CN111826516A - 一种金属框架的残余应力消减与均化装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种金属框架的残余应力消减与均化装置，包括：基体、框架固定装置、超声振动子；基体中间有向上开口的凹槽，该凹槽的竖直的侧壁的所围成的形状与所要处理的金属框架的外框形状匹配；围绕该凹槽侧壁，具有水平发散设置的若干通孔，且各通孔与该凹槽垂直相交；对应各通孔还具有装配于基体上的各超声振动子，且各超声振动子的前端伸入各通孔以抵住凹槽内的金属框架；所述凹槽内放置所要处理的金属框架后，位于该金属框架内的凹槽中还放置有框架固定装置；本发明的装置实现对金属框架的残余应力高效无损的消减与均化。

Description

一种金属框架的残余应力消减与均化装置

技术领域

本发明涉及金属架构加工领域，特别是一种金属框架的残余应力消减与均化装置。

背景技术

钛合金因其优异的力学和机械性能而被广泛用于航空航天领域，但因其弹性模量小、导热系数低而成为了一种难加工材料。在加工制备小型薄壁框架构件时，经铣削、线切割等工艺后必然会在工件内部引入不均匀分布的残余应力场。而经锻造成型的钛合金胚料在制备后本身含有一定程度的残余应力，与加工后产生的残余应力场相互叠加作用后，将在残余应力集中处引发变形，严重影响到后续装配及使役过程中构件的力学性能和疲劳寿命。

现有技术中多采用自然时效法、去应力退火、振动时效法、超声冲击等技术消除残余应力。自然时效法残余应力消除效率较低，且需要长时间占用大量场地，已逐步被淘汰。去应力退火方法对工艺要求严格，若降温速率、退火温度等处理不当则会引入附加残余应力，且能耗较高。振动时效法虽然能有效消除残余应力，但其局限性在于不能较好的应用于变截面和变厚度及带有孔特征的构件，调控现场噪音很大。而超声冲击法在消除过程中可能会给金属表面造成微细裂纹损伤，并且无法调控内部残余应力状态，实际应用受到很大限制。

因此，本发明提出了一种高能声束消减和均化构件残余应力装置，针对于含有金属框架加工残余应力的消减与均化装置，在不损伤金属框架的情况下高效均化和消减过大的残余应力值，预防后续装配服役过程中构件发生变形。

发明内容

鉴于上述问题，本发明提供一种金属框架构件残余应力消减和均化的装置，将高能超声波通过耦合剂直接注入金属框架内部，消除和均化金属框架构件表面、亚表面和内部不同深度的残余应力。

本发明第一方面提供了一种金属框架的残余应力消减与均化装置，包括：基体、框架固定装置、超声振动子；

基体中间有向上开口的凹槽，该凹槽的竖直的侧壁的所围成的形状与所要处理的金属框架的外框形状匹配；

围绕该凹槽侧壁，具有水平发散设置的若干通孔，且各通孔与该凹槽垂直相交；对应各通孔还具有装配于基体上的各超声振动子，且各超声振动子的前端伸入各通孔以抵住凹槽内的金属框架。

所述凹槽内放置所要处理的金属框架后，位于该金属框架内的凹槽中还放置有框架固定装置。

由上，所述金属框架内框被所述框架固定装置顶紧，外框非待控部位与所述基体的凹槽侧壁贴合，外框的待控部位被所述超声振动子顶紧，确保残余应力消除过程中金属框架不发生大幅变形，影响装配精度。

由上，所述超声振动子产生高能的第一超声波经过所述耦合剂耦合后注入金属框架内部，在金属框架表面、亚表面及内部多种模态的第二超声波，包括定向折射波、表面波等，第二超声波仅在所述金属框架材料内部的空位、位错、晶界等局部界面区域被吸收，当第二超声波提供给所述金属框架材料内部质元的能量大于残余应力场存储的势能时，所述金属框架内部的残余应力将得以释放，实现残余应力的均化和消除。

