CN103484656A - 一种热振复合应力均化装置 - Google Patents

Abstract

一种热振复合应力均化装置，它由振动时效系统（A）和热时效系统（B）构成；热时效系统（B）的外罩（13）将振动时效系统（A）大部分包容其内，热时效系统（B）的内胆（12）罩在振动时效系统（A）的振动平台（4）之上，内胆（12）底部与地面接触，其四个侧壁中，通过调整三个内壁至振动平台（4）轮廓相等距离来定位内胆（12）与振动平台（4）的相对位置。传统的自然时效会使零部件的生产周期变长，还影响产品的质量，本发明可有效地提高生产效率，缩短产品研发周期，提高产品的质量，在工业生产实际中起有着非常重要的作用。

Description

一种热振复合应力均化装置

技术领域

本发明涉及一种热振复合应力均化装置，它包括振动时效系统（振动平台、激振器、加紧装置、振动平台、拾振器、胶垫和控制器等）和热时效系统（加热内胆、外罩、热电偶、耐热风扇和控制器等）的设计，以及两者之间结合方式的探讨和选择，本发明属于机械类具体设计生产和应用的技术领域。

背景技术

制造业是一个国家的支柱产业，制造技术更是各种高科技产业赖以生存和发展的技术支撑。航空制造业作为制造业的一个重要分支，近年来得到了迅速的发展。现代飞机的制造对性能要求越来越高，飞机的结构设计也发生了较大的变化。从零件结构上看，为了减轻重量，整体结构件构件在制造过程中得到了尽可能多的应用。但整体结构件的加工过程中存在着变形的问题，整体框，梁和接头在数控加工后和加工过程中都存在不同程度的变形；在对薄壁，侧壁与腹板等位置加工时，切削会使其发生局部的加工变形。加工变形是多家航空企业面临的难题，因此引起了国内外学者的研究热潮。除了在加工过程中对工件，刀具和走刀方式进行改进的办法，各国学者对残余应力均化也做了研究。实验表明，经过应力均化的结构件变形要远小于没有经过应力均化的结构件。目前，生产实际中应力均化基本上是采用下列方法:（1）自然时效、（2）振动时效、（3）热处理时效。自然时效周期长，生产率低；热时效和振动时效应用广泛，但是各有局限，因此可以使用热振复合时效完成。目前残余应力均化的研究和应用绝大多数是针对碳钢结构，对铝合金，不锈钢的应用较少，而近年来这些新型结构材料使用越来越多，所以对这些材料的残余应力均化也成为了一个重要的研究课题。市面上热时效装置和振动时效装置研制较多，但热振复合应力均化装置还未有设计，因此本发明提供的一种热振复合应力均化装置。

发明内容

1、目的：本发明是基于上述背景，提供的一种热振复合应力均化装置，主要面向7075铝合金和钛合金，实现热力与振动相复合的均化功能，预期均化的效果将会更加显著。装置振动平台的频率区间为200～300Hz，加热温度为50～400℃，适应于小型工件的残余应力均化。本文也包括工件应力均化的一般流程分析，包括对时效前残余应力分布情况的判断，形位精度要求，以及今后的工作载荷和可能失效的原因，制订合理的振动时效工艺，确定时效路线及重点时效部位，从而实现应力均化。

2、技术方案：

本发明一种热振复合应力均化装置，它由振动时效系统A和热时效系统B构成。它们之间的位置连接关系是：热时效系统B的外罩13将振动时效系统A大部分包容其内，热时效系统B的内胆12罩在振动时效系统A的振动平台4之上，内胆12底部与地面接触，其四个侧壁中，通过调整三个内壁至振动平台4轮廓相等距离来定位内胆12与振动平台4的相对位置。具体可参见图1。

所述振动时效系统A包括：激振器1、压紧支架2、压紧螺栓3、振动平台4、垫铁5、胶垫6、拾振器7、控制器8和数据采集仪9。它们之间的位置连接关系是：压紧螺栓3与压紧支架2的螺纹孔配合组成压紧装置，使用两套压紧装置对称地将激振器1的固定板压紧在振动平台4上，激振器1的固定板和振动平台之间加垫隔热板或隔热毡进行隔热；振动平台4的下端面通过胶垫6支撑在垫铁5上；拾振器7与振动平台4的一端采用螺纹或者磁性固定，拾振器7的数据连线接口插头一端与拾振器相连接，穿过振动平台的下端通孔以及热时效系统B的内胆12和外罩13的通孔并伸出，其另外一端和数据采集仪9连接；数据采集仪9和控制器8通过网线连接；控制器8和激振器1通过数据线连接。具体可参见图2。

