CN101225466B - 一种振动时效的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种振动时效的方法，它包括计算机、磁致伸缩激振器、加速度及动应变传感器，激振器加载在工件表面施以周期性激振力，两种传感器分别设置在工件易产生裂纹和变形的部位，计算机分析传感器收集的不同频率和动应变间的对应关系并排序，选择最大的前几个动应变值所对应的频率作为振型，再调整激振器的工作电流及时间，使激振器以上述的频率振动直至完成时效。本发明使用磁致伸缩激振器作为振源，激振力大小受计算机的控制，能即时响应振动变化来满足动应力的要求，计算机控制振源在共振频率下振动，并适时调节激振器输出电流，分析和判断振动时效的振型和振动时间，实时检测动应力变化，给出准确的残余应力变化量作为效果的判据。

Description

一种振动时效的方法

技术领域

本发明涉及一种振动时效的新方法。振动时效，国外称之为“Vibrating Stress Relief”简称“VSR”，旨在通过专业的振动时效设备，使被处理的工件产生共振，并通过这种共振方式将一定的振动能量传递到工件的所有部位，使工件内部发生微观的塑性变形--被歪曲的晶格逐渐回复平衡状态。位错重新滑移并钉扎，从而使工件内部的残余应力得以消除和均化，最终防止工件在加工和使用过程中变形和开裂，保证工件尺寸精度的稳定性。

背景技术

振动时效原理是：通过对工件上施加周期性激振力，在工件的共振频率进行振动，使工件的内部组织获得动应力。当σ_动+σ_残≥σ_s时(σ_动-激振器施加给工件的周期性动应力，σ_残-残余应力，σ_s-材料屈服强度极限)，工件会产生少量的塑性变形，原来不稳定的残余应力得到松弛和匀化，使残余应力峰值下降，从而使工件的几何尺寸趋于稳定。

传统的振动时效是通过电机的旋转带动固定在工件上的激振器的偏心块产生周期性激振力，共振频率的寻找和时效效果的判断都是根据加速度参数进行的，加速度的大小虽然能间接的反映动应力的变化，但不能定量反映动应力的大小，所以为了防止动应力过大对工件材料的影响，行业标准规定用亚共振(共振频率左右)时效方法。这种振动时效方法经过几十年的发展，它的缺点已暴露出来，时效效果不确定，判断方法不能被用户信服。在实际使用中人们希望能在处理过程和处理后对时效的效果进行定量的分析，现有的测量方法有盲孔法，磁测法，X衍射法，但费用上和耗时方面都不适合生产现场的需要，故在推广这种高效节能的工艺时这些测量方法在生产现场使用起来较难，而且测量结果的重复性很差，不宜作为现场检测手段使用。人们尚期望有一种快速，便捷，经济且易于规范化的定量判据。此外，现有振动时效设备都是使用电机带动偏心块产生振动，在共振频率下激振力的调节要通过调节偏心量来实现，调节偏心量必须由操作人员用扳手在停机状态下进行，这种激振器工作效率低下，无法实现实时调节。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种以磁致伸缩激振器作为振源，并直接采用动应力作为时效参数和振动效果判据的新型振动时效方法。

本发明所述的振动时效的方法，硬件方面包括计算机、磁致伸缩激振器、多组加速度传感器和多组动应变传感器，其中磁致伸缩激振器加载在被时效工件表面施以周期性激振力，多组加速度传感器和多组动应变传感器分别设置在被时效工件的容易产生裂纹和变形的部位上用于收集加速度和动应变信号，两种信号通过各传感器的测量电路送至数据采集电路，由数据采集电路采集数据后输入控制计算机，计算机分析不同频率和动应变间的对应关系并排序，选择最大的前几个动应变值所对应的频率作为振型，再通过控制电路输出控制信号调整磁致伸缩激振器的驱动电路的电流及工作时间，使磁致伸缩激振器以上述的频率振动直至完成时效。

