一种基于高压转子间螺栓热镦工艺参数优化方法与流程

1.本发明提供一种基于高压转子间螺栓热镦工艺参数优化方法，即一种基于上端面温度控制的高压转子间螺栓热墩工艺优化方法，它是一种控制高温合金材料、基于感应线圈加热、并在冲床压力下墩制成型并达到质量合格的方法，涉及一种基于上端面温度控制的高压转子间螺栓热镦工艺参数优化方法，适用于高温合金热墩工艺技术领域。


背景技术：

2.高压转子间螺栓是航空发动机盘轴螺纹连接件的主要零件之一，其常处于高温、高压、高强度的使用环境中。gh6159牌号高温合金材料具有强度高、耐高温、耐疲劳等优点，我国常使用其作为高压转子间螺栓的制造原料。但也同样因为其优异的性能，其制造难度也极高，尤其在其瓶颈工艺——热镦工艺常出现硬度与外观无法同时合格的情况，呈现加热温度高虽外观佳但硬度低与加热温度低虽硬度高但外观差的规律。现有国内高温合金热镦理论研究主要采用数值模拟或采用试验设计进行多目标优化工艺参数，但是对gh6159牌号合金热镦技术研究较为薄弱。为将硬度和外观与加热温度间规律进行量化，本发明考虑提出一种基于上端面温度控制的高压转子间螺栓热镦工艺参数优化方法，以正交试验设计为基础，利用试验数据，建立热镦工艺质量指标与上端面温度间的量化关系模型、上端面温度与工艺参数间的量化关系模型，将上端面温度作为控制工艺参数的中间目标，简化多目标优化问题，从而有效量化指导热镦工艺优化，稳定热镦工艺，降低其制造难度。


技术实现要素：

3.(一)本发明的目的：为了解决gh6159牌号高温合金热镦工艺技术问题，本发明提出一种基于高压转子间螺栓热镦工艺参数优化方法，即一种基于上端面温度控制的高压转子间螺栓热墩工艺优化方法，它是通过开展正交试验设计，对试验数据进行分析，建立热墩工艺参数与衡量指标之间的关系模型，基于关系模型进行工艺参数优化，从精准地实现高压转子间螺栓热镦工艺控制，改进热墩工艺质量，以解决现有热墩技术不稳定、热镦废品率高的问题，提高螺栓热墩的成型合格率；
4.(二)技术方案
5.本发明一种基于高压转子间螺栓热镦工艺参数优化方法，即一种基于上端面温度控制的高压转子间螺栓热墩工艺优化方法，其具体的实施步骤如下：
6.步骤一：明确高压转子间螺栓热镦工艺质量衡量指标；
7.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；
8.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)；
9.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，本发明同时将上端面硬度和头下支撑面硬度以及整体外观(上端面车削外观和头下支撑面车削外观)作为高压转子间螺栓热镦工艺质量水平的评价指标；
10.步骤二：确定上端面温度为热镦工艺加热温度的测度；
11.由于热镦成型质量主要受加热温度影响，温度的控制对热墩成型质量至关重要，因此，为有效量化该影响，需精确地测量热镦工艺过程中的加热温度；本发明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，如图2所示，头下支撑面位置受感应线圈遮挡，其温度无法精确测量，故本发明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；
12.步骤三：确定影响上端面温度的工艺参数；
13.首先，利用鱼骨图确定影响上端面温度的工艺参数，如图3所示螺栓热镦工艺影响因素包括：螺栓自身(坯料直径、头部超出线圈高度、变形长度)；热镦机床(镦锻力、模具镦锻比)；加热条件(加热时间、保温时间、加热功率、线圈直径)；其他因素(环境因素、人因、热镦原理误差以及其他因素)；
14.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，本发明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}；
15.步骤四：开展螺栓热镦工艺正交试验设计；
16.正交试验设计具有试验点均衡分散，使用较少次数的试验便能全面地反映试验域内的情况，因此，本发明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；
17.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)；
18.其次，确定工艺因素xi的取值范围[x
il
，x
iu
]，i＝1，2，...，4；
[0019]
最后，基于工艺因素取值范围，设计正交试验方案；
[0020]
步骤五：开展热镦试验，记录试验数据；
[0021]
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；
[0022]
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；
