CN112731867A - 一种薄壁零件残余应力检测在线补偿及振动时效方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种薄壁零件残余应力检测在线补偿及振动时效方法，包括数控系统、计算机及NX的CAD和CAM软件模块二次开发软件、应力分析及时效激振处理系统、在线检测系统、残余应力检测装置和振动时效激振装置，具体分为四步实现；本发明不仅考虑到刀具变形与工件变形的耦合情况，还对工件从夹具中取出后，由于外部夹紧力的释放，零件再次发生变形的情况进行检测和残余应力去除，同时还可以进行二次在线检测，在高效的释放残余应力的同时实现在线补偿修复加工，同时本申请可以实现较高自动化和智能化应用，以加工检测为一体，便于产业化转换，相对传统的理论推导与仿真优化具有更深入研究和应用的价值。

Description

一种薄壁零件残余应力检测在线补偿及振动时效方法
技术领域
本发明涉及薄壁零件加工技术领域，尤其涉及一种薄壁零件残余应力检测在线补偿及振动时效方法。
背景技术
薄壁零件广泛应用在汽车、航空航天、军工、卫星通讯等行业。工件材料的性能、还受生产设备、工艺方法、工艺装备、装夹定位方法、夹紧力、切削方式、切削参数、材料去除量等多因素的影响。为满足产品轻量化的设计要求，薄壁零件也日益成为设计和制造的主流，薄壁零件加工难度大，加工过程易产生变形、产品质量难保证等一直是制造业面临的重大挑战之一。特别是在航空航天、卫星通讯领域，复杂的结构设计，较低的结构刚性，较大的残余应力，使得在机械加工时极易引起工件的局部变形。另外，由于残余应力无法完全消除，零部件在多频次使用的环境下，出现疲劳裂纹，从而导致无法满足使用要求，甚至出现安全事故；
虽然目前提出了多种解决方法，但大多数是基于理论推导与仿真分析，或只针对某特点产品或单一技术解决方案进行研究和实验，与实际工程的较普遍应用还有较大的差距，并且有些技术方案考虑问题不够全面，很少涉足到薄壁工件的实际变形问题、机床自身精度问题以及零件加工热变形问题，因此，本发明提出一种薄壁零件残余应力检测在线补偿及振动时效方法以解决现有技术中存在的问题。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的在于提出一种薄壁零件残余应力检测在线补偿及振动时效方法，该薄壁零件残余应力检测在线补偿及振动时效方法不仅考虑到刀具变形与工件变形的耦合情况，还对工件从夹具中取出后，由于外部夹紧力的释放，零件再次发生变形的情况进行检测和残余应力去除，同时还可以进行二次在线检测，在高效的释放残余应力的同时数控机床运行修复补偿后的程序，实现在线补偿修复加工，同时本申请可以实现较高自动化和智能化应用，以加工检测为一体，便于产业化转换，相对传统的理论推导与仿真优化具有更深入研究和应用的价值。
为实现本发明的目的，本发明通过以下技术方案实现：一种薄壁零件残余应力检测在线补偿及振动时效方法，包括数控系统、计算机及NX的CAD和CAM软件模块二次开发软件、应力分析及时效激振处理系统、在线检测系统、残余应力检测装置和振动时效激振装置，其具体步骤为：
第一步、将薄壁零件在数控机床上的在线监测系统中的实测坐标位置数据与理论数模数据进行分析和对比计算，然后将薄壁零件模型中的点位坐作为数据引导残余应力检测装置有针对性的进行快速应力检测；
第二步、基于精加工工序前的产品结构和加工余量，建立有限元分析模型，通过在线检测系统获取的坐标位置及残余应力数据和模态分析确定振动时效的支撑和激振点位、激振频率的取值范围并确定激振频率和激振力的取值；
第三步、通过振动时效激振装置对零件进行频谱谐波振动时效，并通过应力分析及时效激振处理系统将在线检测数据和残余应力检测数据综合分析运算处理成CAD数模数据，得出修复和补偿加工路径；
第四步、利用计算机及NX的CAD和CAM软件模块二次开发的数据处理软件生成补偿模型和补偿加工程序，并通过数控机床在线进行误差补偿和修复。
进一步改进在于：所述第一步中的残余应力检测装置主要是X射线应力监测设备。
进一步改进在于：所述X射线应力监测设备检测原理是存在的残余应力使不同晶粒的同族晶面之间的间距会随着残余应力的大小发生有规律的变化，使用具有一定波长的X射线照射发生变化的多晶体时，其衍射谱会发生偏移，通过对这些细微的偏移量进行计算，就可得出残余应力的具体数值，利用X射线衍射法对试样进行测量，此时当准直器发出的X射线照射到符合要求的衍射晶面时，发生细小的畸变，通过探测器探测该变化就可计算出残余应力的大小。
进一步改进在于：述在线监测系统的具体检测过程为测量时CNC(数控系统)调用测量程序，探针开始接近理论测量点，当测球碰到工件表面并且接触力达到预设值时，测头通过红外线或无线电发出信号给接收器，接收器反馈给CNC，CNC通过伺服系统控制探针往回移动一定距离，然后再多次向理论测点靠近，最后测出该触碰点的实际测量值。