进一步，通过多个所述超声振动子从多个方向同时发射多束第一超声波，对所述金属框架进行更全面、整体的残余应力的消减及均化工作，并且多束第一超声波声还可以能量叠加，提高能量强度，以达到更好的消减及均化残余应力的效果，特别适合解决现有技术难以对小型薄壁框架构件的残余应力进行消减及均化的问题。

其中，本发明装置还包括端盖；所述基体水平外沿设置若干个发散的柱形分支，各所述柱形分支中间轴向部分与各所述通孔一一对应相通，各柱形分支外端部装配有环形的所述端盖；

进一步，所述超声振动子中部周向设置固定法兰，所述固定法兰通过螺丝固定于所述端盖上，所述螺丝的螺纹杆位于其螺帽与所述固定法兰之间的部位套有压紧弹簧。

由上，所述压紧弹簧通过弹簧形变可以实现所述超声振动子在水平轴向移动，当所述金属框架因残余应力释放而发生小幅变形时通过弹簧自动形变保证所述超声振动子前端能与所述金属框架外框自动紧密接触，避免长时间的直接紧固约束损坏所述金属框架和所述超声振动子前端表面。

其中，所述超声振动子包括超声换能器和超声变幅杆，所述超声变幅杆位于所述超声振动子的前部，前端涂抹耦合剂。

由上，所述超声换能器产生超声波，所述超声变幅杆对超声波幅度放大，实现能量聚合，能够更加精准对齐所述金属框架的待控区域。所述超声变幅杆根据金属框架的声速选型，匹配金属框架的材料特性。所述超声变幅杆前端涂抹耦合剂，帮助超声波耦合注入金属框架内部。

其中，所述超声振动子前端装配超声工具头，用于匹配所述金属框架的残余应力部位面积。

由上，所述超声变幅杆的端面半径为20-80mm之间，在超其前端放置与待控区域面积相当的超声工具头，以保证充分消除所述待控区域内的残余应力，提高消除效率。

其中，本发明装置还包括多路控制器，所述多路控制器有电线与各超声振动子相连，控制各超声振动子的超声波工作参数。

由上，所述多路控制器可以控制每个超声振动子的工作参数，至少包括下列参数之一：频率、幅度、相位和单轮注入时长。根据所述金属框架的材料设置超声波工作频率；根据所述金属框架的待控区域残余应力大小设置超声波幅度，保证调控效果，又不损伤所述金属框架；从相位上控制各个方向超声波对齐同一被控区域时实现能力叠加，提高对残余应力消减和均化效果；避免长时间的注入损伤所述金属框架，需控制单轮注入时长。

其中，所述框架固定装置包括复数个内部顶紧块和单个螺杆顶紧装置，所述螺杆顶紧装置水平方向有复数个延伸分支，每个分支顶紧一个所述内部顶紧块，上部装配有螺杆，用于调节所述分支向外延伸长度。

由上，根据所述金属框架的内框形状选择内部顶紧块数目，旋转所述螺杆顶紧装置上面的螺杆，延伸水平方向的所述分支，顶紧所述内部顶紧块，从而顶紧所述金属框架的内框。

其中，所述基体下部还装配有固定部，与机床工作台固定。

由上，所述固定部把整体装置固定在加工所述金属框架的机床工作台上，实现原位对残余应力消减和均化。一般所述金属框架的加工工序包括很多步，在每一道工序完成后可以在原位及时对残余应力消减和均化；也可以把所有工序加工完，离开加工原位独立进行残余应力消减和均化。

其中，所述基体四周还装配有降噪装置。

由上，所述基体外围装配降噪装置，隔离高能超声换能器的噪声，以确保满足降噪环保要求。

综上，本发明通过框架固定装置、基体凹槽侧壁和超声振动子前端固定被控框架的内外框，通过至少一个超声振动子注入至少一个方向的高能超声波到金属框架内部，在金属框架表面、亚表面或内部等部位形成高能聚焦区，实现高效无损快速地消减和均化的金属框架残余应力。

