CN103484655A

CN103484655A - 一种基于冷热循环原理消除工件残余应力的应力均化装置

Info

Publication number: CN103484655A
Application number: CN201310481304.XA
Authority: CN
Inventors: 吴琼; 张以都; 吕田
Original assignee: Beihang University
Current assignee: Beihang University
Priority date: 2013-10-15
Filing date: 2013-10-15
Publication date: 2014-01-01
Anticipated expiration: 2033-10-15
Also published as: CN103484655B

Abstract

一种基于冷热循环原理消除工件残余应力的应力均化装置，它包括综合控制箱，制冷箱体，加热箱体，运动机构和总体支撑结构；与综合控制箱通过数据线连接的器件包括制冷箱体的低温温度传感器、液压控制系统、液氮制冷系统、加热箱体的高温温度传感器、液压控制系统、电阻丝加热管、运动机构的水平方向运动牵引电机、竖直方向运动牵引电机、两个行程限位开关以及总体支撑结构上的两个行程限位开关；制冷箱体和加热箱体的底部分别通过地脚螺栓和地面连接；运动机构通过齿轮与总体支撑结构中带有齿条的导轨啮合运动，并通过四个脚轮与带有限位槽的运动辅助导轨接触和支撑；总体支撑结构的龙门支架底部与地面固接。本发明在工业生产实际中有着应用前景。

Description

一种基于冷热循环原理消除工件残余应力的应力均化装置

技术领域

本发明涉及一种基于冷热循环原理消除工件残余应力的应力均化装置，它可以用来模拟工件在自然环境中周围温度的冷热循环变化，进而使工件的内部残余应力得到消除或减弱。本装置属于机械制造加工技术领域。

背景技术

残余应力的存在，不仅会降低工件的强度，使其在制造时产生变形和开裂等缺陷，而且也会在制造后的自然释放过程中使材料的疲劳强度等力学性能降低。因此，消除或减弱材料中的残余应力对于生产安全，产品质量安全有至关重要的意义。在材料的加工过程中产生不同程度的残余应力是不可避免的，产生的原因是工件局部不均匀塑性变形，这就对对金属工件的强度，刚度等力学性能有很大的影响，因此减弱材料中的残余应力在工程上中具有重要的意义。为了消除或减弱残余应力对材料、构件的机械性能的影响，生产实际中采用自然时效、振动时效、热处理等三种方式消除或减弱残余应力。

自然时效法是指将工件置于室外，经过数月甚至数年的时间的作用，由于室外温度冷热循环交替，导致工件发生热胀冷缩等微小变形，工件中的残余应力会逐渐减小，并且效果明显。但自然时效法需要消耗时间很长，延长生产周期，不利于生产率的提高。

针对自然时效上述缺点，本发明研制了该种能够通过人工模拟自然时效温度变化的装置。通过设计一套可控制模拟自然温度变化的装置既可以使工件的残余应力得以减弱，又可以改善产品的机械性能。该装置的使用将会对提高生产效率、缩短产品研发周期、提高产品质量、降低产品成本具有重要的作用。

发明内容

1、目的：本发明的目的就是为了提供一种基于冷热循环原理消除工件残余应力的应力均化装置，它克服了自然时效过程中生产周期长、生产率低、工件易被腐蚀等不足，能够使温度场的循环变化可控，包括冷热温差控制，温度维持时间控制，温度循环次数控制等，与工件的自然时效相比，能够大大减少材料处理的时间，提高生产效率。

2、技术方案：

本发明一种基于冷热循环原理消除工件残余应力的应力均化装置，该装置包括综合控制箱1，制冷箱体2，加热箱体3，运动机构4和总体支撑结构5。它们之间的位置连接关系是：与综合控制箱1通过数据线连接的器件包括制冷箱体2的低温温度传感器27、液压控制系统25、液氮制冷系统28、加热箱体3的高温温度传感器38、液压控制系统36、电阻丝加热管31、运动机构4的水平方向运动牵引电机48、竖直方向运动牵引电机42、两个行程限位开关422以及总体支撑结构5上的两个行程限位开关51；制冷箱体2和加热箱体3的底部分别通过地脚螺栓和地面连接；运动机构4通过齿轮413与总体支撑结构5中带有齿条的导轨52啮合运动，并通过四个脚轮415与带有限位槽的运动辅助导轨53接触和支撑；总体支撑结构5的龙门支架54底部与地面固接。具体可参见图1。

所述综合控制箱1呈长方体，其内部装有工控主机，型号为ARK-7480。主要功能是对整个装置进行综合控制，包括采集高、低温数据；控制制冷箱体2的低温和加热箱体3的高温；分别控制液压控制系统25和36使相应的箱体盖210和39开闭；控制运动机构4的水平和竖直运动；接收行程限位开关422和51的位置信号。综合控制原理具体可参见图2。