该激振器1是型号为JZ01-01供振动时效专用永磁电机，外形为圆柱体底部外伸两个固定板。主要功能接受控制器8的信号进行激振。

该压紧支架2为U型铸铁件，其中一个上臂开有螺纹孔，以便与压紧螺栓3配合将激振器1与振动平台4压紧。

该压紧螺栓3为公称直径为25mm的螺栓。主要功能是与压紧支架2配合将激振器1与振动平台4压紧。

该振动平台4为长方体金属板，平台上开有若干个螺纹孔，用来将需要应力均化的工件通过螺栓固定在振动平台上，并且在平台一端将拾振器7固定连接。其主要功能是保证工件随着振动平台的振动产生共振，从而实现应力均化。

该垫铁5为上面开有若干等距离切槽的长方体金属板。主要功能是一方面和胶垫6一起固定振动平台4，另一方面是减少由于振动平台4的振动产生的噪音，使胶垫6不与地面直接接触。

该胶垫6为圆盘形高温橡胶，其支撑点根据振动实际情况设置在振型的节线处。主要功能是支撑振动平台4，以便实现振动时效所需振型。

该拾振器7是型号为891-2型加速度式拾振器；主要功能是将振动信号转化为电压信号，传送给数据采集仪9。

该控制器8呈长方体，内部装有工控主板，型号为AIMB-763G2。主要功能为分析采集信号并控制激振器1产生振动。

该数据采集仪9呈长方体，型号为INV3020C。主要功能用以对获得的电压信号进行采集和处理。

所述热时效系统B包括：控制器10、数据采集仪11、内胆12、外罩13、驱动器14、耐热风扇15、加热管16和高温温度传感器17。它们之间的位置连接关系是：外罩13罩在内胆12上，两物体中心相符；驱动器14与耐热风扇15用导线连接，并且均使用螺栓固定在外罩13上，耐热风扇15的扇叶深入内胆12和外罩13的夹层空间内；两个加热管16通过螺钉固定在内胆12顶部的上下表面；高温温度传感器17通过螺纹与外罩13连接，并且深入内胆12的通孔至内胆中心；高温温度传感器17的数据线与数据采集仪11连接；数据采集仪11和控制器10通过网线连接；控制器10和加热管16通过数据线连接，该数据线与振动时效系统A的拾振器7的数据线一起通过内胆12和外罩13的通孔。具体可参见图3和图4。

该控制器10呈长方体，内部装有工控主板，型号为AIMB-763G2。主要功能为分析采集信号并控制加热管16进行加热。

该数据采集仪11呈长方体，型号为INV3020C。主要功能用以对获得的电压信号进行采集和处理。

该内胆12为金属板制作，呈箱式状；内胆的顶部为栅栏式设计，即开了若干等距离的槽，方便加热管的安装，内胆的侧壁打了若干孔，方便与外罩形成回流。内胆12和外罩13和在靠近激振器1的一侧的底部均开方槽，保证振动平台可以正常振动不受到影响。

该外罩13为金属板制作，呈箱式状；内壁加一层隔热材料，如陶瓷纤维板等，厚度不超过50mm，主要功能为保温。

该驱动器14呈长方体，与耐热风扇15配套，主要功能是控制耐热风扇转速。

该耐热风扇15为订制风扇，型号如5E-230B改进型，扇叶可以使用耐高温铝合金，通过使用合适的风速带动空气流动使温度场均匀。

该加热管16的形状为W型，是按需选用的市购件，主要功能是加热产生热量。

该高温温度传感器17是型号为WRN-191热电偶温度传感器，主要功能是测量内胆12内的温度场，转化为电压信号并返回给数据采集仪11。

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，主要功能是分别用于振动时效和热时效的相关数据进行分析和处理。

其中，该振动平台4的外形长、宽、高分别为2000mm*1200mm*20mm；

其中，该内胆12的外形长、宽、高分别为1550mm*1300mm*110mm；

其中，该外罩13的外形长、宽、高分别为1750mm*1500mm*130mm，厚度为10mm。

本发明中振动时效系统A的工作原理及工况如下：控制器8控制激振器1进行振动，待振动工件受到振动平台4的作用实现振动时效。拾振器7处在振动平台4的另一端，可以得到振动平台目前的频率。其信号经过数据线传到数据采集仪9，数据采集仪9处理的信号传到控制器8，与设定频率进行比较后继续控制激振器1的电机转动频率，实现频率的控制。即通过对信号的采集、计算和分析处理，实现了对振动时效的闭环控制。热时效B的工作原理及工况如下：控制器11控制加热管16产生热量，实现对工件的热时效。高温温度传感器17可以测得内胆12内部的温度，其信号经过数据线传到数据采集仪11，数据采集仪11处理的信号传到控制器10，与设定温度进行比较后继续控制加热管16的加热温度。即通过对信号的采集、计算和分析处理，实现了对热时效的闭环控制。

