CN106834657A - 一种多维高频微观振动时效系统及方法 - Google Patents

Abstract

多维高频微观振动时效系统，包括上位机系统、任意波形发生卡、功率驱动器、多维高频激振器、多维传感器、二次仪表、数据采集卡、支撑装置；上位机系统控制任意波形发生卡输出正弦激振信号，并通过功率驱动器输入到多维高频激振器，驱动多维高频激振器产生多维高频振动。多维高频微观振动时效消除残余应力的方法包括通过X射线衍射法获取工件表面的残余应力分布状态；多维高频激振器固定在工件的残余应力峰值处；确定多维高频微观振动时效的激振频率；对工件进行多维高频微观振动时效处理，直至上位机系统中显示的多维振动信号的幅值稳定为止。本发明具有能够消除工件各个方向上的残余应力、提高残余应力消除效果的优点。

Description

一种多维高频微观振动时效系统及方法

技术领域

本发明涉及振动时效技术领域，特指一种多维高频微观振动时效系统及方法。

技术背景

振动时效技术是机械工程领域中广泛使用的残余应力消除方法，即对工件施加机械振动载荷，当工件内部的残余应力与附加的动应力之和超过材料的屈服极限时，材料内部将会发生塑性变形，从而使得材料内部的残余应力得以释放。

目前振动时效技术主要包括低频振动时效技术、频谱谐波振动时效技术、高频振动时效技术以及超声振动时效技术，其中低频振动时效技术和频谱谐波振动时效技术是采用偏心轮式电机作为激振器，通过配置不同质量的偏心轮为待处理的构件提供不同幅值的离心作用力，即对待处理的构件作用了不同幅值的动应力，这样的离心作用力可以分解为两个正交方向上的动应力，所以低频振动时效技术和频谱谐波振动时效技术的激振方向是二维的，能够实现对工件进行二维振动时效处理，但是这种形式的二维振动时效处理技术是由激振器本身的特性决定的，因此低频振动时效技术和频谱谐波振动时效技术并不是真正意义上的多维振动时效技术。同时低频振动时效技术采用偏心轮式电机作为激振器导致其激振频率通常小于200Hz，这表明低频振动时效技术和频谱谐波振动时效技术的可选振型非常有限；同时低频振动时效技术和频谱谐波振动时效技术是通过对构件进行整体激振的方式来消除残余应力的，这都导致了低频振动时效技术和频谱谐波振动时效技术在消除构件的局部残余应力或大型复杂构件的残余应力时效果有限。

高频振动时效技术和超声振动时效技术可以统称为高频微观振动时效技术，是将激振频率大于1kHz的高频振动能量注入到材料内部，作用在构件上的振动幅值为微米级别，相对于传统低频振动时效技术和频谱谐波振动时效技术的大振幅激励(激振幅值为毫米级别)，可以保护构件不受疲劳损伤的危险，适合于消除构件的局部残余应力和大型复杂构件的残余应力。然而高频微观振动时效技术的振动方向是轴向振动，属于单维振动时效技术。低频振动时效技术、频谱谐波振动时效技术以及高频微观振动时效技术对构件进行振动时效处理时，通常不考虑材料内部残余应力的方向而完成激振处理，导致残余应力的消除效果较差。Munsi A.S.M.Y.等人在文献《Vibratory stress relief-aninvestigation of the torsional stress effect in welded shafts》中研究发现对焊接杆件施加扭转振动载荷，可以在作用较小动应力的情况下得到较好的时效效果。综上所述，对待处理的构件进行振动时效处理时根据材料内部残余应力的方向选择适当的激振方向，可以获得最佳的振动时效效果；在不了解材料内部残余应力分布的情况下，采用多维激振是得到较好振动时效效果的有效方法，但是对于多维振动时效技术的研究却未曾见到。因此为了提高振动时效技术消除构件的局部残余应力和大型复杂构件的残余应力的效果，本发明提出一种多维高频微观振动时效系统及方法。