所述制冷箱体2是由制冷箱内箱体21、保温材料层22、制冷箱外箱体23、箱体盖支撑导轨24、液压控制系统25、支撑部件26、低温温度传感器27、液氮制冷系统28、箱体盖滑轮29和箱体盖210组成。它们之间的位置连接关系是：制冷箱内箱体21、保温材料层22和制冷箱外箱体23通过铆钉连接；箱体盖支撑导轨24与制冷箱体连接；液压控制系统25与支撑部件26连接，并通过螺钉与制冷箱外箱体23固定；低温温度传感器27通过螺纹孔与制冷箱外箱体23固定，并深入到制冷箱内箱体21的通孔边缘；液氮制冷系统28深入到制冷箱体2底部；箱体盖210通过六个箱体盖滑轮29受到箱体盖支撑导轨24的支撑，并且通过连接机构与液压控制系统25相连。具体可参见图3。该制冷箱内箱体21为金属板，材料为不锈钢，氩弧焊制作而成，主要功能是连接外部部件；该保温材料层为聚胺脂硬质发泡，有保温性能好，防水性能好，粘接性能好，经济效益高等优点。主要功能是保温，可以有效地防止制冷箱体内部温度因外界传热而升高；该制冷箱外箱体23为金属板，材料为45号钢，焊接制作而成，主要功能是支撑和连接内外各部件；该箱体盖支撑导轨24材料为45号钢，主要功能是支撑箱体盖210；该液压控制系统25为定制，液压缸型号为OGS250X800，主要功能是实现支撑箱体盖210的开闭；该支撑部件26根据液压缸形状定制，材料为碳钢，主要功能是支撑液压缸；该低温温度传感器27为半导体温度敏感型传感器，型号为HN111，主要功能是测量制冷箱内箱体21内的温度，转化成电压信号并返回给综合控制箱1。该液氮制冷系统28为制冷源，与制冷箱外箱体23的液氮管道连接，用来向箱体内注入或放出液氮以便控制低温；该箱体盖滑轮29主要功能是对箱体盖210支撑和导向；该箱体盖210为长方体金属板，主要功能是用于箱体密封和保温。

所述加热箱体3与制冷箱体结构相似，是由电阻丝加热管31、加热箱内箱体32、保温材料层33、加热箱外箱体34、箱体盖支撑导轨35、液压控制系统36、支撑部件37、高温温度传感器38和箱体盖39等组成。它们之间的位置连接关系是：15根电阻丝加热管31分别安装在加热箱内箱体32的底面和两个垂直于箱体盖39运动方向的侧面，每个面5根，安装方式为每根两端均用螺钉与加热箱内箱体32相连接；加热箱内箱体32、保温材料层33和加热箱外箱体34通过铆钉连接；箱体盖支撑导轨35与加热箱体连接；液压控制系统36与支撑部件37固接，并通过螺钉与加热箱外箱体34固定；高温温度传感器38通过螺纹孔与加热箱外箱体34固定，并深入到加热箱内箱体32的通孔边缘；箱体盖39通过六个箱体盖滑轮29受到箱体盖支撑导轨35支撑，并且通过连接机构与液压控制系统36相连。具体可参见图4。该电阻丝加热管31为不锈钢管，两端有带孔的安装面，内部采用0Cr27Al7Mo2高电阻合金电阻丝，同时填充压实具有良好绝缘导热性能的氧化镁砂，主要功能是产生热量，并均匀传递到加热箱内部；该加热箱内箱体32为高级不锈钢（SUS304）镜面板，制作时留有膨胀缝，防止因受热膨胀导致箱体开裂，主要功能是连接外部部件；该保温材料层33为超细玻璃纤维绵，有绝缘性好、耐热性强、抗腐蚀性好，机械强度高等优点。主要功能是保温，可以有效地防止高温加热箱体内部热量流失使温度降低；该加热箱外箱体34为金属板，材料为45号钢，焊接制作而成，主要功能是支撑和连接内外各部件；该箱体盖支撑导轨35材料为45号钢，主要功能是支撑箱体盖39；该液压控制系统36为定制，液压缸型号为OGS250X800，主要功能是实现支撑箱体盖39的开闭；该支撑部件37根据液压缸形状定制，材料为碳钢，主要功能是支撑液压缸；该高温温度传感器38为热电偶温度传感器，型号为WRN-191，主要功能是测量加热箱内箱体32内的温度场，转化成电压信号并返回给综合控制箱1。该箱体盖39为长方体金属板，主要功能是用于箱体密封和保温。

