通过旋转消除应力的方法与流程

1.本发明的技术领域是通过锻造制造部件的领域。
2.本发明的技术领域更具体地涉及一种用于消除在通过锻造方法获得的部件中所产生的残余应力的方法。
3.本发明在涡轮机领域具有特别重要的应用，特别是用于通过锻造涡轮机的旋转部件的制造。
4.发明背景
5.在通过锻造制造部件的过程中，已知要实施至少一个热处理步骤(淬火和回火)，以改进其机械性能。在该热处理步骤中，在部件中产生明显的残余应力。
6.在加工阶段中，特别是在旋转部件的加工过程中，主要来源于锻造后的热处理的这些残余应力可能导致这些部件有问题的变形。这种变形现象对于镍基合金部件众所周知并且相对很麻烦。
7.特别是在通过锻造旋转部件的制造过程中，例如在通过锻造涡轮盘或压缩机盘的制造过程中，这种变形问题在涡轮机领域也是已知的。
8.为了克服该缺点，在通过锻造的制造部件的范围中，已经实施了一项操作，所述操作在热处理和加工阶段之间进行干预，包括消除在部件中产生的残余应力，并且因此使必要的加工操作数量最小化。
9.例如，通过旋转(也称为“预旋转”)的应力消除方法实现这种操作。
10.该方法包括以高速旋转一部件，理想地一旋转部件，以便使其塑性地变形，并且因此重新分布和释放在上游精细加工和转换操作过程中产生的内应力。
11.这种通过旋转的应力消除方法可分解成三个主阶段：标记为p1的加速阶段、标记为p2的保持恒定速度的阶段，以及标记为p3的减速阶段。
12.图1的图表示出了在这种通过旋转的应力消除方法的实施过程中，转速随时间的变化，并突出了先前提到的三个阶段。
13.在生产过程中，在实施该用于消除应力的操作过程中，需要寻求一定的重复性。因此，需要寻求通过在不同阶段，特别是加速阶段p1和保持恒定速度的阶段p2上发挥作用来控制部件的塑性变形，即残余膨胀。
14.第一种方法包括，将要达到的最大目标转速(v
max目标
)，达到某一转速，以及因此在部件上施加某一离心力，限定为用于停止加速阶段p1的参数，所述离心力致使在所讨论的部件上达到消除应力的某一状态。
15.然而，由于制的不同部件并不具有完全相同的重量、组分和几何形状，使用单一目标速度作为停止参数不是令人满意的方法，因为用这种方法获得的残余膨胀在不同的被消除部件之间以非常明显的方式变化。
16.因此，考虑到发挥作用的大量参数(几何形状、组分、材料性能、保持部件的工具、部件的内残余应力、重量等)，它们彼此之间的相互作用，在通过旋转消除应力的该操作过程中，很难获得相同系列的重复性。因此，有必要逐个部件地调整该方法，因此增加了制造
时间和生产成本。


技术实现要素：

17.在这种情况下，本发明提出了一种通过旋转消除应力的新方法，其可以达到目标残余膨胀，以及因此达到对内应力的某些修改，自动地并实时地适配被锻造部件，而无需操作者的特定干预。
18.为此，本发明涉及一种通过旋转部件来消除所述部件中的残余应力的方法，所述应力消除方法包括增加转速的步骤和降低转速的步骤，所述应力消除方法的特征在于，所述增加转速的步骤包括：
[0019]-第一子步骤，其包括在第一给定时刻ta测量表示所述部件的转速的第一值v
a2
，以及表示所述部件在所述第一时刻ta的径向膨胀的第一值gra；
[0020]-第二子步骤，其包括在第一时刻ta之后的第二给定时刻tb测量表示所述部件的转速的第二值v
b2
，以及表示所述部件在所述第二时刻tb的径向膨胀的第二值grb；
[0021]-第三子步骤，其包括根据在所述第一时刻ta表示所述部件转速的所述第一值v
a2
和表示所述部件的径向膨胀的第一值gra，以及根据在所述第二时刻tb表示所述部件转速的所述第二值v
b2
和表示所述部件的径向膨胀的第二值grb，确定第一仿射函数d的首项系数slope；
[0022]-第四子步骤，其包括以第二仿射函数d'的形式，确定所述部件的目标径向膨胀值gr目标作为表示转速的值的函数，其原点为期望最终残余膨胀δ的值，并且其首项系数为在第三子步骤中确定的所述第一仿射函数d的首项系数斜率；
[0023]-从所述旋转部件的实际膨胀对应于在先前子步骤中确定的所述目标相对径向膨胀值gr目标的时刻，停止增加所述部件转速的第五子步骤。
[0024]
除了前一段落提到的特征之外，根据本发明的应力消除方法可具有单独地或根据所有技术上可能的组合考虑的以下之中的一个或多个互补特征：
[0025]-在被选择的时刻(ta、tb)实施所述第一子步骤和所述第二子步骤，使得通过离心效应在部件上产生的应力小于构成所述部件的材料的弹性极限；
[0026]-所述方法包括将所述部件的转速保持恒定速度的步骤，所述步骤在增加转速的步骤结束时介入；
