CN110408770B - 一种大型环件旋转离心残余应力调控装置 - Google Patents

一种大型环件旋转离心残余应力调控装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及环形零件残余应力调控技术领域，且公开了一种大型环件旋转离心残余应力调控装置，包括主轴，所述主轴的顶端设有装卡装置，且所述主轴的顶端通过所述装卡装置固定有环件，所述主轴的一侧设有力矩电机，所述力矩电机与外部电源电性连接，且所述力矩电机的输出端固定有离合器，所述主轴的另一侧设有高速电机；通过高速旋转，使环件内部产生离心应力，离心应力与初始残余应力叠加达到或超过材料的屈服极限，使环件内部应力释放，并且离心应力与残余应力叠加，使环件产生周向塑性变形，使环件达到塑性强化的效果，同时有效解决机械胀形受力不均，液压胀形实验设备昂贵复杂等现存问题，实现环件的均匀、可控胀形。

Description

一种大型环件旋转离心残余应力调控装置
技术领域
本发明涉及环形零件残余应力调控技术领域，具体为一种大型环件旋转离心残余应力调控装置。
背景技术
大型整体环形零件是构成航空航天产品的一类重要零部件，由于成形过程中非均匀的塑性变形和温度场的作用，极易在环件表面或内部产生较大的残余应力，显著影响零件的结构强度、尺寸稳定性和疲劳寿命，甚至导致强度下降、变形、局部破坏、疲劳断裂等问题的出现，严重影响零件的制造精度和服役可靠性。
对于航空航天环件，特别是对于重型运载火箭的研制(直径10米级)，其环锻件的残余应力调控和整体塑性强化是制造过程中急需解决的难题。热时效、振动时效、自然时效和预变形(或称冷变形)方法是现今最常用的几种残余应力调控方法。目前，我国航空航天环件的整体预变形工艺主要采用机械胀形工艺。机械胀形时，环件受力不均匀，易在局部位置残留应力集中，并在局部发生变形，胀形后环件尺寸精度不高。液压胀形的胀形力分布均匀、胀形精度相对较高，但设备结构复杂、成本高，使用尚未普及，国内在大、中型环件上应用很少。
综上，现有的应力调控方法尚不能完全解决残余应力引起的变形、失效、疲劳断裂等问题，探索新的残余应力调控方法、开发设计新的残余应力调控装置仍是十分必要的。
发明内容
(一)解决的技术问题
针对现有技术的不足，本发明提供了一种大型环件旋转离心残余应力调控装置，解决了现有的应力调控方法尚不能完全解决残余应力引起的变形、失效、疲劳断裂的问题。
(二)技术方案
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种大型环件旋转离心残余应力调控装置，包括主轴，所述主轴的顶端设有装卡装置，且所述主轴的顶端通过所述装卡装置固定有环件，所述主轴的一侧设有力矩电机，所述力矩电机与外部电源电性连接，且所述力矩电机的输出端固定有离合器，所述主轴的另一侧设有高速电机，所述高速电机也与外部电源电性连接，所述主轴的底部设有动平衡调整装置与数据采集装置，所述装卡装置包括连接环，所述主轴的顶端贯穿所述装卡装置下方的下防护挡板穿接在所述连接环的内部，并与所述连接环固定连接，所述连接环的外侧壁环形阵列布置有多个支撑杆，多个所述支撑杆均与所述连接环的外表面焊接固定，且多个所述支撑杆远离所述连接环的一端均焊接固定有支撑架，所述环件位于多个所述支撑架的内部，且所述环件的内表面与多个所述支撑架的内表面之间设有橡胶垫，多个所述支撑架上均对称固定有防护螺栓，多个所述支撑杆的外表面均螺纹连接有锁紧螺母，所述锁紧螺母和所述支撑架之间固定有弹簧。
优选的，所述主轴沿竖直方向布置，所述力矩电机和所述高速电机沿水平方向布置，且所述力矩电机和所述高速电机均通过锥齿轮与所述主轴传动连接。
优选的，所述装卡装置的上方设有上防护挡板，且所述装卡装置的下方设有下防护挡板，所述装卡装置的四周设有四周防护挡板，所述上防护挡板和所述下防护挡板之间通过四个支撑柱固定连接，四个所述四周防护挡板分别与四个所述支撑柱固定连接。
优选的，所述上防护挡板和所述下防护挡板以及四个所述四周防护挡板均采用22SiMn2TiB高强度钢材质。