所述运动机构4是由运动牵引板41、竖直方向运动牵引电机42、联轴器43、轴承及支座44、绕钢丝绳套筒45、固定在运动牵引板的定滑轮46、定滑轮支架47、水平方向运动牵引电机48、联轴器49、轴承及支座410、主动齿轮轴411、被动大齿轮412、齿轮413、轴承及支座414、脚轮415、挡板416、固定杆417、运动箱体盖418、平衡杆419、运动箱体动滑轮420、滑轮支架421、行程限位开关422、工作筐423和横杆424组成。它们之间的位置连接关系是：两个固定杆417分别在两端使用螺钉连接运动牵引板41和挡板416；竖直方向运动牵引电机42使用螺钉固定在运动牵引板41上；绕钢丝绳套筒45的轴通过轴承及支座44支撑，与竖直方向运动牵引电机42的轴使用联轴器43相连；钢丝绳一端固定在绕钢丝绳套筒45上，穿过对称分布的一对固定在运动牵引板的定滑轮46，中间悬挂运动箱体动滑轮420，另一端固定在运动牵引板41的吊环41A上；水平方向运动牵引电机48使用螺钉固定在运动牵引板41上；主动齿轮轴411通过轴承及支座410支撑，与水平方向运动牵引电机48的轴使用联轴器49相连；主动齿轮轴411上的小齿轮与被动大齿轮412啮合；被动大齿轮412与齿轮413装在同一个轴上，该轴受轴承及支座414支撑；四个脚轮415固定在运动牵引板41上；四根平衡杆419固定在运动箱体盖418上，并穿过运动牵引板41及挡板416上的导向孔416A；运动箱体动滑轮420通过滑轮支架421固定在运动箱体盖418上；行程限位开关422固定在运动箱体盖418上；工作筐423顶端焊接在运动箱体盖418上；横杆424放置在工作筐423开口一侧的锁环中。具体可参见图5-图7。该运动牵引板41材料为铝合金，形状如图8所示，带有多个凸台和凹槽的方框状，其中41A为连接钢丝绳的吊环，41B为定滑轮支架47的紧固螺纹孔，41C为水平方向运动牵引电机48的紧固螺纹孔，41D为轴承及支座410的紧固螺纹孔，41E为主动齿轮轴411上小齿轮开的槽，41F为轴承及支座44的紧固螺纹孔,41G为竖直方向运动牵引电机42的紧固螺纹孔，运动牵引板41的主要功能是支撑运动相关零件；该竖直方向运动牵引电机42选用型号为PA100/200KG铜芯电葫芦，主要功能是带动绕钢丝绳套筒45旋转完成工作筐423的升降；该联轴器43、轴承及支座44、绕钢丝绳套筒45、固定在运动牵引板的定滑轮46、定滑轮支架47、运动箱体动滑轮420和滑轮支架421根据竖直方向运动牵引电机42配套设计和选购，主要功能是实现竖直运动的双绳方案；水平方向运动牵引电机48选用型号为51K90GU-CFW减速电机，主要功能是为运动结构4水平运动提供动力；该联轴器49、轴承及支座410、主动齿轮轴411根据水平方向运动牵引电机48配套设计和选购；该被动大齿轮412、齿轮413、轴承及支座414根据运动结构4实现水平运动的需要进行配套设计和选用；该脚轮415是直径为50mm的滑轮，共四个，主要功能是有效地降低运动过程中的振动和阻力，同时起到了整个运动机构支撑和导向的作用；该挡板416为长方体金属板，中心开截面尺寸为300mm*200mm的槽，以及4个直径为8mm的导向孔416A，主要功能是辅助工作筐423竖直方向运动；该固定杆417截面为圆形，共两个，直径为15mm，两端有厚4mm的安装面，主要功能是连接运动牵引板41和挡板416；该运动箱体盖418呈长方体带有凸台，具体尺寸需要与制冷箱体2或者加热箱体3的顶部边缘尺寸配合，主要功能是为工作筐423在制冷箱体2或者加热箱体3内部时密封，起到保温作用；该平衡杆419呈圆柱状，共四根，主要功能是配合导向孔416A对工作筐423的竖直运动进行引导，保持工作筐稳定；该行程限位开关422是一种弹簧式短按钮型行程开关，具体型号是欧姆龙Z-15GW22-B，主要功能是对工作筐极限位置进行反馈，起到限位作用；该工作筐423为4mm宽的钢丝网焊接而成，厚度为2mm，材料为45号钢，主要功能是承装时效工件；该横杆424截面为方形，主要功能是配合工作筐423对时效工件进行阻拦，防止工件从筐中滑落。

所述总体支撑结构5是由行程限位开关51、带有齿条的导轨52、运动辅助导轨53和龙门支架54组成。它们之间的位置连接关系是：行程限位开关51通过螺钉与运动辅助导轨53固连；带有齿条的导轨52和运动辅助导轨53的两端分别用螺钉与龙门支架54上的支撑板紧固。具体可参见图8。该行程限位开关51与行程限位开关422相同；该带有齿条的导轨52截面为工字型，共两根，主要功能是与齿轮413啮合引导运动机构4进行水平运动；运动辅助导轨53截面为工字型，上部带有凹槽，共两根，主要功能是与四个脚轮415配合辅助运动机构4进行水平运动；该龙门支架54的钢管所有截面为“回”字型，支撑侧面为梯子形状，底部与工字型钢管焊接保持稳定，顶部与支撑板焊接，主要功能是起总体支撑作用。

该装置中的接口插头为标准六芯插头，用于连接各个设备的数据线间的接口，型号为HZ-8500。

软件程序为C++程序语言开发，主要功能是用于冷热循环过程相关数据进行分析和处理。

其中，该综合控制箱1的外形长、宽、高分别是600mm*500mm*400mm。

其中，该制冷箱外箱体23的外形长、宽、高分别为850mm*650mm*650mm，厚度为12.5mm。

其中，该加热箱外箱体34的外形长、宽、高分别为850mm*650mm*650mm，厚度为12.5mm。本发明的原理及工况简介如下：

冷热循环参数通过综合控制箱1进行设定，综合控制箱1通过接收低温温度传感器27的信号并调节液氮制冷系统28实现对制冷箱体2的低温闭环控制；通过接收高温温度传感器34的信号并调节电阻丝加热管31温度实现对加热箱体3的高温闭环控制；通过对液压控制系统25控制实现对制冷箱体2的箱体盖210开闭控制；通过对液压控制系统36控制实现对加热箱体3的箱体盖39开闭控制；通过对水平方向运动牵引电机48控制来实现运动机构4的水平方向运动，并且接收行程限位开关422的水平极限位置信号；通过对竖直方向运动牵引电机42控制来实现运动机构4的竖直方向运动，并且接收行程限位开关51的竖直极限位置信号。

其中运动机构4由于需要精确控制在水平方向和竖直方向两个方向上的运动，需要对两个自由度方向上的运动进行计算。

水平方向运上选用电机参数如下：

如图6所示，水平方向运动牵引电机48输出轴通过联轴器带动主动齿轮轴411，主动齿轮轴411上小齿轮与被动齿轮412啮合。齿轮轴412与齿轮413同轴转动。这样水平方向运动牵引电机48输出的动力通过411与412啮合的齿轮组传递到齿轮413，齿轮413与装置上带有齿条的导轨52啮合。当水平方向运动牵引电机48转动时，整个运动机构4将在水平方向上随之运动。

各齿轮参数如下表：

电机的额定输出转速为n₀=1400r/min,减速器减速比i₁=7.5，齿轮组411和412的减速比为i₂=4，齿轮413与齿条52的减速比为i₃=1，齿条模数为m=2。由此可求得运动机构额定运动速率,计算过程如下：

