CN106563913A - 模具修复锤击消除应力装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及金属材料加工领域，尤其涉及一种模具修复锤击消除应力装置与方法，它包括控制器、底座（1）、动力机构（2）、锤头（3）、摆动机构（4）、第一活动支架（5）、压力传感器（6）、第二活动支架（7）以及位移传感器（8），所述动力机构（2）、摆动机构（4）、压力传感器（6）以及位移传感器（8）均与控制器电连接。这种模具修复锤击消除应力装置自动锤击模具进而降低焊接残余应力。

Description

模具修复锤击消除应力装置与方法

技术领域

本发明涉及金属材料加工领域，尤其涉及一种模具修复锤击消除应力装置与方法。

背景技术

模具修复由于修复区域较模具整体比较小，焊接修复中焊接拘束力大，焊后残余应力将比较大且存在应力集中现象。焊接残余拉应力将促进模具裂纹的产生及扩展，且修补区的热影响区晶粒较母材相对粗大，这也将促进裂纹的萌生及扩展。大量研究表明，残余压应力以及细化晶粒可有效降低模具裂纹的萌生及扩展，这将是提高模具修复后使用寿命的重要方式之一。

锤击法是一种有效改善焊接残余应力的方法。能够在模具修复后通过锤击处理改善焊接残余应力，防止模具使用中裂纹的产生，改善模具修复处的组织以及应力分布状态。该方法是通过计算分析，选取模具焊接修复区的某些位置进行锤击，使得模具修复中焊接应力集中区，尤其是焊接残余拉应力区发生塑性变化，产生残余压应力，控制模具使用中裂纹的萌生及扩展。锤击工具简单，操作方便，可降低后处理成本，且效率高，具有广阔的应用前景。但是目前，实际应用较多的锤击方式依然是手工锤击，这不仅在一定程度上影响了修复效率，同时锤击效果的好坏还要受到人为因素的影响，对工人的经验要求很高。目前为止模具修复锤击消除内应力还没有相应的方法及工艺。

发明内容

本发明所要解决的一个技术问题是：提供一种能自动锤击模具进而降低焊接残余应力的模具修复锤击消除应力装置。

本发明所采用的一个技术方案是：一种模具修复锤击消除应力装置，它包括控制器、底座、设置在底座上用于带动底座在模具上移动的动力机构、锤头、设置在底座上用于带动锤头摆动进而锤击的摆动机构、设置在底座上的第一活动支架、设置在第一活动支架上用于测量锤头锤击力大小的压力传感器、设置在底座上的第二活动支架以及设置在第二活动支架上用于监测底座行走路线进而控制锤击位置的位移传感器，所述动力机构、摆动机构、压力传感器以及位移传感器均与控制器电连接。

所述底座上还设有用于防止锤击过程中装置因为震动而偏移锤击路径的稳固机构。

采用以上结构与现有技术相比，本发明具有以下优点：通过摆动机构带动锤子可以实现自动锤击，并且通过动力机构带动底座移动可以实现锤击路径的自动控制，并且还设有压力传感器以及位移传感器也更好的确定锤击力以及锤击路径，这样能很好的实现自动锤击进而降低焊接残余应力。

