准确性。
作为本实施例的优选实施方式，从第一次电磁耦合处理、第二次电磁耦合处理、第三次电磁耦合处理至第四次电磁耦合处理中，脉冲磁场强度逐渐递增且每次增加量ΔB＝0.1T～0.4T。
作为本实施例的优选实施方式，从第一次电磁耦合处理、第二次电磁耦合处理、第三次电磁耦合处理至第四次电磁耦合处理中，脉冲电流强度逐渐递增且每次增加量ΔA＝1.0A～2.5A。
作为本实施例的优选实施方式，从第一次电磁耦合处理、第二次电磁耦合处理、第三次电磁耦合处理至第四次电磁耦合处理中，移动承力框3使双电极接触头21相对于承力框3移动的速度逐渐递减且每次减小量ΔV＝0.1mm/s～0.6mm/s。
实施例2
以7050铝合金发动机承力框作为残余应力待调控件，调控流程如实施例1，四次电磁耦合处理参数如表1所示。
表1实施例2中四次电磁耦合处理参数
在本实施例中，电磁处理参数优化都是磁场强度和电流强度增强，运动速度减慢，且ΔB＝0.3T，ΔA＝1.5A/mm2，ΔV＝0.5mm/s，目的是从电磁参数边界研究弱电磁处理对残余应力调控的效果。
在每一次电磁耦合处理后都对铝合金发动机承力框进行残余应力评价，每次处理前在承力框3上取样8个位置进行标注，该电磁耦合处理前后对标注的8个位置进行残余应力检测，得到数据如表2。
表2实施案例2中电磁耦合处理前后残余应力评价
分析上述数据可以得到以下结论：
1、弱电磁耦合处理可以有效调控切削过程中引入的残余应力，调控范围为10％-40％；
2、无论是残余压应力还是残余拉应力，电磁耦合处理主要起到的作用是降低残余应力；
3、随着磁场强度(0.5～1.4T)和电流强度(0.5～5.0A/mm2)增强有利于调控残余应力，即残余应力调控效果增强。
实施例3
以7050铝合金发动机承力框作为残余应力待调控件，调控流程如实施例1，四次电磁耦合处理参数如表3所示。
表3实施例3中四次电磁耦合处理参数
磁场强度(T)
电流强度(A/mm<sup>2</sup>)
运动速度(mm/s)
第一次电磁耦合处理
B<sub>1</sub>＝2.4
A<sub>1</sub>＝24.0
V<sub>1</sub>＝0.4
第二次电磁耦合处理
B<sub>2</sub>＝2.6
A<sub>2</sub>＝26.0
V<sub>2</sub>＝0.3
第三次电磁耦合处理
B<sub>3</sub>＝2.8
A<sub>3</sub>＝28.0
V<sub>3</sub>＝0.2
第四次电磁耦合处理
B<sub>4</sub>＝3.0
A<sub>4</sub>＝30.0
V<sub>4</sub>＝0.1
在本实施例中，电磁处理参数优化都是磁场强度和电流强度增强，运动速度减慢，且ΔB＝0.2T，ΔA＝2.0A/mm2，ΔV＝0.1mm/s，目的是从电磁参数边界研究强电磁处理对残余应力调控的效果。
在每一次电磁耦合处理后都对铝合金发动机承力框进行残余应力评价，每次处理前在承力框3上取样8个位置进行标注，该电磁耦合处理前后对标注的8个位置进行残余应力检测，得到数据如表4。
表4实施案例3中电磁耦合处理前后残余应力评价
分析上述数据可以得到以下结论：
1、脉冲电场和脉冲磁场耦合处理可以有效调控切削过程中引入的残余应力，调控范围为20％-50％；
2、无论是残余压应力还是残余拉应力，电磁处理主要起到的作用是降低残余应力；
3、随着磁场强度(2.4～3.0T)和电流强度(24.0～30.0A/mm2)增强不利于调控残余应力，即残余应力调控效果降低，所以当脉冲电磁处理中脉冲磁场强度和电流强度进一步增强时，不再利于提高残余应力的调控效果。
实施例4
以7050铝合金发动机承力框作为残余应力待调控件，调控流程如实施例1，四次电磁耦合处理参数如表5所示。
表5实施例4中四次电磁耦合处理参数
磁场强度(T)
电流强度(A/mm<sup>2</sup>)
运动速度(mm/s)
第一次电磁耦合处理
B<sub>1</sub>＝1.2
A<sub>1</sub>＝24.0
V<sub>1</sub>＝0.5
第二次电磁耦合处理
B<sub>2</sub>＝1.5
A<sub>2</sub>＝26.0
V<sub>2</sub>＝0.8
第三次电磁耦合处理
B<sub>3</sub>＝1.8
A<sub>3</sub>＝28.0
V<sub>3</sub>＝1.1
第四次电磁耦合处理
B<sub>4</sub>＝2.1
A<sub>4</sub>＝30.0
V<sub>4</sub>＝1.4
在本实施例中，电磁处理参数优化都是磁场强度和电流强度增强，运动速度加快，且ΔB＝0.3T，ΔA＝2.0A/mm2，ΔV＝0.3mm/s，目的是探究残余应力调控的最佳电磁耦合处理参数。
在每一次电磁耦合处理后都对铝合金发动机承力框进行残余应力评价，每次处理前在承力框3上取样8个位置进行标注，该电磁耦合处理前后对标注的8个位置进行残余应力检测，得到数据如表6。
表6实施案例4中电磁耦合处理前后残余应力评价
分析上述数据可以得到以下结论：
1、脉冲电场和脉冲磁场耦合处理可以有效调控切削过程中引入的残余应力，调控范围为50％-99％；
2、无论是残余压应力还是残余拉应力，电磁处理主要起到的作用是降低残余应力；
3、调控残余应力的电磁耦合参数存在最佳调控范围，最佳调控参数受磁场强度、电场强度和运动速度的影响；
4、磁场强度为1.5T，电流强度为26A/mm2，运动速度为0.8m/s时残余应力调控效果最佳，可以降低约95％的残余应力。
综上所述，通过上述实施例可知，本发明采用的脉冲电场和脉冲磁场耦合作用以动态处理方式调控铝合金发动机承力框残余应力的方法是有效的，可以使残余压应力和残余拉应力降低10％-99％。并且脉冲磁场强度、脉冲电流强度和动态处理运动速度对调控效果有影响，存在一定的阈值使得调控效果最佳。
实施案例2～实施案例4处理过程中电磁处理中心区域平均温度如表7所示。7050铝合金熔化温度范围为488-630℃，在利用脉冲电场和脉冲磁场耦合动态处理承力框过程中处理区域中心温度低于150℃。因此调控残余应力过程不会引起铝合金内部组织转变的不利影响。
表7实施案例2～实施案例4电磁处理中心区域平均温度
对实施案例2～实施案例4处理前后承力框电导率变化情况进行统计，统计结果如表8。脉冲电场和脉冲磁场耦合处理可以实现对材料微观组织电子级别的调控。铝合金原子排布直接影响电导率，通过电导率的数据可知：脉冲电场和脉冲磁场耦合处理改变了铝合金内部原子排布。
表8实施案例2～实施案例4承力框平均电导率变化
本领域内的技术人员应明白，尽管已经描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性的概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围内的所有变更和修改。显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求机器等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
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