CN110157894B - 一种消减和均化机床加工中构件残余应力的工装及方法 - Google Patents
一种消减和均化机床加工中构件残余应力的工装及方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供一种适合铣削、镗削、钻削和刨削等被加工构件固定不动的加工过程中残余应力消减和均化装置及方法，通过工作台上的多个高能声波激励器与涂抹有耦合介质的构件紧密耦接，向构件内发出高能声波，利用高能声波在构件内产生的弹性波能量消减和均化被加工构件内部的残余应力。以此实现一边加工一边消除和均化残余应力的目的，达到无应力去除加工的控制，确保机械构件加工过程中和加工后的变形量最小。
Description
技术领域
本发明涉及机床加工技术领域，特别是指一种适合铣削、镗削、钻削和刨削等被加工构件固定不动的加工过程中残余应力消减和均化装置及方法。
背景技术
在使用机床对大规格或大厚度的金属材料进行加工时，为保证机械构件的整体完整性，经常需要对构件采用大铣削量去除方式获得，构件装夹不当引起的变形基本可以通过人工措施进行控制，但是由于内部残余应力不均匀而导致机械构件加工变形却无法得到有效的控制。原材料厚度越大内部残余应力均匀性越差，加工过程中内部残余应力失衡状态越严重，残余应力随铣削、镗削、钻削和刨削过程而不断释放和平衡，导致加工构件持续变形。为了避免上述加工变形，暨需一种消减和均化机床加工中构件残余应力的工装及方法，能够确保构件加工的精度。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种消减和均化机床加工中构件残余应力的工装及方法，以能消减和均化铣削、镗削、钻削和刨削等被加工构件固定不动的加工过程中的构件的残余应力，防止因构件内部残余应力不断释放和平衡而导致加工构件的持续变形，最终达到和保持构件的设计形状及精度。
本发明提供的一种消减和均化机床加工中构件残余应力的工装，其特征在于，包括：工作台，其包括支架，该支架底部具有用于装配到机床上的装配部、位于支架上的用于支撑被加工构件台面，该台面下方具有空间，该台面上具有复数个通孔；位于台面下方空间的复数个高能声波激励器，具有器身及位于器身一端的发射端，其发射端嵌入台面上的所述复数个通孔设置。
由上，将工作台固定在机床上，将构件固定在工作台的台面上，通过嵌入台面上的复数个通孔的高能声波激励器向构件内发出高能声波，在机床对构件进行加工时，利用高能声波在构件内产生的弹性波能量消减和均化被加工构件内部的残余应力。以此防止加工过程中因构件内部残余应力不断释放和平衡而导致加工构件的持续变形，最终达到和保持构件的设计形状及精度。
进一步地，上述台面的形状、曲率与构件的形状、曲率相适应，使构件与台面上的高能声波激励器紧密贴合。上述台面的形状包括正方形、圆形或三角形，上述台面的曲率为与构件适应的凹面或凸面。
由上，可以保证对不同形状、曲率的构件进行加工时，都可以实现对加工构件内部残余应力的消减和均化。
进一步地，所述高能声波激励器的发射端与器身呈一定的角度设置。
由上，可以产生不同入射角度的高能声波。不仅可以产生直接向构件内部传播的高能声波，还可以产生在大型薄壁机械构件内沿壁板方向传播的、充满了整个壁板厚度的超声导波，可实现对大型薄壁内部残余应力的高效消减和均化。
进一步地，所述多个高能声波激励器阵列排布，阵列为方形阵列、圆形阵列或者三角形阵列。
由上，便于根据构件残余应力的分布对高能声波激励器进行调整，便于对高能声波激励器的协调控制。
进一步地，使用上述工装消除和均化机床加工中构件残余应力的方法，包括以下步骤：
将工作台固定在机床上；
在构件上涂抹耦合介质后固定到工作台上；
机床对构件进行加工，同时通过高能声波激励器向构件内发射高能声波；
完成所述加工后，取下构件，擦除耦合介质。