[0023]
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；
[0024]
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；
[0025]
首先，对试验数据作如下处理：
[0026]
(a)剔除不满足外观无缺陷的要求的数据；
[0027]
(b)取上端面温度平均值代表上端面温度；
[0028]
(c)取上端面硬度平均值代表上端面硬度；
[0029]
(d)根据热镦技术人员经验，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；
[0030]
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；
[0031]
步骤七：上端面温度与工艺参数间关系量化；
[0032]
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；
[0033]
假设热镦工艺影响因素与上端面温度间的回归关系模型为
[0034][0035]
其中，β0为常数项，βi，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；
[0036]
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；
[0037]
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；
[0038]
步骤九：验证试验；
[0039]
为验证所提方法的有效性，需开展试验验证，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；
[0040]
考虑验证本专利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：
[0041]
h0：
[0042]
h0：
[0043]
h0：
[0044]
针对上述假设检验，分别计算统计量t，
[0045][0046]
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；si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，分析本专利得到的关系模型的统计显著性；
[0047]
通过以上步骤，可使高压转子间螺栓热墩工艺同时满足上端面硬度、头下支撑面硬度以及整体外观满足指标要求，实现热镦工艺优化的目标；该方法科学有效，可操作性和实用性较强，解决了现有的高压转子间螺栓热墩工艺难以控制，工艺质量较低的难题。
[0048]
(三)优点和功效：
[0049]
本发明与要解决的技术问题、技术方案相对应，将本发明所提出的解决思路与产生的效果进行了具体的描述；本发明的具体优点如下：
[0050]
本发明确定了上端面温度与热镦工艺质量指标间关系，建立了上端面温度与热镦工艺参数间关系模型，基于关系模型，将上端面温度作为中间纽带，通过控制上端面到合格温度范围作为中间目标，提出了一种基于上端面温度控制的优化热镦工艺参数方法，简化了同时优化三个工艺质量目标(整体外观、头部上端面硬度、头下支撑面硬度)的多目标优化问题，实现了高压转子间螺栓热镦工艺参数优化。
附图说明
[0051]
图1是本发明所述方法流程图。
[0052]
图2是本发明热镦感应线圈加热示意图。
[0053]
图3是本发明热镦工艺影响因素鱼骨图示意图。
具体实施方式
[0054]
下面将结合附图和实施案例对本发明作进一步的详细说明；
[0055]
本发明提出一种基于上端面温度控制的高压转子间螺栓热镦工艺参数优化方法，其流程图如图1所示，它包括以下几个步骤：
[0056]
步骤一：明确高压转子间螺栓热镦工艺质量衡量指标；
[0057]
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；
[0058]
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)；
[0059]
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，本发明同时将上端面硬度和头下支撑面硬度以及整体外观(上端面车削外观和头下支撑面车削外观)作为高压转子间螺栓热镦工艺质量水平的评价指标；
[0060]
步骤二：确定上端面温度为热镦工艺加热温度的测度；
[0061]
由于热镦成型质量主要受加热温度影响，因此，温度的控制对热墩成型质量至关
重要，为有效量化该影响，需精确地测量热镦工艺过程中的加热温度；在实际温度测量的过程中，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，但由于螺栓热墩的加热设备为感应线圈，如图2所示，头下支撑面处受感应线圈遮挡，其温度无法精确测量，故本发明考虑采用测温枪测量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；