上述计算机进行分析并判断振动频率的步骤为：

11)控制磁致伸缩激振器以0.5A-1A电流，频率从低到高的对工件进行振前扫描；

12)记录并计算加速度-频率的对应关系即a-f图，以及动应变-频率的对应关系即δ_d-f图；

13)根据a_n-a_n-1＞20，a_n-1-a_n＜20确定共振频率f₁…f_n；

14)根据比较，选取最大的前前三到五个动应变值所对应的频率确定时效振型f₁，f₂，f₃，f₄，f₅。

确定磁致伸缩激振器的驱动电流和时效时间的步骤为：

21)根据上述确定的振型频率f₁，f₂，f₃，f₄，f₅，首先在f₁频率下进行振动时效；

22)根据1/3δ_工＜δ_d＜2/3δ_工和材料，计算机计算出能达到时效效果的合适动应变ε_d0；

23)根据上述确定的动应变ε_d0调节电流，使ε_d≥ε_d0并保持恒流I₁进行时效；

24)在线测量加速度和ε_d的变化，并判断|a_n-a_n-1|＞5或|ε_n-ε_n-1|＞2后3分钟自动跳转到f₂，重复执行以上步骤，直至f₅完成。

最后，计算机通过通过对比振动前后加速度和动应力的变化，采用以下步骤判断时效效果，并给出残余应力消除率和工件应力水平的变化：

31)计算机自动控制激振器以小电流，频率从低到高的对工件进行振后扫描；

32)计算机记录并计算加速度-频率的对应关系即a^*-f^*，以及动应变-频率的对应关系即δ^* _d-f^*，同时测得静态应变ε₀；

33)根据a_n-a_n-1＞20，a_n＝1-a_n＜20确定振后共振频率f₁°…f_n°；

34)与振前共振频率f₁，f₂，f₃，f₄，f₅对比，确定其对应的振后共振频率f₁°，f₂°，f₃°，f₄°，f₅°，并记录其对应的动应变值；

35)计算机对前前三到五个振型对应的加速度和动应变进行比较，计算

残余应力消除率＝K₁{∑⁰ ₅[(δ_d-δ^* _d)/δ_d]/5}，

式中：K₁为经验系数；

残余应力的变化量＝K₀E{(∑⁰ ₅ε₀)/5}，

式中：K₀为经验系数，E为材料弹性摸量。

本发明提供的振动时效方法是通过使用激振力随电流变化的磁致伸缩激振器作为振源，在振动时效过程中激振力的大小受高速计算机的控制，能够即时响应振动变化来满足动应力的要求，解决了现有技术采用的偏心块激振器必须采用手动调节影响实时性的问题，大大提高了工作效率和调节的精确度。本发明用加速度传感器和动应变传感器作为传感元件，由高速计算机控制振源在共振频率下振动，并适时调节驱动电路的输出到磁致伸缩激振器上的电流，使工件产生满足：σ_动+σ_残≥σ_s的动应变，计算机通过加速度和动应变传感器采集到的数据通过软件建立的数学模型进行分析和判断，确定振动时效的振型和振动时间，并可以实时检测动应力变化，给出准确的工件残余应力变化量作为时效效果的判据。相对现有技术只采用加速度这一间接数据作为评判指标，使得时效的效果直观准确，令人信服。时效效果较传统振动时效方法提高20％以上，时效有效率达到100％。全部加工过程易实现自动化控制，加工效率更高，效果更好。

附图说明

图1是本发明中计算机分析并判断振动频率和动应变的流程图；

图2是计算机分析并确定磁致伸缩激振器的驱动电流和时效时间的流程图；

图3是时效后系统会重复振型判断的过程对工件进行检测的流程图；

图4a是加速度-频率的对应关系图，图4b是动应变-频率的对应关系图；

图5a是时效前后加速度-频率的变化比较图；

图5b是时效前后动应变-频率的变化比较图。

具体实施方式

图1是本发明所采用的系统框图，其主要包括控制计算机、磁致伸缩激振器、加速度传感器和动应变传感器，磁致伸缩激振器加载在被时效工件表面施以周期性激振力，加速度传感器和动应变传感器设置在被时效工件上用于收集加速度和动应变信号，加速度传感器和动应变传感器各自通过其测量电路将送至数据采集电路，由数据采集电路采集数据后输入控制计算机，由控制计算机进行分析并判断应当施加在被时效工件上的振型和时间，再通过控制电路输出控制信号调整磁致伸缩激振器的驱动电路电流，使磁致伸缩激振器以上述的振型和时间振动。其中需要根据受迫振动原理设置激振点和支撑点，并将多组加速度和动应变传感器设置在工件重要部位，并尽量离激振点较远的波节处，按要求连接振动装置。

本发明提供的振动时效方法的工作过程分部分：振型判断、时效、效果判断。振型判断是采用扫频或频谱分析的方法，根据加速度和动应力数值由计算机自动判断，根据判断结果计算机控制磁致伸缩激振器在不同的振型下工作，工作电流根据动应变确定，这样就充分满足了振动时效的原理。在时效过程中加速度和动应力随着工件内残余应力的释放，会发生变化，计算机根据这些变化，确定时效时间。时效后系统会重复振型判断的过程对工件进行检测，计算机通过时效前后加速度和动应力的变化，根据软件建立的数学模型判断时效效果，并给出残余应力消除率和工件应力水平的变化。