由上，根据上述方法，可以通过高能声波在构件内产生的弹性波能量消减和均化被加工构件内部的残余应力。以此防止加工过程中因构件内部残余应力不断释放和平衡而导致加工构件的持续变形，最终达到和保持构件的设计形状及精度。
进一步地，上述高能声波包括：低频高能量的高能声波、高频低能量的高能声波、宽范围的频带和宽范围的能量的高能声波、纵波、横波、表面波和导波模态的高能声波中的至少一种。
由上，可以根据构件的情况产生不同的高能声波，可以对不同形状、厚度的构件内的残余应力进行消减和均化。
附图说明
图1为实施例中安装套的结构示意图；
图2为实施例中高能声波激励器的结构示意图；
图3为图1与图2中高能声波激励器套设在安装套中的结构示意图；
图4为实施例中各种形式的工作台安装完成后的结构示意图；
图5为在实施例中装置基础上的构件加工残余应力消减和均化方法的流程图。
具体实施方式
下面，参照附图说明本发明的消减和均化机床加工中构件残余应力的工装的实施方式。
如图1至图4所示，本发明实施例的消减和均化机床加工中构件残余应力的工装包括：安装套100；高能声波激励器200；工作台300。其中，高能声波激励器200通过安装套100固定安装在工作台300上。
如图1所示为安装套100。包括：呈正方形的安装座110，安装座110的四角位置各设置有一可供螺杆通过的通孔111；安装座110中间位置设置有向上伸出的中空的圆柱形套筒120，套筒120的顶部具有套筒端面121，套筒120的侧部为筒身122，筒身122上在同一水平高度均匀设置有4个朝向套筒120轴心的固定孔122。
如图2所示为高能声波激励器200。其中，高能声波激励器200整体呈圆柱形设置，图2中的高能声波激励器200的下部端面为发射端210，高能声波激励器200的发射端210以上部分为器身220，器身220上距离发射端210较近位置设置有4个与上述固定孔122相对应的螺纹孔221。
如图3所示为高能声波激励器200套设在安装套100中的示意图。其中，发射端210略微高出套筒端面121，4个固定孔122与四个螺纹孔221一一对应，可以通过螺栓进行固定连接。
如图4为安装完高能声波激励器200后的工作台300的示意图。其中，工作台300由支架310及支架310上的台面320构成，在台面320的下部区域还具有可供安装高能声波激励器200的安装空间330。台面320上设置有若干阵列排布的用于安装高能声波激励器200的安装孔322及若干平行设置的用于装卡固定构件的T型槽321，同时安装孔322的位置应保证安装高能声波激励器200不影响构件的装卡。高能声波激励器200套设在安装套100中，安装套100与台面320通过螺栓固定连接，使套筒端面121与台面320重合，进而将高能声波激励器200固定在上述安装孔322中。支架310底部两侧向外延伸，形成装卡固定部340，可以通过装卡固定部340将工作台300固定在机床上
进一步地，如图4可知台面320可以是长方形、圆形或者三角形，还可以是凹面或者凸面。安装孔322的排列方式可以是方形阵列、圆形阵列或者三角形阵列。同时，高能声波激励器200的发射端210端面的曲率与工作台300保持一致。
使用时，根据工件的曲率及形状，选择合适的工作台300。将高能声波激励器200根据需要调控的位置选择固定安装在工作台300上。将安装完成后的工作台300安装在机床合适的位置。在构件的调控部位均匀涂抹耦合介质后，将工件平稳放置在台面320上，确保工件与高能声波激励器200的发射端210通过耦合介质紧密贴合。通过安装在T型槽321中的定位装卡装置对工件进行固定。多个高能声波激励器200开始协调激励工作，对构件发出高能声波，利用高能声波在构件内产生的弹性波能量消减和均化被加工构件内部的残余应力，重新构建因铣削加工而遭到残余应力平衡状态破坏的构件内部残余应力分布达到平衡状态，实现一边铣削一边消除和均化残余应力的目的，达到无应力去除加工的控制，确保机械构件加工过程中和加工后的变形量最小。
