[发明专利]一种基于高压转子间螺栓热镦工艺参数优化方法

权利要求书

1.一种基于高压转子间螺栓热镦工艺参数优化方法，其特征在于，具体步骤如下：

步骤一：明确高压转子间螺栓热镦工艺质量衡量指标；

为了对高压转子间螺栓热镦工艺质量进行优化，首先要明确螺栓热镦工艺质量衡量指标；

高压转子间螺栓性能由头部上端面硬度和头下支撑面硬度共同决定，上端面硬度与头下支撑面硬度越大，螺栓性能越好；头部上端面采用的衡量指标为洛氏硬度HRC，下端面采用的衡量指标为维氏硬度HV，其中，洛氏硬度HRC是以压痕塑性变形深度来确定硬度值的指标，以0.002毫米作为一个硬度单位；维氏硬度HV是以120kg以内的载荷和顶角为136°的金刚石方形锥压入器压入材料表面，用载荷值除以材料压痕凹坑的表面积，即为维氏硬度值HV；

根据航空发动机上盘轴螺纹连接器上螺栓硬度的具体取值要求：上端面硬度HRC≥37，头下支撑面硬度HV≥440；热镦成型后进行车削工艺：上端面车削0.2mm，下端面车削0.2mm，要求车削后应无折叠现象；根据热墩成型后合格品的验收指标要求，同时将上端面硬度和头下支撑面硬度以及整体外观作为高压转子间螺栓热镦工艺质量水平的评价指标；

步骤二：确定上端面温度为热镦工艺加热温度的测度；

考虑到头部上端面硬度与头下支撑面硬度与其对应部位的温度高度相关，但由于加热设备为感应线圈，头下支撑面位置受感应线圈遮挡，其温度无法精确测量，故将上端面温度作为热镦工艺加热温度的测度，为探索热镦成型质量与加热温度间的量化关系提供数据支持；

步骤三：确定影响上端面温度的工艺参数；

首先，利用鱼骨图确定影响上端面温度的工艺参数，包括：螺栓自身、热镦机床、加热条件及其他因素；

螺栓自身为坯料直径、头部超出线圈高度、变形长度；热镦机床为镦锻力、模具镦锻比；加热条件为加热时间、保温时间、加热功率、线圈直径；其他因素为环境因素、人因、热镦原理误差；

根据工程经验以及现场工艺监测手段，确定可控的上端面温度影响因素为：加热功率、加热时间、保温时间以及上端面超出线圈高度，选取以上四个因素为工艺影响试验参数，分别记为{X₁，X₂，X₃，X₄}；

步骤四：开展螺栓热镦工艺正交试验设计；

基于步骤一与步骤三确定的螺栓热镦工艺质量指标与工艺影响参数开展正交试验设计；

首先，根据4个因素数，且每个因素取3个水平以保证获取有效的影响因素信息，选用试验次数最小的正交表L₉(3⁴)；

其次，确定工艺因素X_i的取值范围[X_iL，X_iU]，i＝1，2，...，4；

最后，基于工艺因素取值范围，设计正交试验方案；

步骤五：开展热镦试验，记录试验数据；

按照步骤四的正交试验设计方案，开展热镦试验并记录试验数据，记录每组工艺参数的上端面硬度与头下支撑面硬度、整体外观、上端面温度数据；

由于上端面硬度需满足HRC≥37，而头下支撑面硬度需满足HV≥440，两种硬度指标的测量方式不同，热镦成型后的每件螺栓只能测量头部硬度或头下支撑面硬度而不能同时测量，因此，考虑到上端面硬度与头下支撑面硬度需同时满足HRC≥37和HV≥440的要求，且，试验结果具有可重复性，每组工艺参数分别试验2次；

步骤六：螺栓热镦工艺质量衡量指标与上端面温度间关系量化；

为提升热镦工艺质量，探索螺栓热镦工艺质量指标合格的上端面温度范围，需量化螺栓热镦工艺质量指标与上端面温度之间的关系；

首先，对试验数据作如下处理：

(a)剔除不满足外观无缺陷的要求的数据；

(b)取上端面温度平均值代表上端面温度；

(c)取上端面硬度平均值代表上端面硬度；

(d)按照以下规则对整体外观进行评分：(i)车削后头部上端面与下端面有折叠，记为1分；(ii)车削后上端面有折叠，记为2分；(iii)车削后下端面有折叠，记为2分；(iv)车削后无缺陷，记为5分；

根据热镦试验数据，开展螺栓热镦工艺质量与上端面温度间关系量化分析，分别建立上端面硬度与上端面温度间关系、整体外观与上端面温度间关系、头下支撑面硬度与上端面温度间关系模型，基于关系模型，确定使螺栓质量指标合格的温度范围；

步骤七：上端面温度与工艺参数间关系量化；

为使上端面温度能有效落入合格范围，需建立上端面温度与工艺参数间关系模型，从而实现用工艺参数来控制上端面温度的目的；

设热镦工艺影响因素与上端面温度间的回归关系模型为

其中，β₀为常数项，β_i，β_ij是待估系数，考虑到待估参数多于试验数据，采用逐步回归进行求解上述二次回归模型；

步骤八：利用工艺参数进行上端面温度控制从而实现热镦工艺优化；

为了将上端面温度控制在合格范围，基于步骤七确定的上端面温度与工艺参数模型，给出温度目标值下的最优工艺参数；

步骤九：验证试验；

对步骤八中优化后的工艺参数下进行热镦质量指标合格验证；

考虑验证所建立的基于上端面温度控制工艺参数模型，上端面温度与上端面硬度以及上端面温度与头下支撑面硬度模型的统计显著性，分别开展如下假设检验：

针对上述假设检验，分别计算统计量T，

其中，表示同一组工艺参数下测量的试验指标平均值，u_i，0表示试验指标的预测值；S_i表示试验指标的标准差，n是试验测试次数；根据工艺需求，合理地取显著性水平α，通过查T检验临界值表，将T统计量的临界值T_(1-α)(n-1)与实际试验数据的T统计量值进行对比，分析得到的关系模型的统计显著性。