发明内容

为了提高振动时效技术消除工件的局部残余应力和大型复杂工件的残余应力的效果，本发明提出一种多维高频微观振动时效系统及方法，所谓“多维高频微观振动时效”是指对工件进行多方向的高频微观激振，从而达到消除工件各个方向上的残余应力、提高残余应力消除效果的目的。

多维高频微观振动时效系统，包括上位机系统、任意波形发生卡、功率驱动器、多维高频激振器、多维传感器、二次仪表、数据采集卡、支撑装置；多维高频激振器固定在工件的表面上，工件安装在具有弹性的支撑装置上。

上位机系统控制任意波形发生卡输出幅值和频率均独立且连续可调的正弦激振信号；任意波形发生卡输出的激振信号通过功率驱动器输入到多维高频激振器，驱动多维高频激振器产生多维高频振动，由此将多维高频振动能量作用在工件上。

多维传感器安装在工件的表面上，并将采集到的工件多维振动信号输入到二次仪表；二次仪表将输入的多维振动信号进行处理后，输入到数据采集卡；数据采集卡的输出端与上位机系统相互连接；上位机系统通过用户界面将获取的多维振动信号显示给用户，用于监测工件的多维振动响应。

具体来说，多维高频激振器固定在工件的表面上，对工件进行多维高频激振，即对工件进行多维高频微观振动时效处理。多维传感器的输出信号用于表征多维高频激振器输出的高频振动能量，即用于表征作用在工件上的高频振动能量。上位机系统实时显示多维传感器的输出信号，即上位机系统实时显示多维高频激振器输出的高频振动能量。对工件进行多维高频微观振动时效处理，能够达到消除工件各个方向上的残余应力、提高残余应力消除效果的目的。

多维高频激振器采用单向高频激振器合成，用于产生激振频率大于1kHz的多维高频微观振动。

多维传感器采用单向测振传感器合成，用于采集工件的多维振动信号，从而实现监测工件的多维振动响应的目的。

进一步，数据采集卡为多通道高速数据采集卡。

进一步，任意波形发生卡为多通道任意波形发生卡。

进一步，功率驱动器为多通道功率驱动器。

进一步，支撑装置为具有弹性的支撑装置。

使用多维高频微观振动时效系统消除工件残余应力的方法包括以下步骤：

(1)通过X射线衍射法获取工件表面的残余应力分布状态，确定峰值残余应力在工件的具体位置，以及主应力的方向。

(2)在工件的残余应力峰值处安装多维高频激振器，多维高频激振器的激振方向与主应力的方向保持一致。

(3)在工件的表面安装多维传感器，多维传感器的测振方向与主应力的方向保持一致。

(4)通过支撑装置对工件进行支撑，以便多维高频激振器对工件进行激振；接通信号连线，接通电源。

(5)上位机系统控制任意波形发生卡对工件进行扫频振动，从而自动确定任意波形发生卡输出的多维高频微观振动时效的激振频率f_i(i＝1,…,N,N为正整数，并且N＝3)。

(6)缓慢调节功率驱动器的增益旋钮使得功率驱动器输出恒定的电流I_i(i＝1,…,N,N为正整数，并且N＝3)，驱动多维高频激振器对工件进行多维高频微观振动时效处理，直至上位机系统中显示的多维传感器采集回来的多维振动信号的幅值稳定为止。

所述信号连线包括上位机系统与任意波形发生卡之间的信号连线；任意波形发生卡与功率驱动器之间的信号连线；功率驱动器与多维高频激振器之间的信号连线；多维传感器与二次仪表之间的信号连线；二次仪表与数据采集卡之间的信号连线；数据采集卡与上位机系统之间的信号连线；所述电源包括上位机系统、任意波形发生卡、功率驱动器、多维高频激振器、二次仪表和数据采集卡。