3、优点及功效

本发明是一种热振复合应力均化装置，该装置构思科学，结构简单，可以同时开展热时效与振动时效的功能，实现工件的应力均化。

附图说明

图1为本发明结构示意图

图2为本发明振动时效系统结构示意图

图3为本发明热时效外部结构示意图

图4为本发明热时效内部结构示意图

图中符号说明如下：

A、振动时效系统；B、热时效系统；B-1、热时效外部；B-2、热时效内部；1、激振器；2、压紧支架；3、压紧螺栓；4、振动平台；5、垫铁；6、胶垫；7、拾振器；8、控制器；9、数据采集仪；10、控制器；11、数据采集仪；12、内胆；13、外罩；14、驱动器；15、耐热风扇；16、加热管；17、高温传感器。

具体实施方式

见图1—图4，本发明是一种热振复合应力均化装置，它由振动时效系统A和热时效系统B构成。它们之间的位置连接关系是：热时效系统B的外罩13将振动时效系统A大部分包容其内，热时效系统B的内胆12罩在振动时效系统的振动平台4之上，内胆12底部与地面接触，其四个侧壁中，通过调整三个的内壁至振动平台4轮廓相等距离来定位内胆12与振动平台4的相对位置。具体可参见图1。

所述振动时效系统A包括：激振器1、压紧支架2、压紧螺栓3、振动平台4、垫铁5、胶垫6、拾振器7、控制器8和数据采集仪9。它们之间的位置连接关系是：压紧螺栓3与压紧支架2的螺纹孔配合组成压紧装置，使用两套压紧装置对称地将激振器1的固定板压紧在振动平台4上，激振器1的固定板和振动平台之间可以加垫隔热板或隔热毡进行隔热；振动平台4的下端面通过胶垫6支撑在垫铁5上；拾振器7与振动平台4的一端采用螺纹或者磁性固定，拾振器7的数据连线接口插头一端与拾振器7相连接，穿过振动平台4的下端通孔以及热时效系统B的内胆12和外罩13的通孔并伸出，其另外一端和数据采集仪9连接；数据采集仪9和控制器8通过网线连接；控制器8和激振器1通过数据线连接。具体可参见图2。

该激振器1为供振动时效专用永磁电机，外形为圆柱体底部外伸两个固定板，最大外形长、宽、高分别为320mm*280mm*230mm，功率为1.5kw，型号为JZ01-01。主要功能接受控制器8的信号进行激振。

该压紧支架2为U型铸铁件，横截面为50mm的正方形，U型底部连接端长为300mm，两臂长100mm，其中一个上臂开有公称直径为25mm的螺纹孔，以便与压紧螺栓3配合将激振器1与振动平台4压紧。

该压紧螺栓3为公称直径为25mm的螺栓，有效长度为200mm。主要功能是与压紧支架2配合将激振器1与振动平台4压紧。

该振动平台4为长方体金属板，长、宽、高分别为2000mm*1200mm*20mm，平台上开有若干个螺纹孔，用来将需要应力均化的工件通过螺栓固定在振动平台4上，并且在平台一端将拾振器7固定连接。其主要功能是保证工件随着振动平台4的振动产生共振，从而实现应力均化。

该垫铁5为上面开有若干等距离切槽的长方体金属板，长、宽、高分别为1800mm*1200mm*120mm。主要功能是一方面和胶垫6一起固定振动平台4，另一方面是减少由于振动平台4的振动产生的噪音，使胶垫6不与地面直接接触。

该胶垫6为圆盘形高温橡胶，直径为100mm，高度为5mm，其支撑点根据振动实际情况设置在振型的节线处。主要功能是支撑振动平台4，以便实现振动时效所需振型。

该拾振器7是按需选用的市购件，型号为891-2型加速度式。主要功能是将振动信号转化为电压信号，传送给数据采集仪9。

该控制器8呈长方体，长、宽、高分别是300mm*200mm*100mm。内部装有工控主板，型号为AIMB-763G2。主要功能为分析采集信号并控制激振器1产生振动。