[0062]
步骤三：确定影响上端面温度的工艺参数；
[0063]
螺栓热墩过程的工艺影响参数众多，且工艺参数之间可能相互关联，关系错综复杂；为了有效识别热墩工艺过程可控的工艺参数，进而对工艺参数进行改进，以达到提升工艺质量的目的；
[0064]
首先，利用鱼骨图梳理并确定影响上端面温度的工艺参数，如图3所示螺栓热镦工艺影响因素包括：螺栓自身(坯料直径、头部超出线圈高度、变形长度)；热镦机床(镦锻力、模具镦锻比)；加热条件(加热时间、保温时间、加热功率、线圈直径)；其他因素(环境因素、人因、热镦原理误差以及其他因素)。
[0065]
其次，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，本发明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}；
[0066]
步骤四：开展螺栓热镦工艺正交试验设计；
[0067]
正交试验设计具有试验点均衡分散，使用较少次数的试验便能全面地反映试验域内的情况，在工艺优化中得到广泛使用，因此，本发明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；
[0068]
首先，根据4个因素数，且每个因素至少取3个水平以保证获取有效的影响因素信息，本专利发明选用试验次数最小的正交表l9(34)；
[0069]
其次，确定工艺因素xi的取值范围[x
il
，x
iu
]，i＝1，2，...，4；考虑到热墩工艺前期主要根据经验较为丰富、技术娴熟的技术人员试墩几件产品合格后，再进行批量墩制，结合实际操作与经验，在确定4个工艺因素取值范围时，以试镦成功的一组工艺参数：加热标值360w、加热时间18s、保温时间18s和头部超出线圈高度2.3mm作为基准热镦参数。在此基础上，以基准参数为中间值，确定因素水平间隔步长与取值范围，其中加热标值步长为10、取值范围[350w，370w]，加热时间步长2、取值范围[16s，20s]，保温时间步长2、取值范围[16s，20s]，头部超出线圈高度步长为0.5、取值范围[1.8mm，2.8mm]；按照给定的取值范围，做出正交试验方案，正交试验方案见表1。
[0070]
表1试验方案
[0071]
[0072][0073]
步骤五：开展热镦试验，记录试验数据；
[0074]
按照表1，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；
[0075]
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，且热镦成型后的螺栓硬度测量采用的是破坏性测试，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，表1中每组工艺参数分别试验2次；此外，除了表1给出的9组试验设计参数值，考虑到基准热镦参数下的螺栓性能和整体外观都满足要求，为了获取更多的信息，将其记录在表中用于后续分析，数据见表2；表2同时记录了在每组工艺参数下热墩两件产品的上端面温度测量值，由于测温枪测量误差以及加热过程波动导致同一试验参数下的温度有所差别，为了消除这种差别，本专利发明取两次热墩温度的平均值；
[0076]
表2头部上端面温度
[0077][0078]
注：头部上端面温度中的1和2分别表示在每组试验参数下第一次热镦和第二次热镦记录的加热温度，平均温度是第一次热镦和第二次热镦测量温度的平均值。
[0079]
然后，从每组工艺参数下热镦成型后的螺栓任取其中的一个，测量并记录上端面硬度以及车削后整体外观数据，数据记录见表3；由于热墩工艺过程受热后温度不均匀导致螺栓成型后硬度不均匀，为此，在测量螺栓上端面洛氏硬度时分别测量了3个位置处的硬度值，且为了消除螺栓内部硬度差异，本专利发明取3个点位上洛氏硬度的平均值；
[0080]
表3整体外观及头部上端面硬度
[0081]
[0082][0083]
注：头部上端面硬度hrc中，1、2、3分别表示选取螺栓上端面3个位置测量的洛氏硬度值。
[0084]
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；
[0085]
在步骤二中指出螺栓的成型过程，上端面硬度与头下支撑面硬度以及整体外观与上端面温度高度相关；考虑到若能将螺栓热墩过程的上端面温度控制至合格的温度范围，以此达到控制上端面硬度与头下支撑面硬度指标在合格的范围；因此，为了提升热镦工艺质量，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间关系；
[0086]
首先，对试验数据作如下处理：
[0087]