设置一个稳固机构可以很好的防止应力消除装置在锤击过程中因为震动而偏移设定的锤击路径。

本发明所要解决的另一个技术问题是：提供一种能自动锤击模具进而降低焊接残余应力并产生残余压应力的模具修复锤击消除应力方法。

本发明所采用的另一个技术方案是：一种模具修复锤击消除应力方法，它包括以下步骤：

（1）、建立模具裂纹激光修复后的应力场三维有限元模型；

（2）、计算分析模具激光修复后的应力大小以及分布；

（3）、利用有限元软件模拟计算单点锤击、多点锤击以及不同锤击顺序对模具激光修复后应力分布的改变状况，然后确定锤击参数以及锤击路径；

（4）、根据步骤（3）得到的锤击参数以及锤击路径进行锤击消除应力。

步骤（2）中计算分析应力大小以及分布主要根据模具材料属性、焊接参数以及环境影响因子决定。

步骤（4）包括以下步骤：

A、将应力消除装置放置到模具的恰当位置，然后通过第一活动支架将压力传感器设置在锤头下方；

B、更换锤头以及调节摆动机构的摆动高度，然后控制锤头锤击压力传感器，然后读取压力传感器检测到的锤击力大小，然后与步骤（3）确定的锤击参数中的锤击力大小进行比较，若两者之差小于X，则跳转到下一步；若两者之差大于X，则继续更换锤头或者调整摆动机构的摆动高度，直到压力传感器检测到的锤击力与步骤（3）确定的锤击参数中的锤击力两者之差小于X，所述X为设定的阈值；

C、按照步骤（3）中确定的锤击路经来设定应力消除装置的行走路径以及停顿位置，然后控制应力消除装置空走，同时通过位移传感器监测应力消除装置的行走路径以及停顿位置是否跟设定的行走路径以及停顿位置一样，若一样，则跳转到下一步；若不一样，则判断行走路径以及停顿位置设置有误，根据步骤（3）中确定的锤击路径重新设置应力消除装置的行走路径以及停顿位置，然后继续应力消除装置空走检测，直到位移传感器检测到的行走路径以及停顿位置与设定的行走路径以及停顿位置之间的误差小于Y；

D、控制应力消除装置回到初始位置，然后控制第一活动支架将压力传感器收起；

E、根据步骤（3）得到的锤击参数与锤击路径进行自动锤击操作。

采用以上方法与现有技术相比，本发明具有以下优点：本发明利用有限元软件模拟与实际相结合，首先利用有限元软件进行数值模拟，探讨出可行方案然后再用设计的应力消除装置进行自动锤击，通过实验修正有限元模拟，最终利用有限元软件模拟指导实际生产。

利用有限元软件模拟激光填丝焊接修复模具的过程，可得到焊接过程的温度场、应力场以及焊后残余应力分布及大小的三维模型和理论数据，可利用有限元软件模拟代替实验。以此不仅可形象立体的展现焊接残余应力在焊接工件中的分布，也可节约实验成本和时间。模具一般都精细贵重，大量实验必将造成不必要的浪费和损耗，有限元软件模拟可弥补此不足。并且有限元软件可模拟各种参数下的焊接。在焊后利用锤击消除焊接残余应力方法的探究中，锤击位置的选择、锤击力的大小以及锤击频率的确定等锤击参数，可利用有限元软件进行模拟计算。模拟计算周期短，锤击效果也可利用有限元软件模拟，以此来修正锤击参数。

