CN107739813A - 一种用于消除结构件残余应力的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于消除结构件残余应力的装置及方法，该装置包含激振器、工装板、加工结构件和基板，激振器和加工结构件设置在工装板上；当激振器振动时，加工结构件与激振器共振，加工结构件振动时产生的内部变形会消除应力；基板与工装板连接并支撑工装板；该方法为：设计加工结构件的安装方式；进行预分析，分析可能出现的振形，选择加工结构件的支撑方式和激振器的装夹方式；进行试振过程；再确定激振器的参数，开始振动处理。本发明可以避免结构件经热时效去应力后材料的屈服强度与抗拉强度的下降，从而保证结构件的力学性能不受影响，可降低和均化结构件内部的残余应力，提高尺寸稳定性，为后续精加工工序奠定基础。

Description

一种用于消除结构件残余应力的装置及方法

技术领域

本发明涉及航天航空零件机械加工技术领域，特别涉及一种用于消除结构件残余应力的装置及方法。

背景技术

金属结构件在进行机械加工过程中产生的残余应力会是工件产生应力变形和失效，尺寸精度达不到保证。其产生的原因主要是冷态塑性变形、热态塑性变形、金相组织变化等。目前一般采用热时效的方法，把零件放进热时效炉中加热到塑性状态的温度范围，在此温度下保温一定的时间，使应力消除，再缓慢冷却，是一种相对成熟的残余应力去除方法。但是一般热时效的消应力效果为40-80％，在局部热时效实施比较困难，耗能大，污染重的缺点。特别是对于航空航天预研型号中少量以及单件零件的加工中,使用成本较高。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于消除结构件残余应力的装置及方法，其是利用振动时效消除应力，通过机械组装形成了一整套消除应力设备，使被处理的加工结构件产生共振，并通过这种共振方式将一定的振动能量传递到加工结构件的所有部位，使加工结构件内部发生微观的塑性变形，从而可以使加工结构件在短时间内达到消除应力的作用。

为达到上述目的，本发明提供了一种用于消除结构件残余应力的装置，其包含：

作为振动源的激振器，其设置在工装板上；

振动时产生的内部变形会消除内部应力的加工结构件，其设置在所述工装板上；当所述激振器振动时，所述加工结构件与所述激振器共振；

支撑所述工装板的基板，其与所述工装板连接。

优选地，所述激振器设置在所述工装板的中心位置，所述激振器通过螺钉固定在工装板上。

优选地，所述工装板设置有两个加工结构件，所述激振器设置在两个加工结构件之间。

优选地，所述加工结构件通过工装压板固定在所述工装板上，或者所述加工结构件通过螺钉固定在所述工装板上。

优选地，所述基板位于所述工装板的下方；所述基板为平整的地面，或者，所述基板是一种当激振器振动时不移动的金属板结构。

优选地，所述工装板通过支撑螺钉与所述基板连接，所述支撑螺钉的外侧同轴安装有弹簧；基板设置有与支撑螺钉匹配的若干个螺钉孔，工装板设置有与支撑螺钉匹配的若干个孔眼；所述支撑螺钉一端与基板的螺钉孔匹配连接，其另一端与工装板的孔眼连接。

本发明还提供了一种采用用于消除结构件残余应力的装置的消除结构件残余应力方法，该方法为

a、根据加工结构件的形状来设计其安装的方式；

b、预分析：根据加工结构件的形状或结构特征，分析可能出现的振形，选择所述加工结构件的支撑方式和激振器的装夹方式；

c、试振过程：其包含：

初步测试加工固定件的固有频率；

验证步骤b的分析是否正确，若加工结构件试振时发生的振型与其所需要的振型不一致时，则对所述激振器进行调整；

d、确定所述激振器的参数，开始振动处理。

优选地，所述加工结构件为支架，或框架，或内部的骨架，或支撑定位架；所述加工结构件的结构特征包含直线度、圆柱度、平面度、同轴度和对称度。

优选地，所述激振器的参数包含装夹位置、激振器频率和激振力。

优选地，该方法的步骤为：

S1：制作基板，在所述基板上设置螺钉孔，并选择所述螺钉孔的数量；

S2：螺钉孔处同轴安装支撑螺钉和弹簧；

S3：制作工装板，将工装板连接在支撑螺钉上方，通过所述支撑螺钉及弹簧进行支撑；

S4：对加工结构件及激振器进行装夹；

S5：设定激振器的振动时间；

S6：开始激振器的试振过程，调整其振动参数；

S7：开始振动处理。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

(1)本发明所处理的结构件的残余应力可以被消除最高可达80％左右，提高结构件使用强度和疲劳寿命，降低应力腐蚀，提高结构件抗变形的能力，稳定构件的精度，机械性能显著提高。