本发明的技术构思是：由上位机系统、任意波形发生卡、功率驱动器、多维高频激振器、多维传感器、二次仪表以及数据采集卡构成多维高频微观振动时效系统；工件与多维高频激振器相互固定连接；通过支撑装置对工件进行支撑，以便多维高频激振器对工件进行激振；上位机系统自动确定任意波形发生卡输出的多维高频微观振动时效的激振频率f_i(i＝1,…,N,N为正整数，并且N＝3)；缓慢调节功率驱动器的增益旋钮使得功率驱动器输出恒定的电流I_i(i＝1,…,N,N为正整数，并且N＝3)，驱动多维高频激振器对工件进行多维高频微观振动时效处理，直至上位机系统中显示的多维传感器采集回来的多维振动信号的幅值稳定为止。

本发明的有益效果如下：

1、本发明采用的多维高频激振器产生的高频振动幅值属于微米级别，能够对工件进行安全的时效处理，可以保护工件不受疲劳损伤的危险。

2、本发明中多维高频激振器的激振位置和激振方向是根据工件内部残余应力的分布状态来确定的，能够实现对工件内部残余应力进行振动定位和定向的消除，即实现对工件内部的残余应力进行精确的定位和定向消除。

3、采用本发明提出的多维高频微观振动时效系统对工件残余应力峰值所在的局部区域或者大型复杂工件的残余应力峰值所在的区域进行多维高频微观振动时效处理，能够消除工件局部区域各个方向上的残余应力或者大型复杂工件各个方向上的残余应力，因而本发明提出的多维高频微观振动时效系统尤其适合于消除工件的局部残余应力和大型复杂工件的残余应力。

4、多维高频微观振动时效能够对工件进行多方向的微观激振，从而达到消除各个方向上的残余应力、提高残余应力均化效果的目的，即工件各个方向上的残余应力数值更加接近，这样有利于提高工件各个方向上的性能。

5、多维高频微观振动时效能够对工件进行多方向的微观激振，从而达到消除各个方向上的残余应力、提高残余应力消除效果的目的。

6、多维高频微观振动时效系统对工件进行多维高频微观振动时效处理的过程由上位机系统进行控制，无需手动操作，减少了工作量，提高了工作的效率。

附图说明

图1 多维高频微观振动时效系统示意图

图2 AISI 1045钢试样尺寸示意图

图3 脉冲激光表面辐射示意图

图4 AISI 1045钢试样多维高频微观振动时效处理示意图

图5a 单维高频微观振动时效处理前后的残余应力测试结果

图5b 多维高频微观振动时效处理前后的残余应力测试结果

具体实施方式

参照附图，进一步说明本发明：

多维高频微观振动时效系统，包括上位机系统、任意波形发生卡、功率驱动器、多维高频激振器、多维传感器、二次仪表、数据采集卡、支撑装置1；多维高频激振器固定在工件2的表面上，工件2安装在具有弹性的支撑装置1上。

上位机系统控制任意波形发生卡输出幅值和频率均独立且连续可调的正弦激振信号；任意波形发生卡输出的激振信号通过功率驱动器输入到多维高频激振器，驱动多维高频激振器产生多维高频振动，由此将多维高频振动能量作用在工件2上。

多维传感器安装在工件2的表面上，并将采集到的工件2多维振动信号输入到二次仪表；二次仪表将输入的多维振动信号进行处理后，输入到数据采集卡；数据采集卡的输出端与上位机系统相互连接；上位机系统通过用户界面将获取的多维振动信号显示给用户，用于监测工件2的多维振动响应。

具体来说，多维高频激振器固定在工件2的表面上，对工件2进行多维高频激振，即对工件2进行多维高频微观振动时效处理。多维传感器的输出信号用于表征多维高频激振器输出的高频振动能量，即用于表征作用在工件2上的高频振动能量。上位机系统实时显示多维传感器的输出信号，即上位机系统实时显示多维高频激振器输出的高频振动能量。对工件2进行多维高频微观振动时效处理，能够达到消除工件2各个方向上的残余应力、提高残余应力消除效果的目的。