并且分析应力大小时还考虑到环境因子影响，这样分析更加准确。

而且在实际锤击修复前需要精确得到锤击力的大小以及锤击路径，这样能保证自动锤击的准确性，使它与模拟相符。

附图说明

图1为本发明模具修复锤击消除应力装置的结构示意图。

图2为焊缝中心单点锤击的示意图。

图3为焊缝中心顺次锤击的示意图。

图4为焊缝两侧依次锤击的示意图。

如图所示：1、底座；2、动力机构；3、锤头；4、摆动机构；5、第一活动支架；6、压力传感器；7、第二活动支架；8、位移传感器；9、稳固机构。

具体实施方式

以下结合附图与具体实施方式对本发明做进一步描述，但是本发明不仅限于以下具体实施方式。

一种模具修复锤击消除应力装置，控制器、底座1、设置在底座1上用于带动底座1在模具上移动的动力机构2、锤头3、设置在底座1上用于带动锤头3摆动进而锤击的摆动机构4、设置在底座1上的第一活动支架5、设置在第一活动支架5上用于测量锤头锤击力大小的压力传感器6、设置在底座1上的第二活动支架7以及设置在第二活动支架7上用于监测底座行走路线进而控制锤击位置的位移传感器8，所述动力机构2、摆动机构4、压力传感器6以及位移传感器8均与控制器电连接，所述底座1上还设有用于防止锤击过程中装置因为震动而偏移锤击路径的稳固机构9。其中，动力机构2主要为设置在底座上的滚轮以及用于带动滚轮转动的电机，滚轮也可以是能进行万向移动的机构，电机也可以是任意提供动力的动力装置；锤头3可拆卸更换，根据实际情况选择合适型号的锤头和锤头形状，其通过紧固螺栓与摆动机构相连。摆动机构4包括一转动杆以及一连接杆，锤头连接在连接杆上，且还包括一个带动转动杆转动的动力装置。两个活动支架都是通过紧固螺栓来手动调整位置的。压力传感器6为压电式压力传感器。稳固机构9为磁铁，具有强磁性，通过磁性使底座与模具或工作台吸附，防止在锤击过程中机构的震动和偏移。

一种模具修复锤击消除应力方法，它包括以下步骤：

（1）、建立模具裂纹激光修复后的应力场三维有限元模型；

在三维立体造型软件中建立工件的的几何模型，利用专业网格划分软件或有限元软件进行网格划分。具体的，在例如UG、Pro/E三维立体建模软件中根据模具的实际形状及尺寸进行建模，在HYPERMESH等专业网格划分软件中进行合理网格划分，即针对激光焊接模具修复应对焊接修复区的网格进行细化分，并逐渐过渡，对远离焊缝区的网格粗划分，以此在确保计算精度的基础上减少单元数量，提高计算速度。

（2）、计算分析模具激光修复后的应力大小以及分布；

通过热机耦合算法对热应力分析，计算激光模具修复后的应力大小及分布状态。

热源模型需采用广义双椭球热源模型。

边界条件需包括模具边界的约束条件、焊接方向和顺序、热交换条件。

求解计算时利用更新的拉格朗日法描述的热弹塑性进行热机耦合分析。

分析结果中需包含等效应力、横向应力、纵向应力、轴向应力等应力状态，以及弹性变形、塑性变形的变化分析。

（3）、利用有限元软件模拟计算单点锤击、多点锤击以及不同锤击顺序对模具激光修复后应力分布的改变状况，然后确定锤击参数以及锤击路径；

根据第二步得到的激光模具修复后的应力大小及分布状态，利用材料的应力应变属性，通过有限元软件的应力应变分析计算分析锤击效果。

先模拟分析单点锤击效果

首先利用压电式压力传感器测量0.5b、1b、2b锤头的锤击力的大小以及力的变化过程，选择激光焊接焊缝中心位置（如图2）进行单点锤击有限元模拟，分析锤击后应力的应力大小及分布状态，探究合理的锤击力的大小。

之后模拟分析多点锤击效果

根据焊缝的形状选择多点进行锤击。模具裂纹的形状和走势的差异，对焊后的残余应力的分布有显著影响。可选择焊缝的起始位置、结束位置、焊缝中心、焊趾处，多点锤击，模拟锤击效果。

然后确定合理的锤击顺序

模具激光修复焊缝较长时，单点锤击无法达到预期效果，多点锤击时锤击点的选择和安排对锤击效果有显著影响。多点锤击效果能否满足需要，与锤击点、锤击顺序的安排（如图3与图4）密切相关。因此通过有限元模拟探究合理的锤击顺序。

最后根据不同焊缝选择合理的锤击顺序并用计算机汇编语言对锤击位置的选择和锤击顺序进行编程并导入有限元软件中进行分析计算。

（4）、根据步骤（3）得到的锤击参数以及锤击路径进行锤击消除应力。

A、将应力消除装置放置到模具的恰当位置，然后通过第一活动支架将压力传感器设置在锤头下方；

B、更换锤头以及调节摆动机构的摆动高度，然后控制锤头锤击压力传感器，然后读取压力传感器检测到的锤击力大小，然后与步骤（3）确定的锤击参数中的锤击力大小进行比较，若两者之差小于X，则跳转到下一步；若两者之差大于X，则继续更换锤头或者调整摆动机构的摆动高度，直到压力传感器检测到的锤击力与步骤（3）确定的锤击参数中的锤击力两者之差小于X，所述X为设定的阈值；