(2)本发明可避免经热时效后材料的屈服强度与抗拉强度均下降，而振动时效后材料的屈服强度和抗拉强度基本上不改变或有升高。

(3)本发明的适用性较强，由于设备简单易于搬动，因此可以在任何场地上进行处理，它不受构件大小和材料的限制。

(4)节省成本，本发明只需30分钟即可进行下道工序，而热时效至少需一至二天以上，且需大量的煤油、电等能源，相对于热时效来说，可节省能源90％以上，可节省费用90％以上。

附图说明

图1本发明的待加工结构件的示意图；

图2本发明的用于消除结构件残余应力的装置的示意图。

其中，1.基板；2.弹簧；2-1.支撑螺钉；3.工装板；4.激振器；5.加工结构件；6.工装压板。

具体实施方式

本发明提供了一种用于消除结构件残余应力的装置及方法，为了使本发明更加明显易懂，以下结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

如图2所示，本发明的一种用于消除结构件残余应力的装置，其主要包含基板1、工装板3、激振器4和加工结构件5。

基板1设置于地面上，起支撑作用。基板1是本发明装置的基础，基板1可以是平整的地面，或者是稳重的金属板等；且其在振动过程中保证不会移动。基板1可以是一种矩形结构，在基板1上表面的四个顶点附近各自设置有一个螺钉孔。每个螺钉孔处都固定连接有一个支撑螺钉2-1。该螺钉孔的直径略大于支撑螺钉2-1下部的直径，使得能顺利安装支撑螺钉2-1。

工装板3通过支撑螺钉2-1和弹簧2固定在基板1上。工装板3上设置有若干个孔眼，该孔眼的大小、位置和数量与支撑螺钉2-1相匹配，使得每个支撑螺钉2-1穿过工装板3的对应孔眼，并通过螺栓将工装板3和支撑螺钉2-1固定连接。弹簧2和支撑螺钉2-1同轴安装，有利于钉2-1与基板1和工装板3之间的固定作用。

工装板板3是激振器4与加工结构件5的安装板，工装板3的上表面放置有一个激振器4和两个加工结构件5。激振器4设置在两个加工结构件5之间，且激振器安装在工装板3的中心位置。

其中，第一加工结构件5靠近工装板3的第一侧A1，第二加工结构件5靠近工装板3的第三侧A3。第一加工结构件5的第一端靠近工装板3的第四侧A4，第二加工结构件5的第二端靠近工装板3的第二侧A2。

第一加工结构件5与工装板3第一侧A1的距离和第二加工结构件5与离工装板3第三侧A3的距离相匹配，使得工装板3上表面受力均匀和平稳。

第一加工结构件5的第一端和第二端分别连接有一个工装压板6，该工装压板6与工装板3的第一侧A1连接，使得第一加工结构件5固定连接在工装板3上。

第二加工结构件5的第一端和第二端分别连接有一个工装压板6，该工装压板6与工装板3的第三侧A3连接，使得第二加工结构件5固定连接在工装板3上。

加工结构件5不仅可通过工装压板6固定在工装板3上，还可通过螺钉固定在工装板3上，主要根据自身特征进行选择。加工结构件5与激振器4的位置关系需要根据试振的结果进行调整。

激振器4可通过螺钉刚性地固定在工装板3上。激振器4相当于振动源，当激振器4振动时，使被处理的加工结构件5产生共振，并通过这种共振方式将一定的振动能量传递到加工结构件5的所有部位，使加工结构件5内部发生微观的塑性变形，从而可以使加工结构件5在短时间内达到消除应力的作用。

其中，基板1的形状不仅限于本实施例的形状，还可以是其他的形状。支撑螺钉2-1在基板1上位置和支撑螺钉2-1的数量也不仅限于本实施例。支撑螺钉2-1的位置可保证其上面的工装板3受力平稳，支撑螺钉2-1的数量能保证工装板3受力平稳且工装板3上的激振器4和加工结构件5平稳受力。

本发明基于用于消除结构件残余应力的装置，还提供了一种消除结构件残余应力的方法，具体如下：

(一)步骤S1：生产前准备：主要包含设备检查、导线连接和工作场地的选取。

(二)步骤S2：根据加工结构件5的形状来设计其安装的方式；例如，加工结构件5可以是支架、框架、内部的骨架及支撑定位架等，其安装的方式可以是固定底平面的着力点。图1为本发明的加工结构件的示意图。

(三)步骤S3：根据加工结构件5的形状，分析可能出现的振形，正确地对加工结构件5进行支撑以及激振器4的装夹。例如，根据加工结构件5的直线度、圆柱度、平面度、同轴度、对称度等特征，来确定激振器4的装夹位置；所以，步骤S3相当于预分析。