本发明第二方面提供了一种金属框架的残余应力消减与均化方法，其包括：

基于金属框架材料选型超声变幅杆；

基于所述金属框架的残余应力分布，确定其的残余应力消减与均化方案，包括：超声波注入的束数及每束的方向、超声变幅杆是否增加工具头、每束的超声波的工作参数；超声的工作参数至少包括下列之一：频率、幅度、相位和单轮注入时长；

所述金属框架固定于本发明第一方面提供的一种金属框架的残余应力消减与均化装置内；

基于所确定的金属框架的残余应力消减与均化方案，向所述金属框架内部注入至少一束超声波，实现对所述金属框架的残余应力若干轮的消减与均化，直至所述残余应力满足要求；

其中，每轮消减与均化前，均需重新测试的金属框架的残余应力分布。

附图说明

图1为本发明装置的俯视图；

图2为本发明装置的左视图；

图3为本发明装置的截面图；

图4为本发明的超声振动子的固定法兰固定于端盖上的结构示意图；

图5为本发明的框架固定装置中螺杆顶紧装置的结构示意图；

图6为残余应力消减与均化效果示意图。

符号说明：

基体1，超声振动子2，框架固定装置3，端盖4，金属框架5；

超声换能器201，超声变幅杆202，固定法兰203；

内部顶紧块301，螺杆顶紧装置302；

螺杆3021，分支3022，液体3023；

螺丝401，压紧弹簧402。

具体实施方式

本发明提供一种金属框架的残余应力消减与均化装置。

下面参照附图所示实施例，对本发明的装置进行详细说明。

如图1、图2和图3所示，本发明提供了一种金属框架的残余应力消减与均化装置，包括：基体1、框架固定装置3、超声振动子2。

其中，基体1中间有向上开口的凹槽，该凹槽的竖直的侧壁的所围成的形状与所要处理的金属框架的外框形状匹配，以容纳所要处理的金属框架5；围绕该凹槽侧壁，具有水平发散设置的若干通孔，且各通孔与该凹槽垂直相交；对应各通孔还具有装配于基体上的各超声振动子2，且各超声振动子2的前端(即超声变幅杆202的工作端)伸入各通孔以抵住凹槽内的金属框架5。所述凹槽内放置所要处理的金属框架5后，位于该金属框架5内的凹槽中还放置有框架固定装置3，且使该框架固定装置3紧密贴合要处理的金属框架5的内框，从而使该金属框架5固定稳固以便于被所述各超声振动子2进行应力处理。

进一步的，基体1可由水平发散设置的多个柱形分支构成，中间有向上开口的所述凹槽，每个柱形分支轴向有通孔与凹槽相通，所述柱形分支外端部装配有环形的端盖4；各端盖4均装配超声振动子2，各超声振动子2中部有固定法兰203，所述固定法兰203通过螺丝401固定在端盖4上；图4中螺丝401的螺纹杆的位于其螺帽与所述超声振动子的固定法兰203之间的部位套有压紧弹簧402，以适应调控过程中金属框架5的可能发生的变形。

基体1下部还装配有固定部，与机床工作台固定；基体1四周还装配有降噪装置。如图1所示，本实施例中基体1具有4个柱形形成方十字形，材料可以采用黑色金属或硬度较高的有色金属，但是必须进行去应力处理，以保证基体1有足够的轻度，避免基体1在消除残余应力过程中发生变形。

框架固定装置3包括复数个内部顶紧块301和单个螺杆顶紧装置302。图5为螺杆顶紧装置302的结构示意图，其水平方向有复数个延长分支3022，每个分支3022顶紧各内部顶紧块301，螺杆顶紧装置302顶部装配有螺杆3021；顺时针旋转螺杆3021，其向下推压液体3023，从而通过液体3023传动给各分支3022，各分支3022向外移动，推动各内部顶紧块301顶紧金属框架5的内框。

超声振动子2包括超声换能器201和超声变幅杆202，超声换能器201同时发射横波和纵波，有电线与多路控制器相连，同时进行有效防水，防止原位分析时加工机床冷却液或切削液对超声换能器201的腐蚀和电器短路；超声变幅杆202位于所述超声振动子的前部，前端涂抹超声耦合剂，超声变幅杆202前端还可装配超声工具头，以匹配金属框架5待控区域大小。