C、按照步骤（3）中确定的锤击路经来设定应力消除装置的行走路径以及停顿位置，然后控制应力消除装置空走，同时通过位移传感器监测应力消除装置的行走路径以及停顿位置是否跟设定的行走路径以及停顿位置一样，若一样，则跳转到下一步；若不一样，则判断行走路径以及停顿位置设置有误，根据步骤（3）中确定的锤击路径重新设置应力消除装置的行走路径以及停顿位置，然后继续应力消除装置空走检测，直到位移传感器检测到的行走路径以及停顿位置与设定的行走路径以及停顿位置之间的误差小于Y；

D、控制应力消除装置回到初始位置，然后控制第一活动支架将压力传感器收起；

E、根据步骤（3）得到的锤击参数与锤击路径进行自动锤击操作。

步骤（2）中计算分析应力大小以及分布主要根据模具材料属性、焊接参数以及环境影响因子决定。

详细介绍以上步骤：

一、模具裂纹缺陷的产生位置和模具材料以及激光焊接修复模具焊接参数的确定。

模具种类繁多，不同用途的模具其所用材料也不同。不同材料的性能有一定的差异并且对激光焊接修复时焊接参数也有一定的影响。

裂纹的产生位置与模具使用过程中受力状况息息相关，改变模具裂纹产生处的应力状况将有助于提高模具修复后的使用寿命。

模具的使用过程中产生的裂纹等缺陷，以及修复区的大小不同，将决定激光焊接修复参数的不同。主要参数有焊接电流、焊接电压、焊接速度、焊接层数、是否开沟槽、是否填丝以及焊丝直径等。

二、利用有限元软件模拟激光焊接修复模具过程。

有限元软件利用数学近似的方法对真实物理系统（几何模型和载荷工况）进行模拟，可对焊接过程进行模拟，计算分析焊接过程以及焊后温度和应力的分布。

在有限元软件中输入材料参数（包括杨氏模量、密度、泊松比、屈服强度、热膨胀系数、导热率、比热容等）和焊接参数（包括焊接热源模型、焊接路径、焊接速度、焊接电压、焊接电流、焊接层数、焊丝直径等），通过有限元软件计算分析，可得到焊接过程中的焊接温度场和应力场的变化过程，以及焊后焊接应力场的分布情况。目前广泛使用的有限元分析软件ANSYS、MARC、ABAQUS等均可对焊接过程进行模拟计算，得到焊后焊接应力场的分布状况。

通过有限元软件计算分析得到模具激光焊接修复的应力场分布情况，可以直观的分析模具修复处应力的分布情况，并且有限元软件可计算模拟横向残余应力、纵向残余应力、等效残余应力等不同种类的应力分布。根据模具使用过程中不同应力对其造成的危害进行分别处理。通过有限元软件计算分析得到应力集中区并在实体模具上进行标定。

有限元软件计算分析的主要步骤：

有限元模型的建立

在有限元软件中根据模具实际尺寸建立模具三维实体模型。也可根据实际情况对模具模型进行适当的简化。模具模型的建立也可在Pro/E、UG等CAE软件中建立然后导入有限元软件中。

有限元模型网格的划分

对模型构件不同区域进行针对性的网格划分。有限元网格的划分对计算结果有较大的影响，因此网格划分应尽可能的细化。网格细化虽能提高计算精度，也增加了单元数量提高了计算工作量增大了工作时间。针对激光焊接模具修复应对焊接修复区的网格进行细化分，逐渐过渡对远离焊缝区的网格粗划分，以此在确保计算精度的基础上减小单元数量，提高计算速度。

材料属性和焊接参数以及环境影响因子的设定

材料属性主要包括杨氏模量、密度、泊松比、屈服强度、热膨胀系数、导热率、比热容等，因焊接过程涉及到材料的熔化和凝固过程，因此在有限元软件中需设定不同温度下材料的属性参数。