[0027]-所述保持恒定速度的步骤的转速对应于在增加转速的步骤中达到的最大转速；
[0028]-将所述部件的转速保持恒定速度的所述步骤持续1到5分钟；
[0029]-所述第二仿射函数的原点是期望最终残余膨胀的值δ，从其减去在该保持恒定速度的步骤中产生的所述部件的相对膨胀的值；
[0030]-所述部件是涡轮盘或涡轮机压缩机盘。
[0031]
本发明的主题也是通过锻造制造旋转部件的范围，其包括一种根据本发明的用于消除在所述旋转部件中产生的残余应力的方法。
[0032]
本发明的主题也是一种用于实施根据本发明的应力消除方法的装置，其特征在于，其包括：
[0033]-用于旋转所述部件的设备；
[0034]-用于测量所述部件的径向膨胀的至少一个测量传感器；
[0035]-与存储设备通信并接收以下作为输入数据的计算机：关于所述部件的转速的信息，以及关于所述部件的转速的所述信息相关联的关于所述部件的径向膨胀的信息。
[0036]
有利地，所述至少一个非接触式测量传感器例如为激光器、电容传感器或涡流感应传感器。
[0037]
通过阅读以下的描述并通过检查其附图，可以更好地理解本发明及其不同应用。
[0038]
附图简要说明
[0039]
附图仅供参考，并且绝不限制本发明。
[0040]
图1的图表表示在根据现有技术的通过旋转的应力消除方法的实施过程中，速度随时间的变化。
[0041]
图2示出的概要图图示了根据本发明的应力消除方法的主要步骤。
[0042]
图3的概要图详细说明了根据本发明的应力消除方法的第二步骤的不同子步骤。
[0043]
图4的图表示出了在根据本发明的应力消除方法的实施过程中，旋转部件的径向膨胀作为转速的函数。
[0044]
图5的简化图表示用于实施根据本发明的应力消除方法的工具。
[0045]
除非另有说明，不同附图中出现的同一原件仅具有单一附图标记。
具体实施方式
[0046]
已经将图1描述为技术背景。
[0047]
图2示出的概要图图示了根据本发明的消除锻造部件10中产生的应力的方法100的主要步骤。
[0048]
例如，锻造部件10是涡轮机涡轮盘或涡轮机压缩机盘。
[0049]
这种消除应力的方法100集成结合在一通过锻造制造部件的更通常范围中，其可明显地集合以下步骤：层压、模锻、热处理(淬火和回火)、无损检测、加工。
[0050]
作为提醒，由于通过一部件的旋转而应用该部件上的离心力，通过旋转(预旋转)消除应力的方法奏效。当通过离心力施加在该部件上的应力小于材料的弹性极限时，施加在部件上的离心力可使其弹性变形，或当通过离心力施加在该部件上的应力大于构成该部件的材料的弹性极限时，施加在部件上的离心力可使其塑性变形。
[0051]
需要注意的是，根据以下公式，离心力f
离心
是部件的重量m、在系统的旋转中心和重心之间的距离r，以及角速度ω的函数：
[0052]
[公式1]
[0053]f离心
＝m*r*ω2[0054]
在该消除应力的方法100的第一步骤110中，来自锻造操作和热处理的部件10被定位在能够使所述部件10旋转的装置20中。
[0055]
图5表示通过旋转来消除应力的这种装置20的简化图。
[0056]
装置20包括用于旋转部件10的设备25、可以在旋转过程中实时地测量和监测部件10的径向膨胀的至少一个非接触式测量传感器21。有利地，工具20包括在两到四个之间的径向分布在部件10周围的测量传感器21。
[0057]
非接触式测量传感器21例如是电容传感器或涡流感应传感器，或激光器。
[0058]
测量传感器21连接至计算机22，所述计算机22接收来自测量传感器21的测量值以
及装置25的转速参数。此外，计算机22与人机接口(hmi)23和显示单元24通信。
[0059]
在根据本发明的方法的第二步骤120中，旋转该部件10，并且逐渐地增加部件10的转速，这是先前描述的图1中可见的加速阶段p1。
[0060]
在第一加速阶段p1中，逐渐地增加转速，直到达到某一速度。在该阶段p1中，随着转速增加以及随着通过离心效应施加在部件上的应力增加，部件10首先弹性变形，然后塑性变形。
[0061]
图4以图表形式示出了在该应力消除方法的不同阶段中，部件10的变形，更具体说是其径向膨胀作为转速平方的函数。
[0062]
图3的概要图详细说明了根据本发明的应力消除方法的第二步骤120的不同子步骤，其能够控制增加转速的该步骤。
[0063]
在第一子步骤121中，在给定时刻ta，记录了部件10的膨胀gra和相应的转速平方v
a2
。图4中的点a表示由计算机22记录的该第一值对(gra、v
a2
)。
[0064]
选择了记录相对膨胀和转速的参数的时刻ta，使得通过离心力在部件10上产生的应力小于构成部件10的材料的弹性极限。