该数据采集仪9呈长方体，长、宽、高分别是300mm*200mm*150mm，型号为INV3020C。主要功能用以对获得的电压信号进行采集和处理。

所述热时效系统B包括：控制器10、数据采集仪11、内胆12、外罩13、驱动器14、耐热风扇15、加热管16和高温温度传感器17。它们之间的位置连接关系是：外罩13罩在内胆12上，两物体中心相符；驱动器14与耐热风扇15用导线连接，并且均使用螺栓固定在外罩13上，耐热风扇15的扇叶深入内胆12和外罩13的夹层空间内；两个加热管16通过螺钉固定在内胆12顶部的上下表面；高温温度传感器17通过螺纹与外罩13连接，并且深入内胆12的通孔至内胆中心；高温温度传感器17的数据线与数据采集仪11连接；数据采集仪11和控制器10通过网线连接；控制器10和加热管16通过数据线连接，该数据线与振动时效系统A的拾振器7的数据线一起通过内胆12和外罩13的通孔。具体可参见图3和图4。

该控制器10呈长方体，长、宽、高分别是300mm*200mm*100mm。内部装有工控主板，型号为AIMB-763G2。主要功能为分析采集信号并控制加热管16进行加热。

该数据采集仪11呈长方体，长、宽、高分别是300mm*200mm*150mm，型号为INV3020C。主要功能用以对获得的电压信号进行采集和处理。

该内胆12为金属板制作，呈箱式状；外形长、宽、高分别为1550mm*1300mm*110mm，厚度为10mm。内胆的顶部为栅栏式设计，即开了若干等距离的槽，方便加热管的安装，内胆的侧壁打了若干孔，方便与外罩形成回流。内胆12和外罩13和在靠近激振器1的一侧的底部均开方槽，保证振动平台可以正常振动且不受到加热罩的影响。

该外罩13为金属板制作，呈箱式状；外形长、宽、高分别为1750mm*1500mm*130mm，厚度为10mm。内壁加一层隔热材料，如陶瓷纤维板等，厚度不超过50mm，主要功能为保温。

该驱动器14呈长方体，长、宽、高分别是100mm*800mm*100mm。与耐热风扇15配套，主要功能是控制耐热风扇转速。

该耐热风扇15为订制风扇，最大外形长、宽、高分别是170mm*170mm*100mm。型号如5E-230B改进型，扇叶可以使用耐高温铝合金，通过使用合适的风速带动空气流动使温度场均匀。

该加热管16按需选用的市购件，形状为W型。主要功能是加热产生热量。

该高温温度传感器17为热电偶温度传感器，型号为WRN-191。主要功能是测量内胆12内的温度场，转化为电压信号并返回给数据采集仪11。

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，主要功能是分别用于振动时效和热时效的相关数据进行分析和处理。

本热振复合应力均化装置的具体工作流程如下：

（1）将工件与振动平台4固定；（2）根据经验或者仿真选取几个胶垫5放在合适的支撑点用来支撑振动平台4；（3）盖上内胆12和外罩13，完成振动时效系统A和热时效系统B的装配；（4）根据热振复合时效工艺流程对控制器8和控制器10进行参数设定并实现对工件的热振复合时效。

Claims (4)

1.一种热振复合应力均化装置，其特征在于：它由振动时效系统（A）和热时效系统（B）构成；热时效系统（B）的外罩（13）将振动时效系统（A）大部分包容其内，热时效系统（B）的内胆（12）罩在振动时效系统（A）的振动平台（4）之上，内胆（12）底部与地面接触，其四个侧壁中，通过调整三个内壁至振动平台（4）轮廓相等距离来定位内胆（12）与振动平台（4）的相对位置；

所述振动时效系统（A）包括：激振器（1）、压紧支架（2）、压紧螺栓（3）、振动平台（4）、垫铁（5）、胶垫（6）、拾振器（7）、控制器（8）和数据采集仪（9）；压紧螺栓（3）与压紧支架（2）的螺纹孔配合组成压紧装置，使用两套压紧装置对称地将激振器（1）的固定板压紧在振动平台（4）上，激振器（1）的固定板和振动平台之间加垫隔热板或隔热毡进行隔热；振动平台（4）的下端面通过胶垫（6）支撑在垫铁（5）上；拾振器（7）与振动平台（4）的一端采用螺纹或者磁性固定，拾振器（7）的数据连线接口插头一端与拾振器相连接，穿过振动平台的下端通孔以及热时效系统（B）的内胆（12）和外罩（13）的通孔并伸出，其另外一端和数据采集仪（9）连接；数据采集仪（9）和控制器（8）通过网线连接；控制器（8）和激振器（1）通过数据线连接；