焊接参数包括焊接热源模型、焊接路径、焊接速度、焊接电压、焊接电流、焊接层数、焊丝直径等。焊接参数应根据实际焊接修复模具时采用的各个参数进行输入。其中热源模型在不同焊接方法和焊接参数下差异较大，因此应根据实际情况建立符合需求的焊接热源数学模型。

环境影响因子主要包括环境温度、湿度、工件的换热系数等。

边界条件的设定

边界条件指在焊接模拟计算时工件的位移的约束条件，不同边界约束将决定应力场分布以及应力的大小。边界条件应根据实际情况进行建立对有限元模型的约束。

焊接工况的设定

焊接工况包括焊接过程工况和焊后冷却工况。焊接工况中涉及焊接变形、焊后冷却方式等相关方面的数学模型，需要进行设定。

有限元计算分析内容的设定和有限元软件的计算分析

根据需要添加有限元分析内容，此处我们主要涉及热、应力、变形三个方面，因此可以把与此相关的分析内容进行添加。

后处理及结果分析

通过有限元软件计算分析我们可得到焊接过程中和焊后温度场、应力场以及工件变形的状况。

根据有限元软件模拟计算得到的焊接应力场分布结果可知，激光焊接模具修复焊接后残余应力主要集中在焊缝区和热影响区且应力较大。在焊缝起弧和收弧位置也产生较大残余应力。

三、利用有限元软件模拟锤击过程。

有限元软件可通过接触和外载荷的施加模拟锤击过程。利用有限元软件模拟锤击过程需要设定相应的锤击参数（锤击力的大小、锤击位置、锤击面积、锤击频率以及锤击次数等），利用软件计算可模拟计算出锤击后模具表面的应力变化以及锤击后模具表面应力分布状况。通过计算结果调整锤击参数，寻找恰当的锤击参数用于模具修复后残余应力的消除。

有限元软件模拟锤击过程步骤：

模拟单点锤击效果

首先利用有限元软件模拟单点锤击对模具修复区应力的改变状况，以此探究合理的锤击参数。

模拟多点锤击效果

利用单点锤击模拟得到的锤击参数探究多点锤击效果。此主要为锤击点的选择和安排提供数据依据。由于激光焊接模具修复焊接残余应力大，且集中在焊缝区和热影响区，因此锤击点的选择和布置比较集中，应确定合理的锤击次序。并在模具上进行标定如图3所示。并利用计算机编程语言对锤击点的选择和锤击路径进行编程。

四、根据模拟计算结果，利用设计的机构进行锤击消除应力，并修正模拟计算结果

锤击工具最常用有手锤、电磁锤、气锤以及超声波锤击仪等。不同的锤击设备其锤击参数不同，这些锤击设备的锤击效果在有限元模拟软件中都可以模拟计算，得到最优锤击参数。在实际模拟修复锤击消除应力时普遍采用手锤，下面对其进行详细说明。

常用手锤有0.23Kg（0.5b）、0.45Kg（1b）、0.91Kg（2b）三种型号，经测定这三种类型的手锤的锤击力大小分别约为3.86×103N、6.34×103N、10.27×103N。可根据实际模具尺寸大小，以及通过有限元软件计算出的锤击力的大小，选择合适的手锤型号。以上数据为焊工用稍大力气锤击，利用应变电测法测量得到，因此锤击时需要控制锤击力的大小和锤击位置。锤击位置应按照步骤二三中标定的位置进行。锤击力过大以及锤击位置不恰当，可能造成模具表面出现锤击裂纹以及模具表面被破坏。每个锤击位置的锤击次数和锤击频率应严格遵循有限元软件模拟计算得到的最佳锤击方案，防止锤击造成模具缺陷。

本发明通过有限元模拟、实验及微观组织分析相结合的研究方式，利用实验修正后的有限元模拟，可为实际的模具修复提供数据支持，并可指导实际生产。组织分析可从理论方面进行分析。本发明的锤击消除焊接残余应力的方法将对实际生产有指导意义。