齿轮411的转速为n₁=n₀/i₁=1400÷7.5r/min=186.7r/min

齿轮412的转速为n₂=n₁/i₂=186.7÷4r/min=46.7r/min

由于齿轮413与齿轮412共轴，故齿轮413的转速为n₃=n₂=46.7r/min

齿轮413与齿条52的减速比为1，故运动机构的运动速度

v=mπ×z₄×n₃=2×3.14×20×46.7mm/min=5861.3mm/min=97.68mm/s

故运动机构的水平方向运动速度约为10cm/s,采用10cm/s的速度，既可以避免因为运动速度过慢使工件在是室温环境中停留时间过长，也可以避免因为运动速度过快产生的振动，撞击等不利条件。

竖水平方向运上选用电机参数如下：

该装置中该电机选用双绳方案，故最大起重重量为200kg,起升速度为5m/min,合83mm/s,该速度可以保证装置平稳运行。钢丝绳采用高品质高碳钢索，久磨耐用，保证装置使用寿命和安全性。

3、优点及功效：本发明一种基于冷热循环原理的应力均化装置。它可以仿真-500℃到70℃的环境。为冷热循环加工提供了硬件条件。对残余应力应力均化的研究提供了条件和参考。

附图说明

图1是本发明总体结构示意图

图2是综合控制箱1的控制原理图

图3是制冷箱体2的结构示意图

图4是加热箱体3的结构示意图

图5是运动机构4的空间示意图

图6是运动机构4的4-1部分的结构示意图

图7是运动机构4的4-2部分的结构示意图

图8是运动牵引板41的结构示意图

图9是总体支撑结构5的局部放大结构示意图

图中符号说明如下：

1、综合控制箱；2、制冷箱体；3、加热箱体；4、运动机构；4-1：运动机构的第一部分；4-2：运动机构的第二部分；5、总体支撑结构；

21、制冷箱内箱体；22、保温材料层；23、制冷箱外箱体；24、箱体盖支撑导轨；25、液压控制系统；26、支撑部件；27、低温温度传感器；28、液氮制冷系统；29、箱体盖滑轮；210、箱体盖；

31、电阻丝加热管；32、加热箱内箱体；33、保温材料层；34、加热箱外箱体；35、箱体盖支撑导轨；36、液压控制系统；37、支撑部件；38、高温温度传感器；39、箱体盖；

41、运动牵引板；42、竖直方向运动牵引电机；43、联轴器；44、轴承及支座；45、绕钢丝绳套筒；46、固定在运动牵引板的定滑轮；47、定滑轮支架；48、水平方向运动牵引电机；49、联轴器；410、轴承及支座；411、主动齿轮轴；412、被动大齿轮；413、齿轮；414、轴承及支座；415、脚轮；416、挡板；417、固定杆；418、运动箱体盖；419、平衡杆；420、运动箱体动滑轮；421、滑轮支架；422、行程限位开关；423、工作筐；424、横杆；

41A、连接钢丝绳的吊环；41B、定滑轮支架47的紧固螺纹孔；41C、水平方向运动牵引电机48的紧固螺纹孔；41D、轴承及支座410的紧固螺纹孔；41E、为主动齿轮轴411上小齿轮开的槽；41、轴承及支座44的紧固螺纹孔；41G、竖直方向运动牵引电机42的紧固螺纹孔；416A、导向孔；

51、行程限位开关；52、带有齿条的导轨；53、运动辅助导轨；54、龙门支架；

具体实施方式

见图1至图9，本发明一种基于冷热循环原理消除工件残余应力的应力均化装置；该装置包括综合控制箱1，制冷箱体2，加热箱体3，运动机构4和总体支撑结构5。它们之间的位置连接关系是：与综合控制箱1通过数据线连接的器件包括制冷箱体2的低温温度传感器27、液压控制系统25、液氮制冷系统28，加热箱体3的高温温度传感器38、液压控制系统36、电阻丝加热管31，运动机构4的水平方向运动牵引电机48、竖直方向运动牵引电机42、两个行程限位开关422以及总体支撑结构5上的两个行程限位开关51；制冷箱体2和加热箱体3的底部分别通过地脚螺栓和地面连接；运动机构4通过齿轮413与总体支撑结构5中带有齿条的导轨52啮合运动，并通过四个脚轮415与带有限位槽的运动辅助导轨53接触和支撑；总体支撑结构5的的龙门支架54底部与地面固接。具体可参见图1。

所述综合控制箱1呈长方体，长、宽、高分别是600mm*500mm*400mm。其内部装有工控主机，型号为ARK-7480。主要功能是对整个装置进行综合控制，包括采集高、低温数据；控制制冷箱体2的低温和加热箱体3的高温；分别控制液压控制系统25和36使相应的箱体盖210和39开闭；控制运动机构4的水平和竖直运动；接收行程限位开关422和51的位置信号。综合控制原理具体可参见图2。