优选的，所述动平衡调整装置与数据采集装置包括上配重盘和下配重盘，所述上配重盘的下表面与所述下配重盘的上表面相贴合，且所述上配重盘的上表面固定有调整旋钮，所述下配重盘的下表面固定有联接盘。
(三)有益效果
本发明提供了一种大型环件旋转离心残余应力调控装置，具备以下有益效果：
1、通过高速旋转，使环件内部产生离心应力，离心应力与初始残余应力叠加达到或超过材料的屈服极限，使环件内部应力释放。
2、离心应力与残余应力叠加，使环件产生周向塑性变形，使环件达到塑性强化的效果。
3、有效解决机械胀形受力不均，液压胀形实验设备昂贵复杂等现存问题，实现环件的均匀、可控胀形。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明中装卡装置的结构示意图；
图3为本发明中动平衡调整装置整体装配示意图。
图中：1、力矩电机；2、高速电机；3、离合器；4、主轴；5、动平衡调整装置与数据采集装置；6、上防护挡板；7、下防护挡板；8、装卡装置；9、环件；10、支撑架；11、防护螺栓；12、弹簧；13、锁紧螺母；14、橡胶垫；15、支撑杆；16、连接环；17、调整旋钮；18、上配重盘；19、下配重盘；20、联接盘。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1-3所示，本发明提供一种技术方案：一种大型环件旋转离心残余应力调控装置，包括主轴4，主轴4的顶端设有装卡装置8，且主轴4的顶端通过装卡装置8固定有环件9，主轴4的一侧设有力矩电机1，力矩电机1与外部电源电性连接，且力矩电机1的输出端固定有离合器3，主轴4的另一侧设有高速电机2，高速电机2也与外部电源电性连接，主轴4的底部设有动平衡调整装置与数据采集装置5，环件旋转离心残余应力调控装置可调控的环件直径范围为7米～10米，转速范围达到650～1100r/min，零件密度不小于2700kg/m3，其中高速电机2用于提高维持工件的高速转动，力矩电机1用于低速阶段工件的提速。装卡装置8包括连接环16，主轴4的顶端贯穿装卡装置8下方的下防护挡板7穿接在连接环16的内部，并与连接环16固定连接，连接环16的外侧壁环形阵列布置有多个支撑杆15，多个支撑杆15均与连接环16的外表面焊接固定，且多个支撑杆15远离连接环16的一端均焊接固定有支撑架10，环件9位于多个支撑架10的内部，且环件9的内表面与多个支撑架10的内表面之间设有橡胶垫14，多个支撑架10上均对称固定有防护螺栓11，多个支撑杆15的外表面均螺纹连接有锁紧螺母13，锁紧螺母13和支撑架10之间固定有弹簧12，装卡时通过调整支撑杆15的长度和锁紧螺母13的位置，使支撑单元适应不同的直径环，支撑杆15调节范围可达1.5米，此时，弹簧12具有一定的被压缩量，提供沿径向向外的支撑力，环件9发生塑性变形后，支撑架10随着环件9的胀形沿径向外移，弹簧12压缩量减小，但仍能持续对环件9提供装卡力，保证高速旋转过程工件装卡的可靠性。
进一步的，主轴4沿竖直方向布置，力矩电机1和高速电机2沿水平方向布置，且力矩电机1和高速电机2均通过锥齿轮与主轴4传动连接，在使用的时候，保证力矩电机1和高速电机2在运行的时候，都可以带动主轴4的转动。
进一步的，装卡装置8的上方设有上防护挡板6，且装卡装置8的下方设有下防护挡板7，装卡装置8的四周设有四周防护挡板，上防护挡板6和下防护挡板7之间通过四个支撑柱固定连接，四个四周防护挡板分别与四个支撑柱固定连接，在进行使用的使，通过上防护挡板6和下防护挡板7以及四周挡板以保证旋转离心实验过程中人员和设备的安全，其中四周挡板在说明书附图中被隐藏。
进一步的，上防护挡板6和下防护挡板7以及四个四周防护挡板均采用22SiMn2TiB高强度钢材质，使上防护挡板6和下防护挡板7以及四周挡板具有一定的强度，避免在高速转动的过程中，工件将防护挡板击穿，从而造成危险的情况发生。