多维高频激振器采用单向高频激振器合成，用于产生激振频率大于1kHz的多维高频微观振动。

多维传感器采用单向测振传感器合成，用于采集工件2的多维振动信号，从而实现监测工件2的多维振动响应的目的。

进一步，数据采集卡为多通道高速数据采集卡。

进一步，任意波形发生卡为多通道任意波形发生卡。

进一步，功率驱动器为多通道功率驱动器。

进一步，支撑装置1为具有弹性的支撑装置1。

使用多维高频微观振动时效系统消除工件2残余应力的方法包括以下步骤：

(1)通过X射线衍射法获取工件2表面的残余应力分布状态，确定峰值残余应力在工件2的具体位置，以及主应力的方向。

(2)在工件2的残余应力峰值处安装多维高频激振器，多维高频激振器的激振方向与主应力的方向保持一致。

(3)在工件2的表面安装多维传感器，多维传感器的测振方向与主应力的方向保持一致。

(4)通过支撑装置1对工件2进行支撑，以便多维高频激振器对工件2进行激振；接通信号连线，接通电源。

(5)上位机系统控制任意波形发生卡对工件2进行扫频振动，从而自动确定任意波形发生卡输出的多维高频微观振动时效的激振频率f_i(i＝1,…,N,N为正整数，并且N＝3)。

(6)缓慢调节功率驱动器的增益旋钮使得功率驱动器输出恒定的电流I_i(i＝1,…,N,N为正整数，并且N＝3)，驱动多维高频激振器对工件进行多维高频微观振动时效处理，直至上位机系统中显示的多维传感器采集回来的多维振动信号的幅值稳定为止。

所述信号连线包括上位机系统与任意波形发生卡之间的信号连线；任意波形发生卡与功率驱动器之间的信号连线；功率驱动器与多维高频激振器之间的信号连线；多维传感器与二次仪表之间的信号连线；二次仪表与数据采集卡之间的信号连线；数据采集卡与上位机系统之间的信号连线；所述电源包括上位机系统、任意波形发生卡、功率驱动器、多维高频激振器、二次仪表和数据采集卡。

如图1多维高频微观振动时效系统示意图所示，在步骤(2)中，多维高频激振器的激振方向与主应力的方向保持一致指的是：x轴向的高频激振器的激振方向F_x与第一主应力的方向保持一致，y轴向的高频激振器的激振方向F_y与第二主应力的方向保持一致，z轴向的高频激振器的激振方向F_z与第三主应力的方向保持一致。

如图1多维高频微观振动时效系统示意图所示，在步骤(3)中，多维传感器的测振方向与主应力的方向保持一致指的是：测试x轴向振动信号的传感器(测振方向为a_x)与第一主应力的方向保持一致，测试y轴向振动信号的传感器(测振方向为a_y)与第二主应力的方向保持一致，测试z轴向振动信号的传感器(测振方向为a_z)与第三主应力的方向保持一致。

在步骤(5)中，多维高频微观振动时效的激振频率f_i(i＝1,…,N,N为正整数，并且N＝3)主要包括：激振频率f₁为x轴向高频激振器的激振频率，激振频率f₂为y轴向高频激振器的激振频率，激振频率f₃为z轴向高频激振器的激振频率。

在步骤(6)中，电流I_i(i＝1,…,N,N为正整数，并且N＝3)主要包括：电流I₁为输入x轴向高频激振器的电流，电流I₂为输入y轴向高频激振器的电流，电流I₃为输入z轴向高频激振器的电流。

对图2中的AISI 1045钢试样分别进行单维高频微观振动消除残余应力的处理和多维高频微观振动消除残余应力的处理。该试样的长度为300mm，宽度为40mm，厚度为6mm。为了在试样的表层产生初始残余应力，本发明中采用图3所示的脉冲激光表面辐射工艺对试样表面进行脉冲激光表面辐射处理。在脉冲激光辐射的区域，试样表面温度快速升高，材料表面发生微观组织的转变，即试样表面产生图3所示的热损伤区域，在该热损伤区域内材料表层产生了较大的拉伸残余应力，经过X射线衍射法分析发现试样x轴向和y轴向的残余应力最大，结果见图5。