所述制冷箱体2是由制冷箱内箱体21、保温材料层22、制冷箱外箱体23、箱体盖支撑导轨24、液压控制系统25、支撑部件26、低温温度传感器27、液氮制冷系统28、箱体盖滑轮29和箱体盖210组成。它们之间的位置连接关系是：制冷箱内箱体21、保温材料层22和制冷箱外箱体23通过铆钉连接；箱体盖支撑导轨24通过螺钉或者焊接与制冷箱体连接；液压控制系统25与支撑部件26焊接，并通过螺钉与制冷箱外箱体23固定；低温温度传感器27通过螺纹孔与制冷箱外箱体23固定，并深入到制冷箱内箱体21的通孔边缘；液氮制冷系统28深入到制冷箱体2底部；箱体盖210通过六个箱体盖滑轮29受到箱体盖支撑导轨24的支撑，并且通过连接机构与液压控制系统25相连。具体可参见图3。该制冷箱内箱体21为金属板，材料为不锈钢，氩弧焊制作而成，外形长、宽、高分别为800mm*600mm*600mm，厚度为15mm，主要功能是连接外部部件；该保温材料层22厚度为12.5mm，材料为聚胺脂硬质发泡，有保温性能好，防水性能好，粘接性能好，经济效益高等优点。主要功能是保温，可以有效地防止制冷箱体内部温度因外界传热而升高；该制冷箱外箱体23为金属板，材料为45号钢，焊接制作而成，外形长、宽、高分别为850mm*650mm*650mm，厚度为12.5mm，主要功能是支撑和连接内外各部件；该箱体盖支撑导轨24材料为45号钢，主要功能是支撑箱体盖210；该液压控制系统25为定制，液压缸型号为OGS250X800，主要功能是实现支撑箱体盖210的开闭；该支撑部件26根据液压缸形状定制，材料为碳钢，主要功能是支撑液压缸；该低温温度传感器27为半导体温度敏感型传感器，型号为HN111，主要功能是测量制冷箱内箱体21内的温度，转化成电压信号并返回给综合控制箱1。该液氮制冷系统28为制冷源，与制冷箱外箱体23的液氮管道连接，用来向箱体内注入或放出液氮以便控制低温；该箱体盖滑轮29直径为50mm，主要功能是对箱体盖210支撑和导向；该箱体盖210为长方体金属板，外形长、宽、高分别为850mm*650mm*50mm，主要功能是用于箱体密封和保温。

所述加热箱体3与制冷箱体结构相似，是由电阻丝加热管31、加热箱内箱体32、保温材料层33、加热箱外箱体34、箱体盖支撑导轨35、液压控制系统36、支撑部件37、高温温度传感器38和箱体盖39等组成。它们之间的位置连接关系是：15根电阻丝加热管31分别安装在加热箱内箱体32的底面和两个垂直于箱体盖39运动方向的侧面，每个面5根，安装方式为每根两端均用螺钉与加热箱内箱体32相连接；加热箱内箱体32、保温材料层33和加热箱外箱体34通过铆钉连接；箱体盖支撑导轨35通过螺钉或者焊接与制冷箱体连接；液压控制系统36与支撑部件37焊接，并通过螺钉与加热箱外箱体34固定；高温温度传感器38通过螺纹孔与加热箱外箱体34固定，并深入到加热箱内箱体32的通孔边缘；箱体盖39通过六个箱体盖滑轮29受到箱体盖支撑导轨35支撑，并且通过连接机构与液压控制系统36相连。具体可参见图4。该电阻丝加热管31为不锈钢管，直径为25mm，长度为570mm，两端有带孔的安装面，内部采用0Cr27Al7Mo2高电阻合金电阻丝，同时填充压实具有良好绝缘导热性能的氧化镁砂，主要功能是产生热量，并均匀传递到加热箱内部；该加热箱内箱体32为高级不锈钢（SUS304）镜面板，外形长、宽、高分别为800mm*600mm*600mm，厚度为15mm，制作时留有膨胀缝，防止因受热膨胀导致箱体开裂，主要功能是连接外部部件；该保温材料层33厚度为12.5mm，材料为超细玻璃纤维绵，有绝缘性好、耐热性强、抗腐蚀性好，机械强度高等优点。主要功能是保温，可以有效地防止高温加热箱体内部热量流失使温度降低；该加热箱外箱体34为金属板，材料为45号钢，焊接制作而成，外形长、宽、高分别为850mm*650mm*650mm，厚度为12.5mm，主要功能是支撑和连接内外各部件；该箱体盖支撑导轨35材料为45号钢，主要功能是支撑箱体盖39；该液压控制系统36为定制，液压缸型号为OGS250X800，主要功能是实现支撑箱体盖39的开闭；该支撑部件37根据液压缸形状定制，材料为碳钢，主要功能是支撑液压缸；该高温温度传感器38为热电偶温度传感器，型号为WRN-191，主要功能是测量加热箱内箱体32内的温度场，转化成电压信号并返回给综合控制箱1。该箱体盖39为长方体金属板，外形长、宽、高分别为850mm*650mm*50mm，主要功能是用于箱体密封和保温。