[0065]
在第二子步骤122过程中，在给定时刻tb(在时刻ta之后)，测量了部件10的膨胀grb和相应的转速平方v
b2
。图4中的点b表示由计算机22记录的该第二值对(grb、v
b2
)。
[0066]
选择了记录相对膨胀和转速的参数的时刻tb，使得通过离心力在部件10上产生的应力小于构成部件10的材料的弹性极限。
[0067]
因此，当转速仅产生所述部件10的弹性变形时，实施第一子步骤121和第二子步骤122。
[0068]
在第三子步骤123过程中，计算机22确定了穿过点a和b的仿射函数d的斜率或首项系数，分别将在两个先前子步骤121和122中测量的第一对(gra、v
a2
)和第二对(grb、v
b2
)具体化。在图4的图表上表示的该仿射函数d突出了在部件的径向变形(膨胀)和转速之间的比例关系，只要部件10弹性地变形。
[0069]
表示该弹性变形阶段的仿射函数d的斜率或首项系数可通过以下计算确定：
[0070]
[公式2]
[0071][0072]
根据将表示部件10的特定弹性变形的斜率计算作为转速平方的函数，以及根据期望最终残余膨胀δ，计算机22在第四子步骤124中确定一组成对的目标值(gr
x
，v
x2
)，使得可以在消除循环结束时可以获得期望最终残余膨胀δ。
[0073]
该组成对值(gr
x
，v
x2
)由第二仿射函数d'表示，所述第二仿射函数d'的原点为期望的最终残余膨胀值δ，并且所述第二仿射函数d'的斜率为在第三子步骤123中确定的仿射函数d的斜率。
[0074]
该期望最终残余膨胀δ为用户经由人机接口23输入的和/或存储在与计算机22相关的存储器中的值。
[0075]
通过以下等式，计算机22确定部件110的目标膨胀gr目标作为这些特定特性的函数以及作为转速的函数：
[0076]
[公式3]
[0077]
gr目标＝slope*speed2 δ
[0078]
在第五子步骤125过程中，当部件10的实际径向膨胀相当于由计算机22计算的目标膨胀gr目标目标时，这会停止加速阶段p1。
[0079]
可选择地，在第三步骤130过程中，在称为保持时间的预确定时期中，将部件10保持在恒定速度旋转，保持在对应于目标膨胀gr目标目标的前一步骤中达到的最大速度旋转。该步骤130为先前描述的并在图1中表示的第二阶段p2。
[0080]
在保持恒定速度的该时间过程中，部件10继续轻微地塑性变形。保持恒定速度的第三步骤130能够使结构均质化，并且能够使粘塑性变形稳定。
[0081]
例如，在1到5分钟之间，并且有利地在约2分钟的时期中，实施该保持步骤130。
[0082]
当在该应力消除方法100中提供了保持恒定速度的该步骤130时，有必要在先前的步骤中考虑部件在保持时间中的膨胀或塑性变形，其将被称为保持时间膨胀，gr保持时间。
[0083]
因此，在先前给出的公式中，在计算目标膨胀gr目标时，有必要考虑保持时间膨胀gr保持时间。
[0084]
在保持时间中的该膨胀可以根据经验限定，并且对于相同系列的不同部件都是通用的。这与在加速阶段中部件10所承受的膨胀相比非常小，通过估计维持时间的膨胀而获得的变化对最终结果影响非常小，其中不同部件之间的变化小于或等于1％。
[0085]
在这种情况下，目标膨胀的计算如下：
[0086]
[公式4]
[0087]
gr target＝slope*speed2 δ-gr maintaining time
[0088]
在第四步骤140中，计算机22控制旋转设备25的减速：输入减速阶段p3，其包括逐渐地降低转速以达到完全停止和应力消除循环的结束。
[0089]
在减速过程中，遵循先前提到的直线d'，部件10的径向膨胀随速度逐渐地减小，然后出现部件弹性返回的现象。
[0090]
在完全停止时，在所讨论的部件上获得的残余膨胀然后对应于所期望的最终膨胀δ。
[0091]
因此，根据本发明的通过旋转的应力消除方法可以自动地且无需优先发展就获得与消除应力的期望状态对应的期望残余膨胀。
[0092]
根据本发明的通过旋转消除应力的方法可以自动且具体地适配部件的几何、结构、组成和安装特性，而无需操作者干预并且也无需事先进行试验活动。
[0093]
在应力消除循环的过程中，通过考虑每个部件的特定结构行为及其机械特性(特别是弹性变形模式)，可以明显地实现这种适配性。
[0094]
因此，根据本发明的通过旋转的应力消除方法可以具有一可重复过程以及具有相同最终应力消除状态的诸多部件。
[0095]
已经特定地描述本发明用于消除涡轮机涡轮盘中的应力，然而，本发明也适用于需要消除由锻造后热处理引起的应力的操作的涡轮机的所有旋转部件。