进一步地，耦合介质可以是工业用油脂、超声横纵波耦合剂、蜂蜜和甘油等能传递声波的胶态介质。
进一步地，构件大壁厚部位下的高能声波激励器200应发出低频高能量的高能声波，薄壁部位下的高能声波激励器200应发出高频低能量高能声波。
进一步地，高能声波激励器200可以产生宽范围的频带和宽范围的能量的高能声波。
进一步地，高能声波激励器200可以在被调控机械构件内产生纵波、横波、表面波和导波等多模态高能声波，以消减和均化不同类型构件内部的残余应力。
进一步地，高能声波激励器200的发射端210与器身220可呈一定角度设置，进而可以产生不同入射角度的高能声波。不仅可以产生直接向构件内部传播的高能声波，还可以产生在大型薄壁机械构件内沿壁板方向传播的、充满了整个壁板厚度的超声导波，可实现对大型薄壁内部残余应力的高效消减和均化。
进一步地，上述T型槽321还可以是可以安装定位装卡构件的螺纹孔221或定位孔。
进一步地，上述高能声波激励器200由压电换能元件、磁声换能元件、光声换能元件、机械冲击等换能元件构成。
进一步地，还包括检测装置，可以对构件采用超声无损检测方法监测内部残余应力的变化趋势，在确保不过度调控的前提下，使被加工构件内部残余应力达到最小和平衡状态。
如图5所示，本实施例还提供了一种基于上述装置的对构件加工残余应力消减和均化方法，包括以下步骤：
S1、对构件采用超声无损检测方法监测内部残余应力的变化趋势；
S2、根据监测结果在工作台300相应位置安装高能声波激励器200；
S3、将工作台300固定安装在机床上；
S4、在构件的调控部位涂抹耦合介质；
S5、将构件固定在工作台300上；
S6、高能声波激励器200向构件内发出高能声波；
S7、机床开始对构件进行加工；
S8、取下构件，擦去表面的耦合介质。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种消减和均化机床加工中构件残余应力的工装，其特征在于，包括：
工作台，其包括支架，该支架底部具有用于装配到机床上的装配部、位于支架上的用于支撑被加工构件台面，该台面下方具有空间，该台面上具有复数个通孔；
位于台面下方空间的复数个高能声波激励器，具有器身及位于器身一端的发射端，其发射端嵌入台面上的所述复数个通孔设置；所述复数个高能声波激励器阵列排布；
台面上还设置有用于对构件装卡固定的T型槽、螺纹孔或定位孔。
2.根据权利要求1所述的消减和均化机床加工中构件残余应力的工装，其特征在于，所述台面的形状、曲率与构件的形状、曲率相适应。
3.根据权利要求2所述的消减和均化机床加工中构件残余应力的工装，其特征在于，所述台面的形状包括正方形、圆形或三角形，所述台面的曲率为与构件适应的凹面或凸面。
4.根据权利要求1所述的消减和均化机床加工中构件残余应力的工装，其特征在于，所述高能声波激励器的发射端与器身呈一定的角度设置。
5.根据权利要求1所述的消减和均化机床加工中构件残余应力的工装，其特征在于，所述阵列为方形阵列、圆形阵列或者三角形阵列。
6.使用权利要求1-5任一所述工装消除和均化机床加工中构件残余应力的方法，其特征在于，包括以下步骤：
将工作台固定在机床上；
在构件上涂抹耦合介质后固定到工作台上；
机床对构件进行加工，同时通过高能声波激励器向构件内发射高能声波；
完成所述加工后，取下构件，擦除耦合介质。
7.根据权利要求6所述的消除和均化机床加工中构件残余应力的方法，其特征在于，所述高能声波包括：低频高能量的高能声波、高频低能量的高能声波、宽范围的频带和宽范围的能量的高能声波、纵波、横波、表面波和导波模态的高能声波中的至少一种。
8.根据权利要求6所述的消除和均化机床加工中构件残余应力的方法，其特征在于，所述耦合介质为能传递声波的胶态介质。
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