所述运动机构4是由运动牵引板41、竖直方向运动牵引电机42、联轴器43、轴承及支座44、绕钢丝绳套筒45、固定在运动牵引板的定滑轮46、定滑轮支架47、水平方向运动牵引电机48、联轴器49、轴承及支座410、主动齿轮轴411、被动大齿轮412、齿轮413、轴承及支座414、脚轮415、挡板416、固定杆417、运动箱体盖418、平衡杆419、运动箱体动滑轮420、滑轮支架421、行程限位开关422、工作筐423和横杆424组成。它们之间的位置连接关系是：两个固定杆417分别在两端使用螺钉连接运动牵引板41和挡板416；竖直方向运动牵引电机42使用螺钉固定在运动牵引板41上；绕钢丝绳套筒45的轴通过轴承及支座44支撑，与竖直方向运动牵引电机42的轴使用联轴器43相连；钢丝绳一端固定在绕钢丝绳套筒45上，穿过对称分布的一对固定在运动牵引板的定滑轮46，中间悬挂运动箱体动滑轮420，另一端固定在运动牵引板41的吊环41A上；水平方向运动牵引电机48使用螺钉固定在运动牵引板41上；主动齿轮轴411通过轴承及支座410支撑，与水平方向运动牵引电机48的轴使用联轴器49相连；主动齿轮轴411上的小齿轮与被动大齿轮412啮合；被动大齿轮412与齿轮413装在同一个轴上；该轴受轴承及支座414支撑；四个脚轮415固定在运动牵引板41上；四根平衡杆419固定在运动箱体盖418上，并穿过运动牵引板41及挡板416上的导向孔416A；运动箱体动滑轮420通过滑轮支架421固定在运动箱体盖418上；行程限位开关422固定在运动箱体盖418上；工作筐423顶端焊接在运动箱体盖418上；横杆424放置在工作筐423开口一侧的锁环中。具体可参见图5-图7。该运动牵引板41材料为铝合金，形状如图8所示，最大外形长、宽、高分别为1000mm*800mm*200mm，其中41A为连接钢丝绳的吊环，41B为定滑轮支架47的紧固螺纹孔，41C为水平方向运动牵引电机48的紧固螺纹孔，41D为轴承及支座410的紧固螺纹孔，41E为主动齿轮轴411上小齿轮开的槽，41F为轴承及支座44的紧固螺纹孔,41G为竖直方向运动牵引电机42的紧固螺纹孔，运动牵引板41的主要功能是支撑运动相关零件；该竖直方向运动牵引电机42选用型号为PA100/200KG铜芯电葫芦，主要功能是带动绕钢丝绳套筒45旋转完成工作筐423的升降；该联轴器43、轴承及支座44、绕钢丝绳套筒45、固定在运动牵引板的定滑轮46、定滑轮支架47、运动箱体动滑轮420和滑轮支架421根据竖直方向运动牵引电机42配套选用和设计，主要功能是实现竖直运动的双绳方案；水平方向运动牵引电机48选用型号为51K90GU-CFW减速电机，外形长、宽、高分别为220mm*90mm*90mm，输出轴直径为15mm，主要功能是为运动结构4水平运动提供动力；该联轴器49、轴承及支座410、主动齿轮轴411根据水平方向运动牵引电机48配套选用和设计；该被动大齿轮412、齿轮413、轴承及支座414根据运动结构4实现水平运动的需要进行配套选用和设计；该脚轮415是直径为50mm的滑轮，共四个，主要功能是有效地降低运动过程中的振动和阻力，同时起到了整个运动机构支撑和导向的作用；该挡板416为长方体金属板，外形长、宽、高分别为1000mm*600mm*20mm，中心开截面尺寸为300mm*200mm的槽，以及4个直径为8mm的导向孔416A，主要功能是辅助工作筐423竖直方向运动；该固定杆417截面为圆形，共两个，直径为15mm，两端有厚4mm的安装面，主要功能是连接运动牵引板41和挡板416；该运动箱体盖418呈长方体带有凸台，最大外形长、宽、高分别为800mm*600mm*55mm，具体尺寸需要与制冷箱体2或者加热箱体3的顶部边缘尺寸配合，主要功能是为工作筐423在制冷箱体2或者加热箱体3内部时密封，起到保温作用；该平衡杆419呈圆柱状，直径为8mm，长度为910mm，共四根，主要功能是配合导向孔416A对工作筐423的竖直运动进行引导，保持工作筐稳定；该行程限位开关422是一种弹簧式短按钮型行程开，额定工作电流10A,机械寿命1000万次，具体型号是欧姆龙Z-15GW22-B，主要功能是对工作筐极限位置进行反馈，起到限位作用；该工作筐423为4mm宽的钢丝网焊接而成，厚度为2mm，材料为45号钢，外形长、宽、高分别为584mm*384mm*450mm，主要功能是承装时效工件；该横杆424截面为方形，外形长、宽、高分别为5mm*2.5mm*604mm，主要功能是配合工作筐423对时效工件进行阻拦，防止工件从筐中滑落。

所述总体支撑结构5是由行程限位开关51、带有齿条的导轨52、运动辅助导轨53和龙门支架54组成。它们之间的位置连接关系是：行程限位开关51通过螺钉与运动辅助导轨53固连；带有齿条的导轨52和运动辅助导轨53的两端分别用螺钉与龙门支架54上的支撑板紧固。具体可参见图8。该行程限位开关51与行程限位开关422相同；该带有齿条的导轨52截面为工字型，长度为2600mm，共两根，主要功能是与齿轮413啮合引导运动机构4进行水平运动；运动辅助导轨53截面为工字型，上部带有凹槽，长度为2600mm，共两根，主要功能是与四个脚轮415配合辅助运动机构4进行水平运动；该龙门支架54的钢管所有截面为“回”字型，支撑侧面为梯子形状，底部与工字型钢管焊接保持稳定，顶部与支撑板焊接，支撑高度为1565mm，主要功能是起总体支撑作用。

该装置中的接口插头为标准六芯插头，用于连接各个设备的数据线间的接口，型号为HZ-8500。软件程序为C++程序语言开发，主要功能是用于冷热循环过程相关数据进行分析和处理。

Claims

1.一种基于冷热循环原理消除工件残余应力的应力均化装置，其特征在于：该装置包括综合控制箱（1），制冷箱体（2），加热箱体（3），运动机构（4）和总体支撑结构（5）；与综合控制箱（1）通过数据线连接的器件包括制冷箱体（2）的低温温度传感器（27）、液压控制系统（25）、液氮制冷系统（28）、加热箱体（3）的高温温度传感器（38）、液压控制系统（36）、电阻丝加热管（31）、运动机构（4）的水平方向运动牵引电机（48）、竖直方向运动牵引电机（42）、两个行程限位开关（422）以及总体支撑结构（5）上的两个行程限位开关（51）；制冷箱体（2）和加热箱体（3）的底部分别通过地脚螺栓和地面连接；运动机构（4）通过齿轮（413）与总体支撑结构（5）中带有齿条的导轨（52）啮合运动，并通过四个脚轮（415）与带有限位槽的运动辅助导轨（53）接触和支撑；总体支撑结构（5）的龙门支架（54）底部与地面固接；

所述综合控制箱（1）呈长方体，其内部装有型号为ARK-7480的工控主机，其功能是对整个装置进行综合控制，包括采集高、低温数据，控制制冷箱体（2）的低温和加热箱体（3）的高温，分别控制液压控制系统（25）和（36）使相应的箱体盖（210）和（39）开闭，控制运动机构（4）的水平和竖直运动，接收行程限位开关（422）和（51）的位置信号；