(a)2号和4号试验在上端面车削0.6mm后仍有折叠，不满足外观无缺陷的要求，对其剔除。
[0088]
(b)取上端面温度平均值代表上端面温度；
[0089]
(c)取上端面硬度平均值代表上端面硬度；
[0090]
(d)根据热镦技术人员经验，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；
[0091]
其次，基于表2与表3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，分别进行了上端面硬度与上端面温度、整体外观与上端面温度关系量化的探索，分析过程如下：
[0092]
(1)上端面硬度与上端面温度间关系
[0093]
表3试验数据表明，上端面硬度与上端面温度间呈明显的线性关系，线性关系式为
[0094]
y＝-0.0678x+94.941，
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(8)
[0095]
其中，相关系数r2＝0.8779，随着上端面温度的增加，上端面硬度降低；当要求上端面温度≤854.6时，上端面硬度满足≥37的指标；
[0096]
(2)整体外观与上端面温度间关系
[0097]
根据表3数据分析发现，上端面硬度与上端面温度间之间虽无明显的线性关系，但总体上呈现：上端面温度越高，整体外观越能满足无缺陷的要求的趋势；特别地，当上端面温度超出795.2℃时，整体外观满足无缺陷指标；
[0098]
因此，可以确定整体外观合格且上端面硬度≥37时的上端面温度范围为[795.2℃,854.6℃]。又因上端面温度为795.2℃时，整体外观不合格，故将上端面温度的下限值定为795.2℃与821.7℃的均值，即取上端面温度范围为[808.5℃,854.6℃]；
[0099]
此外，螺栓要满足头下支撑面硬度≥440的要求，结合头下支撑面硬度测量的数据分析指标合格范围对上端面温度取值范围进行修正。考虑到同一组热镦工艺参数下，螺栓质量相差较小，为了减少工作量、缩短测量头部下端面硬度的试验时间，本专利从表2中挑选了6、7、8、10号上端面硬度与整体外观皆合格的第二件螺栓，测量头下支撑面硬度见表4；同样地，由于螺栓加热过程受热不均匀，导致螺栓头下支撑面硬度不均匀，为了消除同一螺栓头下支撑面硬度差异，采取测量头下支撑面两个位置处的硬度取均值；
[0100]
表4头下支撑面硬度hv
[0101][0102]
注：头下支撑面硬度hv中，1、2分别表示选取螺栓头下支撑面两个位置的硬度值；
[0103]
(3)头下支撑面硬度与上端面温度间关系
[0104]
表4数据分析显示，头下支撑面硬度与上端面温度之间呈明显的二次函数关系，关系式为
[0105]
y＝-0.0731x2+119.88x-48655，
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(9)
[0106]
其中，相关系数r2＝0.987；当上端面温度小于820℃时，头下支撑面硬度随着上端面温度的升高而增大。上端面温度大于820℃时，头下支撑面硬度随着上端面温度的升高而降低；在满足头下支撑面硬度要求≥440时，根据头下支撑面硬度与上端面温度之间的关系式，可以确定上端面温度范围为[737.75℃，902.19℃]；
[0107]
综上(1)-(3)分析得出，整体外观满足要求时上端面温度≥808.5℃，头部上端面硬度满足要求时上端面温度≤854.6℃，头下支撑面硬度满足要求时737.75℃≤上端面温度≤902.19℃，最终确定，三个指标均满足要求的上端面温度范围为[808.5℃，902.19℃]；
[0108]
步骤七：上端面温度与工艺参数间关系量化；
[0109]
步骤六给出了螺栓质量指标合格的上端面温度范围，通过控制工艺加热参数，使得加热后温度能有效控制在步骤六确定的温度范围，以保障螺栓热墩工艺质量；为使上端面温度能有效落入合格的范围[808.5℃，902.19℃]，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；本专利选取了螺栓热墩工艺过程可控的4个影响参数，建立热墩工艺影响因素与上端面温度的关系模型时选用了二次回归模型，模型建立及求解过程如下：
[0110]
首先，假设热镦工艺影响因素与上端面温度间的回归关系模型为
[0111][0112]
其中，β0为常数项，βi，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
归得到如下回归模型
[0113][0114]
其中，r2＝1，adjust_r2＝1，说明自变量的变异在因变量中所占比率较大，f值为6.654e+05，p值为0.0009384，具有显著的统计意义；
[0115]
基于上述回归模型(11)得到上端面的预测温度值以及上端面实际平均温度与预测值之间的相对误差(见表5)，从表中可以发现所得到的回归模型能较好地拟合上端面温度与工艺参数间关系，预测值的上端面温度与实测平均温度间的相对误差较小，该模型拟合效果较佳；