所述多路控制器可以控制每个超声振动子2的工作参数，至少包括下列参数之一：频率、幅度、相位和单轮注入时长。通常超声波频率为5KHz-50KHz，输出功率为10-400W，单轮注入时间为20-40min。

下面介绍一种金属框架的残余应力消减与均化装置的工作原理。

金属框架5内框被框架固定装置3顶紧，外框被所述超声振动子2前端顶紧，确保残余应力消除过程中金属框架5不发生大幅变形，影响装配精度。

超声振动子1产生高能的第一超声波经过所述耦合剂耦合后注入金属框架5内部，在金属框架5表面、亚表面及内部形成多种模态的第二超声波，包括定向折射波、表面波、或导波等，第二超声波仅在金属框架5材料内部的空位、位错、晶界等局部界面区域被吸收，当第二超声波提供给金属框架5材料内部质元的能量大于残余应力场存储的势能时，金属框架5内部的残余应力将得以释放，实现残余应力的均化和消除。

进一步，通过多个超声振动子2从多个方向同时发射多束第一超声波声束，对金属框架5进行更全面、整体的残余应力的消减及均化工作，并且多束第二超声波还可以能量叠加，提高能量强度，提高瞬态消减及均化残余应力的效果，需要的能量远低于去应力退火能量。在去除高能超声波以后，所述金属框架5恢复其原始的材料特性，不降低强度，实现一种高效且无损的残余应力消减均化方法，特别适合解决现有技术难以对小型薄壁框架构件的残余应力进行消减及均化的问题。

下面介绍一种金属框架的残余应力消减与均化装置的优点。

其中，用于把超声振动子2固定在端盖4上的螺丝401的螺纹杆的位于其螺帽与所述超声振动子的固定法兰203之间的部位套有压紧弹簧402，所述压紧弹簧402通过弹簧形变可以实现超声振动子2在水平轴向移动，当金属框架5因残余应力释放而发生小幅变形时通过压紧弹簧402自动形变保证所述超声振动子2前端能与金属框架5外框自动紧密接触，避免长时间的直接紧固约束损坏金属框架5和超声振动子2前端表面。

其中，超声振动子2的超声变幅杆202对超声波幅度放大，实现能量聚合，能够更加精准对齐金属框架5的待控区域。超声变幅杆202根据金属框架5的声速选型，匹配金属框架5的材料特性。超声振动子2前端半径为20-80mm之间，前端还装配超声工具头，用于匹配金属框架5的残余应力部位面积。

超声振动子2前端涂抹超声耦合剂直接接触金属框架5的外框，提高超声波耦合注入效率，提高残余应力消减和均化效果

其中，所述多路控制器可以控制每个超声振动子2的工作参数，至少包括下列参数之一：频率、幅度、相位和单轮注入时长。所述多路控制器可以根据金属框架5的材料控制超声振动子2的超声波工作频率；根据金属框架5的待控区域残余应力大小控制超声波幅度，保证调控效果，又不损伤金属框架5；从时序上控制每个方向的超声振动子2的发射时间，提高能效；从相位上控制各个方向超声波对齐同一被控区域实现能力叠加，提高对残余应力消减和均化效果；从单轮注入时长上控制每个方向的超声振动子2的发射时间，提高能效，同时避免长时间超声注入损伤金属框架5。

其中，框架固定装置3包括复数个内部顶紧块301和单个螺杆顶紧装置302，根据金属框架5的内框形状选择内部顶紧块301数目，从而适配多种形状的金属框架5。

其中，基体1下部还装配有固定部，把整体装置固定在加工金属框架5的机床工作台上，实现原位对残余应力消减和均化。一般金属框架5的加工工序包括很多步，在每一道工序完成后可以及时对残余应力消减和均化。也可以把所有工序加工完，离开加工原位独立进行残余应力消减和均化。