所述制冷箱体（2）是由制冷箱内箱体（21）、保温材料层（22）、制冷箱外箱体（23）、箱体盖支撑导轨（24）、液压控制系统（25）、支撑部件（26）、低温温度传感器（27）、液氮制冷系统（28）、箱体盖滑轮（29）和箱体盖（210）组成；制冷箱内箱体（21）、保温材料层（22）和制冷箱外箱体（23）通过铆钉连接；箱体盖支撑导轨（24）与制冷箱体连接；液压控制系统（25）与支撑部件（26）连接，并通过螺钉与制冷箱外箱体（23）固定；低温温度传感器（27）通过螺纹孔与制冷箱外箱体（23）固定，并深入到制冷箱内箱体（21）的通孔边缘；液氮制冷系统（28）深入到制冷箱体（2）底部；箱体盖（210）通过六个箱体盖滑轮（29）受到箱体盖支撑导轨（24）的支撑，并且通过连接机构与液压控制系统（25）相连；该制冷箱内箱体（21）为金属板，材料为不锈钢，氩弧焊制作而成，其功能是连接外部部件；该保温材料层为聚胺脂硬质发泡，其功能是保温，有效地防止制冷箱体内部温度因外界传热而升高；该制冷箱外箱体（23）为金属板，材料为45号钢，焊接制作而成，其功能是支撑和连接内外各部件；该箱体盖支撑导轨（24）材料为45号钢，其功能是支撑箱体盖（210）；该液压控制系统（25）为定制，液压缸型号为OGS250X800，其功能是实现支撑箱体盖（210）的开闭；该支撑部件（26）根据液压缸形状定制，材料为碳钢，其功能是支撑液压缸；该低温温度传感器（27）是型号为HN111的半导体温度敏感型传感器，其功能是测量制冷箱内箱体（21）内的温度，转化成电压信号并返回给综合控制箱（1）；该液氮制冷系统（28）为制冷源，与制冷箱外箱体（23）的液氮管道连接，用来向箱体内注入或放出液氮以便控制低温；该箱体盖滑轮（29）是对箱体盖（210）支撑和导向；该箱体盖（210）为长方体金属板，其功能是用于箱体密封和保温；

所述加热箱体（3）与制冷箱体结构相似，是由电阻丝加热管（31）、加热箱内箱体（32）、保温材料层（33）、加热箱外箱体（34）、箱体盖支撑导轨（35）、液压控制系统（36）、支撑部件（37）、高温温度传感器（38）和箱体盖（39）组成；15根电阻丝加热管（31）分别安装在加热箱内箱体（32）的底面和两个垂直于箱体盖（39）运动方向的侧面，每个面5根，安装方式为每根两端均用螺钉与加热箱内箱体（32）相连接；加热箱内箱体（32）、保温材料层（33）和加热箱外箱体（34）通过铆钉连接；箱体盖支撑导轨（35）与加热箱体连接；液压控制系统（36）与支撑部件（37）固接，并通过螺钉与加热箱外箱体（34）固定；高温温度传感器（38）通过螺纹孔与加热箱外箱体（34）固定，并深入到加热箱内箱体（32）的通孔边缘；箱体盖（39）通过六个箱体盖滑轮（29）受到箱体盖支撑导轨（35）支撑，并且通过连接机构与液压控制系统（36）相连；该电阻丝加热管（31）为不锈钢管，两端有带孔的安装面，内部采用0Cr27Al7Mo2高电阻合金电阻丝，同时填充压实具有良好绝缘导热性能的氧化镁砂，其功能是产生热量，并均匀传递到加热箱内部；该加热箱内箱体（32）为高级不锈钢SUS304镜面板，制作时留有膨胀缝，防止因受热膨胀导致箱体开裂，其功能是连接外部部件；该保温材料层（33）为超细玻璃纤维绵，其功能是保温，有效地防止高温加热箱体内部热量流失使温度降低；该加热箱外箱体（34）为金属板，材料为45号钢，焊接制作而成，其功能是支撑和连接内外各部件；该箱体盖支撑导轨（35）材料为45号钢，其功能是支撑箱体盖（39）；该液压控制系统（36）为定制，液压缸型号为OGS250X800，其功能是实现支撑箱体盖（39）的开闭；该支撑部件（37）根据液压缸形状定制，材料为碳钢，其功能是支撑液压缸；该高温温度传感器（38）是型号为WRN-191热电偶温度传感器，其功能是测量加热箱内箱体（32）内的温度场，转化成电压信号并返回给综合控制箱（1）；该箱体盖（39）为长方体金属板，其功能是用于箱体密封和保温；