进一步的，动平衡调整装置与数据采集装置5包括上配重盘18和下配重盘19，上配重盘18的下表面与下配重盘19的上表面相贴合，且上配重盘18的上表面固定有调整旋钮17，下配重盘19的下表面固定有联接盘20，动平衡调整装置与数据采集装置5中的动平衡装置，通过增减配重法实现动平衡，对于存在偏心装夹的工件，通过在回转中利用电涡流传感器测量出偏心大小及方向，可以调整配重块质心处于偏心的相反方向上，从而平衡偏心带来的离心力，动平衡调整装置与数据采集装置5中的中的数据采集装置，主要作用包括检测主轴4的实时转速以及主轴4端部所受径向力大小，以便于对工件动平衡进行调整，主轴4转速测量装置包括有光电码盘、激光器配合光电传感器、霍尔式转速传感器、测速发电机等。
综上可得，本发明的工作流程：装卡时通过调整支撑杆15的长度和锁紧螺母13的位置，使支撑单元适应不同的直径环，支撑杆15调节范围可达1.5米，此时，弹簧12具有一定的被压缩量，提供沿径向向外的支撑力，环件9发生塑性变形后，支撑架10随着环件9的胀形沿径向外移，弹簧12压缩量减小，但仍能持续对环件9提供装卡力，保证高速旋转过程工件装卡的可靠性，动平衡调整装置与数据采集装置5中的动平衡装置，通过增减配重法实现动平衡，对于存在偏心装夹的工件，通过在回转中利用电涡流传感器测量出偏心大小及方向，可以调整配重块质心处于偏心的相反方向上，从而平衡偏心带来的离心力，动平衡调整装置与数据采集装置5中的中的数据采集装置，主要作用包括检测主轴4的实时转速以及主轴4端部所受径向力大小，以便于对工件动平衡进行调整，主轴4转速测量装置包括有光电码盘、激光器配合光电传感器、霍尔式转速传感器、测速发电机等。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (5)

1.一种大型环件旋转离心残余应力调控装置，包括主轴(4)，其特征在于：所述主轴(4)的顶端设有装卡装置(8)，且所述主轴(4)的顶端通过所述装卡装置(8)固定有环件(9)，所述主轴(4)的一侧设有力矩电机(1)，所述力矩电机(1)与外部电源电性连接，且所述力矩电机(1)的输出端固定有离合器(3)，所述主轴(4)的另一侧设有高速电机(2)，所述高速电机(2)也与外部电源电性连接，所述主轴(4)的底部设有动平衡调整装置与数据采集装置(5)，所述装卡装置(8)包括连接环(16)，所述主轴(4)的顶端贯穿所述装卡装置(8)下方的下防护挡板(7)穿接在所述连接环(16)的内部，并与所述连接环(16)固定连接，所述连接环(16)的外侧壁环形阵列布置有多个支撑杆(15)，多个所述支撑杆(15)均与所述连接环(16)的外表面焊接固定，且多个所述支撑杆(15)远离所述连接环(16)的一端均焊接固定有支撑架(10)，所述环件(9)位于多个所述支撑架(10)的内部，且所述环件(9)的内表面与多个所述支撑架(10)的内表面之间设有橡胶垫(14)，多个所述支撑架(10)上均对称固定有防护螺栓(11)，多个所述支撑杆(15)的外表面均螺纹连接有锁紧螺母(13)，所述锁紧螺母(13)和所述支撑架(10)之间固定有弹簧(12)。
2.根据权利要求1所述的一种大型环件旋转离心残余应力调控装置，其特征在于：所述主轴(4)沿竖直方向布置，所述力矩电机(1)和所述高速电机(2)沿水平方向布置，且所述力矩电机(1)和所述高速电机(2)均通过锥齿轮与所述主轴(4)传动连接。
3.根据权利要求1所述的一种大型环件旋转离心残余应力调控装置，其特征在于：所述装卡装置(8)的上方设有上防护挡板(6)，且所述装卡装置(8)的下方设有下防护挡板(7)，所述装卡装置(8)的四周设有四周防护挡板，所述上防护挡板(6)和所述下防护挡板(7)之间通过四个支撑柱固定连接，四个所述四周防护挡板分别与四个所述支撑柱固定连接。
4.根据权利要求3所述的一种大型环件旋转离心残余应力调控装置，其特征在于：所述上防护挡板(6)和所述下防护挡板(7)以及四个所述四周防护挡板均采用22SiMn2TiB高强度钢材质。
5.根据权利要求1所述的一种大型环件旋转离心残余应力调控装置，其特征在于：所述动平衡调整装置与数据采集装置(5)包括上配重盘(18)和下配重盘(19)，所述上配重盘(18)的下表面与所述下配重盘(19)的上表面相贴合，且所述上配重盘(18)的上表面固定有调整旋钮(17)，所述下配重盘(19)的下表面固定有联接盘(20)。
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