其中计算机进行分析并判断振型的步骤为：

11)控制磁致伸缩激振器以0.5A-1A电流，频率从低到高的对工件进行振前扫描；

12)记录并计算振前加速度-频率的对应关系即a-f图，以及动应变-频率的对应关系即δ_d-f图；

13)根据a_n-a_n-1＞20，a_n-1-a_n＜20确定振前共振频率f₁…f_n；

14)根据比较，选取最大的前三到五个动应变值所对应的频率确定时效振型f₁，f₂，f₃，f₄，f₅。

确定磁致伸缩激振器的驱动电流和时效时间的步骤为：

21)根据上述确定的振型频率f₁，f₂，f₃，f₄，f₅，首先在f₁频率下进行振动时效；

22)根据1/3δ_工＜δ_d＜2/3δ_工和材料，计算机计算出能达到时效效果的合适动应变ε_d0；

23)根据上述确定的动应变ε_d0调节电流，使ε_d≥ε_d0并保持恒流I₁进行时效；

24)在线测量加速度和ε_d的变化，并判断|a_n-a_n-1|＞5或|ε_n-ε_n-1|＞2后3分钟自动跳转到f₂，重复执行以上步骤，直至f₅完成。

最后，计算机通过时效前后加速度和动应力的变化，采用以下步骤判断时效效果，并给出残余应力消除率和工件应力水平的变化：

31)计算机自动控制激振器以小电流，频率从低到高的对工件进行振后扫描；

32)计算机记录并计算加速度-频率的对应关系即a^*-f^*，以及动应变-频率的对应关系即δ^* _d-f^*，同时测得静态应变ε₀；

33)根据a_n-a_n-1＞20，a_n＝1-a_n＜20确定振后共振频率f₁°…f_n°；

34)与振前共振频率f₁，f₂，f₃，f₄，f₅对比，确定其对应的振后共振频率f₁°，f₂°，f₃°，f₄°，f₅°，并记录其对应的动应变值；

35)计算机对前三到五个振型对应的加速度和动应变进行比较，计算

残余应力消除率＝K₁{∑⁰ ₅[(δ_d-δ^* _d)/δ_d]/5}，

式中：K₁为经验系数；

残余应力的变化量＝K₀E{(∑⁰ ₅ε₀)/5}，

式中：K₀为经验系数，E为材料弹性摸量。

Claims (1)

1.一种振动时效的方法，其特征是：包括计算机、磁致伸缩激振器、多组加速度传感器和多组动应变传感器，所述磁致伸缩激振器加载在被时效工件表面施以周期性激振力，多组加速度传感器和多组动应变传感器分别设置在被时效工件容易产生裂纹和变形的部位上用于收集加速度和动应变信号，两种信号通过各传感器的测量电路送至数据采集电路，由数据采集电路采集数据后输入控制计算机，计算机分析不同频率和动应变间的对应关系并排序，选择最大的前几个动应变值所对应的频率作为振型，再通过控制电路输出控制信号调整磁致伸缩激振器的驱动电路的电流及工作时间，使磁致伸缩激振器以上述的频率振动直至完成时效；

上述计算机进行分析并判断振型的具体步骤为：

11)控制磁致伸缩激振器以0.5A-1A电流，频率从低到高的对工件进行振前扫描；

12)记录并计算振前加速度-频率的对应关系即a-f图，以及动应变-频率的对应关系即δ_d-f图；

13)根据a_n-a_n-1＞20，a_n-1-a_n＜20确定振前共振频率f₁…f_n；

14)根据比较，选取最大的前三到五个动应变值所对应的频率确定时效振型f₁，f₂，f₃，f₄，f₅；

上述确定磁致伸缩激振器的驱动电流和时效时间的步骤为：

21)根据上述确定的振型频率f₁，f₂，f₃，f₄，f₅，首先在f₁频率下进行振动时效；

22)根据1/3δ_工＜δ_d＜2/3δ_工和材料，计算机计算出能达到时效效果的合适动应变ε_d0；

23)根据上述确定的动应变ε_d0调节电流，使ε_d≥ε_d0并保持恒流I₁进行时效；

24)在线测量加速度和ε_d的变化，并判断|a_n-a_n-1|＞5或|ε_n-ε_n-1|＞2后3-5分钟自动跳转到f₂，重复执行以上步骤，直至f₅完成。

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