所述运动机构（4）是由运动牵引板（41）、竖直方向运动牵引电机（42）、联轴器（43）、轴承及支座（44）、绕钢丝绳套筒（45）、固定在运动牵引板的定滑轮（46）、定滑轮支架（47）、水平方向运动牵引电机（48）、联轴器（49）、轴承及支座（410）、主动齿轮轴（411）、被动大齿轮（412）、齿轮（413）、轴承及支座（414）、脚轮（415）、挡板（416）、固定杆（417）、运动箱体盖（418）、平衡杆（419）、运动箱体动滑轮（420）、滑轮支架（421）、行程限位开关（422）、工作筐（423）和横杆（424）组成；两个固定杆（417）分别在两端使用螺钉连接运动牵引板（41）和挡板（416）；竖直方向运动牵引电机（42）使用螺钉固定在运动牵引板（41）上；绕钢丝绳套筒（45）的轴通过轴承及支座（44）支撑，与竖直方向运动牵引电机（42）的轴使用联轴器（43）相连；钢丝绳一端固定在绕钢丝绳套筒（45）上，穿过对称分布的一对固定在运动牵引板的定滑轮（46），中间悬挂运动箱体动滑轮（420），另一端固定在运动牵引板（41）的吊环（41A）上；水平方向运动牵引电机（48）使用螺钉固定在运动牵引板（41）上；主动齿轮轴（411）通过轴承及支座（410）支撑，与水平方向运动牵引电机（48）的轴使用联轴器（49）相连；主动齿轮轴（411）上的小齿轮与被动大齿轮（412）啮合；被动大齿轮（412）与齿轮（413）装在同一个轴上，该轴受轴承及支座（414）支撑；四个脚轮（415）固定在运动牵引板（41）上；四根平衡杆（419）固定在运动箱体盖（418）上，并穿过运动牵引板（41）及挡板（416）上的导向孔（416A）；运动箱体动滑轮（420）通过滑轮支架（421）固定在运动箱体盖（418）上；行程限位开关（422）固定在运动箱体盖（418）上；工作筐（423）顶端焊接在运动箱体盖（418）上；横杆（424）放置在工作筐（423）开口一侧的锁环中；该运动牵引板（41）材料为铝合金，带有复数个凸台和凹槽的方框状，其中（41A）为连接钢丝绳的吊环，（41B）为定滑轮支架（47）的紧固螺纹孔，（41C）为水平方向运动牵引电机（48）的紧固螺纹孔，（41D）为轴承及支座（410）的紧固螺纹孔，（41E）为主动齿轮轴（411）上小齿轮开的槽，（41F）为轴承及支座（44）的紧固螺纹孔,（41G）为竖直方向运动牵引电机（42）的紧固螺纹孔，运动牵引板（41）的功能是支撑运动相关零件；该竖直方向运动牵引电机（42）是型号为PA100/200KG铜芯电葫芦，其功能是带动绕钢丝绳套筒（45）旋转完成工作筐（423）的升降；该联轴器（43）、轴承及支座（44）、绕钢丝绳套筒（45）、固定在运动牵引板的定滑轮（46）、定滑轮支架（47）、运动箱体动滑轮（420）和滑轮支架（421）根据竖直方向运动牵引电机（42）配套设计和选购，其功能是实现竖直运动的双绳方案；水平方向运动牵引电机（48）是型号为51K90GU-CFW减速电机，其功能是为运动结构（4）水平运动提供动力；该联轴器（49）、轴承及支座（410）、主动齿轮轴（411）根据水平方向运动牵引电机（48）配套设计和选购；该被动大齿轮（412）、齿轮（413）、轴承及支座（414）根据运动结构（4）实现水平运动的需要进行配套设计和选用；该脚轮（415）是直径为50mm的滑轮，共四个，其功能是有效地降低运动过程中的振动和阻力，同时起到了整个运动机构支撑和导向的作用；该挡板（416）为长方体金属板，中心开截面尺寸为300mm*200mm的槽，以及4个直径为8mm的导向孔（416A），其功能是辅助工作筐（423）竖直方向运动；该固定杆（417）截面为圆形，共两个，两端有厚4mm的安装面，其功能是连接运动牵引板（41）和挡板（416）；该运动箱体盖（418）呈长方体带有凸台，具体尺寸需要与制冷箱体（2）或者加热箱体（3）的顶部边缘尺寸配合，其功能是为工作筐（423）在制冷箱体（2）或者加热箱体（3）内部时密封，起到保温作用；该平衡杆（419）呈圆柱状，共四根，其功能是配合导向孔（416A）对工作筐（423）的竖直运动进行引导，保持工作筐稳定；该行程限位开关（422）是一种弹簧式短按钮型行程开关，其功能是对工作筐极限位置进行反馈，起到限位作用；该工作筐（423）为4mm宽的钢丝网焊接而成，厚度为2mm，材料为45号钢，其功能是承装时效工件；该横杆（424）截面为方形，其功能是配合工作筐（423）对时效工件进行阻拦，防止工件从筐中滑落；

所述总体支撑结构（5）是由行程限位开关（51）、带有齿条的导轨（52）、运动辅助导轨（53）和龙门支架（54）组成；行程限位开关（51）通过螺钉与运动辅助导轨（53）固连；带有齿条的导轨（52）和运动辅助导轨（53）的两端分别用螺钉与龙门支架（54）上的支撑板紧固；该行程限位开关（51）与行程限位开关（422）相同；该带有齿条的导轨（52）截面为工字型，共两根，其功能是与齿轮（413）啮合引导运动机构（4）进行水平运动；运动辅助导轨（53）截面为工字型，上部带有凹槽，共两根，其功能是与四个脚轮（415）配合辅助运动机构（4）进行水平运动；该龙门支架（54）的钢管所有截面为“回”字型，支撑侧面为梯子形状，底部与工字型钢管焊接保持稳定，顶部与支撑板焊接，其功能是起总体支撑作用；

该装置中的接口插头为标准六芯插头，用于连接各个设备的数据线间的接口，型号为HZ-8500；软件程序为C++程序语言开发，其功能是用于冷热循环过程相关数据进行分析和处理。

2.根据权利要求1所述的一种基于冷热循环原理消除工件残余应力的应力均化装置，其特征在于：该综合控制箱（1）的外形长、宽、高分别是600mm*500mm*400mm。

3.根据权利要求1所述的一种基于冷热循环原理消除工件残余应力的应力均化装置，其特征在于：该制冷箱外箱体（23）的外形长、宽、高分别为850mm*650mm*650mm，厚度为12.5mm。

4.根据权利要求1所述的一种基于冷热循环原理消除工件残余应力的应力均化装置，其特征在于：该加热箱外箱体（34）的外形长、宽、高分别为850mm*650mm*650mm，厚度为12.5mm。