若采用传统的高频微观振动时效工艺对试样进行处理，仅仅作用图4所示的z轴向的高频微观振动，即对试样进行单维高频微观振动时效处理，高频微观振动时效的条件为：激振频率为20kHz，高频微观振动的功率为800W，高频微观振动的时间为5min，此时试样单维高频微观振动时效处理前后的残余应力结果见图5a。采用本发明中的多维高频微观振动时效工艺对试样进行处理，对试样作用图4所示的x轴向的高频微观振动，y轴向的高频微观振动和z轴向的高频微观振动，三个方向上的高频微观振动时效的条件为：激振频率为20kHz，高频微观振动的功率为800W，高频微观振动的时间为5min，此时试样多维高频微观振动时效处理前后的残余应力结果见图5b。

通过图5a和图5b的残余应力测试结果表明，多维高频微观振动时效能够提高残余应力的消除效果。对比图5a和图5b残余应力测试结果表明，试样经过多维高频微观振动时效处理后，其x轴向和y轴向的残余应力数值更加接近，表明多维高频微观振动时效具有较好的残余应力均化效果，有利于提高试样各个方向上的性能。

本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。

Claims (4)

1.多维高频微观振动时效系统，包括上位机系统、任意波形发生卡、功率驱动器、多维高频激振器、多维传感器、二次仪表、数据采集卡、支撑装置；多维高频激振器固定在工件的表面上，工件安装在具有弹性的支撑装置上。

上位机系统控制任意波形发生卡输出幅值和频率均独立且连续可调的正弦激振信号；任意波形发生卡输出的激振信号通过功率驱动器输入到多维高频激振器，驱动多维高频激振器产生多维高频振动，由此将多维高频振动能量作用在工件上。

多维传感器安装在工件的表面上，并将采集到的工件多维振动信号输入到二次仪表；二次仪表将输入的多维振动信号进行处理后，输入到数据采集卡；数据采集卡的输出端与上位机系统相互连接；上位机系统通过用户界面将获取的多维振动信号显示给用户，用于监测工件的多维振动响应。

2.如权利要求1所述的多维高频微观振动时效系统，其特征在于：数据采集卡为多通道高速数据采集卡，任意波形发生卡为多通道任意波形发生卡，功率驱动器为多通道功率驱动器，支撑装置为具有弹性的支撑装置。

3.使用如权利要求1所述的多维高频微观振动时效系统消除工件残余应力的方法包括以下步骤：

(1)通过X射线衍射法获取工件表面的残余应力分布状态，确定峰值残余应力在工件的具体位置，以及主应力的方向。

(2)在工件的残余应力峰值处安装多维高频激振器，多维高频激振器的激振方向与主应力的方向保持一致。

(3)在工件的表面安装多维传感器，多维传感器的测振方向与主应力的方向保持一致。

(4)通过支撑装置对工件进行支撑，以便多维高频激振器对工件进行激振；接通信号连线，接通电源。

(5)上位机系统控制任意波形发生卡对工件进行扫频振动，从而自动确定任意波形发生卡输出的多维高频微观振动时效的激振频率f_i(i＝1,…,N,N为正整数，并且N＝3)。

(6)缓慢调节功率驱动器的增益旋钮使得功率驱动器输出恒定的电流I_i(i＝1,…,N,N为正整数，并且N＝3)，驱动多维高频激振器对工件进行多维高频微观振动时效处理，直至上位机系统中显示的多维传感器采集回来的多维振动信号的幅值稳定为止。

4.如权利要求3所述的多维高频微观振动时效消除残余应力的方法，其特征在于：所述信号连线包括上位机系统与任意波形发生卡之间的信号连线；任意波形发生卡与功率驱动器之间的信号连线；功率驱动器与多维高频激振器之间的信号连线；多维传感器与二次仪表之间的信号连线；二次仪表与数据采集卡之间的信号连线；数据采集卡与上位机系统之间的信号连线；所述电源包括上位机系统、任意波形发生卡、功率驱动器、多维高频激振器、二次仪表和数据采集卡。