示例地，

S31：制作基板1，在基板1的上表面的适当位置安装螺钉孔，选择螺钉孔的数量。

S32：在螺钉孔处同轴安装支撑螺钉2-1和弹簧2。

S33：制作工装板3，将工装板3固定连接在支撑螺钉2-1上方，并通过支撑螺钉2-1及弹簧2进行支撑。

S34：对加工结构件5及激振器4进行装夹。

(四)步骤S4：试振过程：其为实际振动操作。如果试振和预分析有所差别时就进行调整，试振期间进行调整并确定激振器4的频率、激振力和振动时间等。

其中，试振过程包含：

(a)、初步测试工件的固有频率：其目的是为了测出加工结构件5的固有频率，根据振动时观察到的时域波形和频谱显示，频谱的峰值处为加工结构件5的固有频率。

(b)、验证步骤S3的分析是否正确：分析振型；若加工结构件5试振时发生的振型与其所需要的振型不一致时，表示动应力没有加到加工结构件5需要去除应力的部位，则不能使加工结构件5达到预期的时效，影响效果。所以需要调整激振器4的装夹位置、激振器频率和激振力等。

示例地，

S41：设定激振器4的振动时间，一般设定为30分钟，当加工结构件5为小型结构件时，其振动时效处理时间设定为25分钟；当加工结构件5为大型工件时，其振动时效处理时间为30-60分钟。

S42：开始试振过程，并调整振动参数，如激振器4的频率、激振力、振动时间等。

(五)步骤S5：根据步骤S4的结果来确定激振器频率、激振力和振动时间；然后开始振动处理过程，最终获得所需结果。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (10)

1.一种用于消除结构件残余应力的装置，其特征在于，其包含：

作为振动源的激振器(4)，其设置在工装板(3)上；

振动时产生的内部变形会消除内部应力的加工结构件(5)，其设置在所述工装板(3)上；当所述激振器(4)振动时，所述加工结构件(5)与所述激振器(4)共振；

支撑所述工装板(3)的基板(1)，其与所述工装板(3)连接。

2.如权利要求1所述的一种用于消除结构件残余应力的装置，其特征在于，所述激振器(4)设置在所述工装板(3)的中心位置，所述激振器(4)通过螺钉固定在工装板(3)上。

3.如权利要求1所述的一种用于消除结构件残余应力的装置，其特征在于，所述工装板(3)设置有两个加工结构件(5)，所述激振器(4)设置在两个加工结构件(5)之间。

4.如权利要求1所述的一种用于消除结构件残余应力的装置，其特征在于，所述加工结构件(5)通过工装压板(6)固定在所述工装板(3)上，或者所述加工结构件(5)通过螺钉固定在所述工装板(3)上。

5.如权利要求1所述的一种用于消除结构件残余应力的装置，其特征在于，所述基板(1)位于所述工装板(3)的下方；

所述基板(1)为平整的地面，或者，所述基板(1)是一种当激振器(4)振动时不移动的金属板结构。

6.如权利要求1所述的一种用于消除结构件残余应力的装置，其特征在于，所述工装板(3)通过支撑螺钉(2-1)与所述基板(1)连接，所述支撑螺钉(2-1)的外侧同轴安装有弹簧(2)；

基板(1)设置有与支撑螺钉(2-1)匹配的若干个螺钉孔，工装板(3)设置有与支撑螺钉(2-1)匹配的若干个孔眼；

所述支撑螺钉(2-1)一端与基板(1)的螺钉孔匹配连接，其另一端与工装板(3)的孔眼连接。

7.一种采用如权利要求1-6任意一项所述的用于消除结构件残余应力的装置的消除结构件残余应力的方法，其特征在于，该方法为：

a、根据加工结构件(5)的形状来设计其安装的方式；

b、预分析：根据加工结构件(5)的形状或结构特征，分析可能出现的振形，选择所述加工结构件(5)的支撑方式和激振器(4)的装夹方式；

c、试振过程：其包含：

初步测试加工固定件(5)的固有频率；

验证步骤b的分析是否正确，若加工结构件(5)试振时发生的振型与其所需要的振型不一致时，则对所述激振器(4)进行调整；

d、确定所述激振器(4)的参数，开始振动处理。

8.如权利要求7所述的一种消除结构件残余应力的方法，其特征在于，所述加工结构件(5)为支架，或框架，或内部的骨架，或支撑定位架；

所述加工结构件(5)的结构特征包含直线度、圆柱度、平面度、同轴度和对称度。

9.如权利要求7所述的一种消除结构件残余应力的方法，其特征在于，所述激振器(4)的参数包含装夹位置、激振器频率和激振力。

10.如权利要求7所述的一种消除结构件残余应力的方法，其特征在于，该方法的步骤为：

S1：制作基板(1)，在所述基板(1)上设置螺钉孔，并选择所述螺钉孔的数量；

S2：螺钉孔处同轴安装支撑螺钉(2-1)和弹簧(2)；

S3：制作工装板(3)，将工装板(3)连接在支撑螺钉(2-1)上方，通过所述支撑螺钉(2-1)及弹簧(2)进行支撑；

S4：对加工结构件(5)及激振器(4)进行装夹；

S5：设定激振器(4)的振动时间；

S6：开始激振器(4)的试振过程，调整其振动参数；

S7：开始振动处理。