基体1四周还装配有降噪装置，隔离高能超声换能器201的噪声，以确保满足降噪环保要求。

下面介绍一种金属框架的残余应力消减与均化装置的使用方法，包括下列步骤：

S110、根据金属框架5材料的声速选择超声变幅杆202类型；

S120、在外部设备上测试金属框架5的残余应力；

S130、根据金属框架5的残余应力的分布和大小，确定残余应力的消减及均化方案，包括超声波注入的束数及每束的方向、超声变幅杆202是否增加工具头、每束的超声波的工作参数；超声的工作参数至少包括下列之一：频率、幅度、相位和单轮注入时长；

S140、金属框架5固定于一种金属框架的残余应力消减与均化的装置内；

S150、基于S130所确定的残余应力的消减及均化方案，通过多路控制器设置各个方向超声振动子2的频率、幅值、相位，打开超声换能器201，按照单轮注入时长完成一轮金属框架5的残余应力消减及均化；一般超声波频率为5KHz-50KHz，超声波输出功率为200-400W，单轮高能超声波注入时间为20-40min；

S160、在外部设备上检测金属框架5的残余应力；

S170、判断金属框架5的残余应力是否满足要求，如果满足要求，则金属框架5的残余应力的消减与均化完成；如果不满足，重复步骤S130到S160直至金属框架5的残余应力满足要求；图6是金属框架5的残余应力在多轮调控过程中的变化图。

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 (10)

1.一种金属框架的残余应力消减与均化装置，其特征在于，包括：基体、框架固定装置、超声振动子；

基体中间有向上开口的凹槽，该凹槽的竖直的侧壁的所围成的形状与所要处理的金属框架的外框形状匹配；

围绕该凹槽侧壁，具有水平发散设置的若干通孔，且各通孔与该凹槽垂直相交；对应各通孔还具有装配于基体上的各超声振动子，且各超声振动子的前端伸入各通孔以抵住凹槽内的金属框架；

所述凹槽内放置所要处理的金属框架后，位于该金属框架内的凹槽中还放置有框架固定装置。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括端盖；

所述基体的水平外沿设置若干个发散的柱形分支，各所述柱形分支中间轴向部分与各所述通孔一一对应相通，各柱形分支外端部装配有环形的所述端盖。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述超声振动子中部周向设置固定法兰，所述固定法兰通过螺丝固定于所述端盖上，所述螺丝的螺纹杆位于其螺帽与所述固定法兰之间的部位套有压紧弹簧。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述超声振动子包括超声换能器和超声变幅杆，所述超声变幅杆位于所述超声振动子的前部，前端涂抹耦合剂。

5.根据权利要求4所述装置，其特征在于，所述超声振动子前端装配超声工具头，用于匹配所述金属框架的残余应力部位面积。

6.根据权利要求1任一要求所述装置，其特征在于，所述框架固定装置包括复数个内部顶紧块和单个螺杆顶紧装置，所述螺杆顶紧装置水平方向有复数个延伸分支，每个分支顶紧一个所述内部顶紧块，上部装配有螺杆，用于调节所述分支向外延伸长度。

7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括多路控制器；所述多路控制器有电线与各超声振动子相连，控制各超声振动子的超声波工作参数。

8.根据权利要求1所述装置，其特征在于，所述基体下部还装配有固定部，与机床工作台固定。

9.根据权利要求1所述装置，其特征在于，所述基体四周还装配有降噪装置。

10.一种金属框架的残余应力消减与均化方法，其特征在于，包括：

基于金属框架材料选型超声变幅杆；

基于金属框架的残余应力分布，确定其的残余应力消减与均化方案，包括：超声波注入的束数及每束的方向、超声变幅杆是否增加工具头、每束的超声波的工作参数；超声的工作参数至少包括下列之一：频率、幅度、相位和单轮注入时长；

所述金属框架固定于权利要求1至9任一所述的一种金属框架的残余应力消减与均化装置内；

基于所确定的金属框架的残余应力消减与均化方案，向金属框架内部注入至少一束超声波，实现对所述金属框架的残余应力若干轮的消减与均化，直至所述残余应力满足要求；

其中，每轮消减与均化前，均需重新测试的金属框架的残余应力分布。

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