该激振器（1）是型号为JZ01-01供振动时效专用永磁电机，外形为圆柱体底部外伸两个固定板，其功能是接受控制器（8）的信号进行激振；

该压紧支架（2）为U型铸铁件，其中一个上臂开有螺纹孔，以便与压紧螺栓（3）配合将激振器（1）与振动平台（4）压紧；

该压紧螺栓（3）为公称直径为25mm的螺栓，其功能是与压紧支架（2）配合将激振器（1）与振动平台（4）压紧；

该振动平台（4）为长方体金属板，平台上开有复数个螺纹孔，用来将需要应力均化的工件通过螺栓固定在振动平台上，并且在平台一端将拾振器（7）固定连接；其功能是保证工件随着振动平台的振动产生共振，从而实现应力均化；

该垫铁（5）为上面开有复数个等距离切槽的长方体金属板，其功能是一方面和胶垫（6）一起固定振动平台（4），另一方面是减少由于振动平台（4）的振动产生的噪音，使胶垫（6）不与地面直接接触；

该胶垫（6）为圆盘形高温橡胶，其支撑点根据振动实际情况设置在振型的节线处；其功能是支撑振动平台（4），以便实现振动时效所需振型；

该拾振器（7）是型号为891-2型加速度式拾振器；其功能是将振动信号转化为电压信号，传送给数据采集仪（9）；

该控制器（8）呈长方体，内部装有型号为AIMB-763G2工控主板，其功能为分析采集信号并控制激振器（1）产生振动；

该数据采集仪（9）呈长方体，型号为INV3020C；其功能用以对获得的电压信号进行采集和处理；

所述热时效系统（B）包括：控制器（10）、数据采集仪（11）、内胆（12）、外罩（13）、驱动器（14）、耐热风扇（15）、加热管（16）和高温温度传感器（17）；外罩（13）罩在内胆（12）上，两物体中心相符；驱动器（14）与耐热风扇（15）用导线连接，并且均使用螺栓固定在外罩（13）上，耐热风扇（15）的扇叶深入内胆（12）和外罩（13）的夹层空间内；两个加热管（16）通过螺钉固定在内胆（12）顶部的上下表面；高温温度传感器（17）通过螺纹与外罩（13）连接，并且深入内胆（12）的通孔至内胆中心；高温温度传感器（17）的数据线与数据采集仪（11）连接；数据采集仪（11）和控制器（10）通过网线连接；控制器（10）和加热管（16）通过数据线连接，该数据线与振动时效系统（A）的拾振器（7）的数据线一起通过内胆（12）和外罩（13）的通孔；

该控制器（10）呈长方体，内部装有型号为AIMB-763G2工控主板，其功能为分析采集信号并控制加热管（16）进行加热；

该数据采集仪（11）呈长方体，型号为INV3020C，其功能用以对获得的电压信号进行采集和处理；

该内胆（12）为金属板制作，呈箱式状；内胆的顶部为栅栏式设计，即开了复数个等距离的槽，方便加热管的安装，内胆的侧壁打了复数个孔，方便与外罩形成回流；内胆（12）和外罩（13）和在靠近激振器（1）的一侧的底部均开长方槽，保证振动平台可以正常振动不受影响；

该外罩（13）为金属板制作，呈箱式状；内壁加一层隔热材料，如陶瓷纤维板，厚度不超过50mm，其功能为保温；

该驱动器（14）呈长方体，与耐热风扇（15）配套，其功能是控制耐热风扇转速；

该耐热风扇（15）为订制风扇，型号是5E-230B改进型，扇叶使用耐高温铝合金，通过使用合适的风速带动空气流动使温度场均匀；

该加热管（16）的形状为W型，其功能是加热产生热量；

该高温温度传感器（17）是型号为WRN-191热电偶温度传感器，其功能是测量内胆（12）内的温度场，转化为电压信号并返回给数据采集仪（11）；

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，其功能是分别用于振动时效和热时效的相关数据进行分析和处理。

2.根据权利要求1所述的一种热振复合应力均化装置，其特征在于：该振动平台（4）的外形长、宽、高分别为2000mm*1200mm*20mm。

3.根据权利要求1所述的一种热振复合应力均化装置，其特征在于：该内胆（12）的外形长、宽、高分别为1550mm*1300mm*110mm。

4.根据权利要求1所述的一种热振复合应力均化装置，其特征在于：该外罩（13）的外形长、宽、高分别为1750mm*1500mm*130mm，厚度为10mm。

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