[0116]
表5上端面温度实测平均值与预测值比较
[0117][0118]
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；
[0119]
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；
[0120]
考虑到在温度测量过程中，温度控制以及温度检测可能存在误差，在利用模型(11)进行参数寻优时，首先取上端面温度范围的中间值作为工艺优化求解的目标值；将上端面控制范围[808.5℃,902.19℃]的中间值作为目标值开展基于上端面温度控制的热镦工艺参数优化，即上端面温度控制在845℃左右，允许上下45℃的温度波动；
[0121]
同时，考虑到优化求解时设定一个上端面温度目标值只给出一组优化后的工艺参数，为了获得更多优化后的工艺参数取值，基于(11)的回归模型，以上端面温度845℃(上下0.5℃范围内的波动)为目标，对工艺参数进行寻优，得到最优的热镦工艺参数组合见表6；
例如，表6给出在工艺参数组合1下，即加热标值为360w，加热时间为18s，保温时间为18s，头部超出线圈高度为1.8mm，模型(9)得到的上端面硬度hrc预测值为37.61862＞37；
[0122]
表6工艺最优参数取值
[0123][0124]
步骤九：验证试验；
[0125]
为验证所提方法的有效性，需开展试验验证，确定优化后的工艺参数下进行热镦的指标合格情况；
[0126]
基于表6，对优化的工艺参数进行可重复性试验验证，即，在表6给定的3组优化的工艺参数下，验证实际热墩中上端面温度、上端面硬度、头下支撑面硬度以及整体外观是否满足要求，考虑到每件螺栓只能测量上端面硬度或头下支撑面硬度，表6中3组工艺参数下每组参数热墩两件产品，验证结果见表7-9；
[0127]
表7热镦工艺优化参数的上端面温度验证
[0128]
[0129][0130]
表8热镦工艺优化参数的上端面硬度验证
[0131][0132][0133]
表9热镦工艺优化参数的头下支撑面硬度验证
[0134][0135]
表7-9显示，3组工艺参数组合的上端面硬度指标均满足≥37，头下支撑面硬度≥440要求，且整体外观无缺陷。此外，表7显示上端面温度实测平均值与预测值之间差异较小，表8显示上端面硬度实测平均值与预测之间差异较小，表9显示头下支撑面硬度实测平均值与预测值之间差异也较小。为了验证本专利所建立的基于上端面温度控制工艺参数模型(11)，上端面温度与上端面硬度模型(8)以及上端面温度与头下支撑面硬度模型(9)的统计显著性，分别开展如下假设检验：
[0136]
h0：
[0137]
h0：
[0138]
h0：
[0139]
其中，h0表示原假设，h1表示备择假设；
[0140]
针对上述假设检验，对试验数据进行t检验，分别计算统计量t，
[0141][0142]
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。si表示试验指标的标准差，n是试验测试次数。当显著性水平取α＝0.1时，经查t检验临界值表可得，t统计量的临界值为t
(1-α)
(n-1)＝t
0.9
(4)＝1.5332；
[0143]
表7-9显示试验数据的上端面温度、上端面硬度以及头下支撑面硬度t统计量值皆小于1.5332，接受(12)-(14)的原假设。由此，本专利证明了所提方法对工艺优化参数的有效性，对高压转子间螺栓热镦工艺优化具有显著指导意义。

技术特征：
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：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：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。

技术总结
本发明提供一种基于高压转子间螺栓热镦工艺参数优化方法，步骤如下：一、明确高压转子间螺栓热镦工艺质量衡量指标；二、确定上端面温度为热镦工艺加热温度的测度；三、确定影响上端面温度的工艺参数；四、开展螺栓热镦工艺正交试验设计；五、开展热镦试验，记录试验数据；六、螺栓热镦工艺质量衡量指标与上端面温度间关系量化；七、上端面温度与工艺参数间关系量化；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；九、验证试验；通过以上步骤，可实现热镦工艺优化的目标；该方法科学有效，可操作性和实用性较强，解决了现有的高压转子间螺栓热墩工艺难以控制，工艺质量较低的难题。的难题。的难题。


技术研发人员：杨军 李琦 黎磊 许彦伟 刘燕 樊金桃 余邵伟 易国杰 赵文龙
受保护的技术使用者：航天精工股份有限公司
技术研发日：2021.11.08
技术公布日：2022/3/7