1、提供了一种模具修复锤击消除内应力的技术规范，推广锤击方法在消除应力方面的应用。

2、形象立体的展现模具修复后的应力场，可根据模具的使用状况和缺陷的产生原因有针对性的消除相关应力，提高模具修复后的使用寿命。

3、设计了自动锤击消除焊接残余应力装置，将锤击参数可控并标准化，避免了手锤时的不确定性，和经验操作。

4、有限元模拟与自动锤击机构的配合使用，可推广锤击消除激光模具修复焊接残余应力的使用。

5、首先通过有限元软件模拟计算得到合理的锤击方法和锤击参数，然后锤击消除应力。可防止锤击不当对模具产生的损害以及锤击达不到预想效果而造成的生产成本的提高。

6、对焊接参数进行修正，确定更加合理的焊接参数，减小焊接造成的内应力。

7、锤击位置和锤击路径的选择通过程序编写针对同类型的模具修复可以直接导入到有限元软件进行分析计算。

Claims (5)

1.一种模具修复锤击消除应力装置，其特征在于：它包括控制器、底座（1）、设置在底座（1）上用于带动底座（1）在模具上移动的动力机构（2）、锤头（3）、设置在底座（1）上用于带动锤头（3）摆动进而锤击的摆动机构（4）、设置在底座（1）上的第一活动支架（5）、设置在第一活动支架（5）上用于测量锤头锤击力大小的压力传感器（6）、设置在底座（1）上的第二活动支架（7）以及设置在第二活动支架（7）上用于监测底座行走路线进而控制锤击位置的位移传感器（8），所述动力机构（2）、摆动机构（4）、压力传感器（6）以及位移传感器（8）均与控制器电连接。

2.根据权利要求1所述的模具修复锤击消除应力装置，其特征在于：所述底座（1）上还设有用于防止锤击过程中装置因为震动而偏移锤击路径的稳固机构（9）。

3.一种模具修复锤击消除应力方法，其特征在于：它包括以下步骤：

(1)、建立模具裂纹激光修复后的应力场三维有限元模型；

(2)、计算分析模具激光修复后的应力大小以及分布；

(3)、利用有限元软件模拟计算单点锤击、多点锤击以及不同锤击顺序对模具激光修复后应力分布的改变状况，然后确定锤击参数以及锤击路径；

(4)、根据步骤（3）得到的锤击参数以及锤击路径进行锤击消除应力。

4.根据权利要求3所述的模具修复锤击消除应力方法，其特征在于：步骤（2）中计算分析应力大小以及分布主要根据模具材料属性、焊接参数以及环境影响因子决定。

5.根据权利要求3所述的模具修复锤击消除应力方法，其特征在于：步骤（4）包括以下步骤：

A、将应力消除装置放置到模具的恰当位置，然后通过第一活动支架将压力传感器设置在锤头下方；

B、锤头以及调节摆动机构的摆动高度，然后控制锤头锤击压力传感器，然后读取压力传感器检测到的锤击力大小，然后与步骤（3）确定的锤击参数中的锤击力大小进行比较，若两者之差小于X，则跳转到下一步；若两者之差大于X，则继续更换锤头或者调整摆动机构的摆动高度，直到压力传感器检测到的锤击力与步骤（3）确定的锤击参数中的锤击力两者之差小于X，所述X为设定的阈值；

C、步骤（3）中确定的锤击路经来设定应力消除装置的行走路径以及停顿位置，然后控制应力消除装置空走，同时通过位移传感器监测应力消除装置的行走路径以及停顿位置是否跟设定的行走路径以及停顿位置一样，若一样，则跳转到下一步；若不一样，则判断行走路径以及停顿位置设置有误，根据步骤（3）中确定的锤击路径重新设置应力消除装置的行走路径以及停顿位置，然后继续应力消除装置空走检测，直到位移传感器检测到的行走路径以及停顿位置与设定的行走路径以及停顿位置之间的误差小于Y；

D、应力消除装置回到初始位置，然后控制第一活动支架将压力传感器收起；

E、据步骤（3）得到的锤击参数与锤击路径进行自动锤击操作。