进一步改进在于：所述第四步中补偿模型和补偿加工程序生成的原理是基于计算机及NX的CAD和CAM软件模块二次开发软件，将薄壁零件的理论CAD数模数据和在线检测数据及残余应力数据处理成可视化的数据，软件获取到工件的坐标位置数据和残余应力数据后进行分析和数据拟合，从而生成补偿模型和补偿加工程序。
进一步改进在于：所述在线监测系统的过程分为测点路径规划、测量程序生成、测量平台搭建和数据后处理五个环节，并且测量平台搭建需要配置测头与接收器之间的参数和接收与机床之间的参数。
进一步改进在于：所述计算机及NX的CAD和CAM软件模块二次开发软件中需要应用NX的CAD和CAM软件模块二次开发的在线检测软件进行测点规划、检测程序生成、误差数据后处理、检测报告生成。
本发明的有益效果为：本发明不仅考虑到刀具变形与工件变形的耦合情况，还对工件从夹具中取出后，由于外部夹紧力的释放，零件再次发生变形的情况进行检测和残余应力去除，同时还可以进行二次在线检测，在高效的释放残余应力的同时数控机床运行修复补偿后的程序，实现在线补偿修复加工，同时本申请可以实现较高自动化和智能化应用，以加工检测为一体，便于产业化转换，相对传统的理论推导与仿真优化具有更深入研究和应用的价值。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的构架图。
图2为本发明的流程图。
图3为本发明的线检测系统原理图。
图4为本发明的补偿模型和补偿加工程序生成原理流程图。
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作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。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
根据图1、2、3、4所示，本实施例提供了一种薄壁零件残余应力检测在线补偿及振动时效方法，包括数控系统、计算机及NX的CAD和CAM软件模块二次开发软件、应力分析及时效激振处理系统、在线检测系统、残余应力检测装置和振动时效激振装置，其具体步骤为：
第一步、将薄壁零件在数控机床上的在线监测系统中的实测坐标位置数据与理论数模数据进行分析和对比计算，然后将薄壁零件模型中的点位坐作为数据引导残余应力检测装置有针对性的进行快速应力检测，其中残余应力检测装置为X射线应力监测设备；
第二步、基于精加工工序前的产品结构和加工余量，建立有限元分析模型，通过在线检测系统获取的坐标位置及残余应力数据和模态分析确定振动时效的支撑和激振点位、激振频率的取值范围并确定激振频率和激振力的取值；
第三步、通过振动时效激振装置对零件进行频谱谐波振动时效，并通过应力分析及时效激振处理系统将在线检测数据和残余应力检测数据综合分析运算处理成CAD数模数据，得出修复和补偿加工路径；
第四步、利用计算机及NX的CAD和CAM软件模块二次开发的数据处理软件生成补偿模型和补偿加工程序，并通过数控机床在线进行误差补偿和修复。
所述X射线应力监测设备检测原理是存在的残余应力使不同晶粒的同族晶面之间的间距会随着残余应力的大小发生有规律的变化，使用具有一定波长的X射线照射发生变化的多晶体时，其衍射谱会发生偏移，通过对这些细微的偏移量进行计算，就可得出残余应力的具体数值，利用X射线衍射法对试样进行测量，此时当准直器发出的X射线照射到符合要求的衍射晶面时，发生细小的畸变，通过探测器探测该变化就可计算出残余应力的大小。
所述在线监测系统的具体检测过程为测量时CNC(数控系统)调用测量程序，探针开始接近理论测量点，当测球碰到工件表面并且接触力达到预设值时，测头通过红外线或无线电发出信号给接收器，接收器反馈给CNC，CNC通过伺服系统控制探针往回移动一定距离，然后再多次向理论测点靠近，最后测出该触碰点的实际测量值。
所述第四步中补偿模型和补偿加工程序生成的原理是基于计算机及NX的CAD和CAM软件模块二次开发软件，将薄壁零件的理论CAD数模数据和在线检测数据及残余应力数据处理成可视化的数据，软件获取到工件的坐标位置数据和残余应力数据后进行分析和数据拟合，从而生成补偿模型和补偿加工程序。
所述在线监测系统的过程分为测点路径规划、测量程序生成、测量平台搭建和数据后处理五个环节，并且测量平台搭建需要配置测头与接收器之间的参数和接收与机床之间的参数。
所述计算机及NX的CAD和CAM软件模块二次开发软件中需要应用NX的CAD和CAM软件模块二次开发的在线检测软件进行测点规划、检测程序生成、误差数据后处理、检测报告生成。
该薄壁零件残余应力检测在线补偿及振动时效方法不仅考虑到刀具变形与工件变形的耦合情况，还对工件从夹具中取出后，由于外部夹紧力的释放，零件再次发生变形的情况进行检测和残余应力去除，同时还可以进行二次在线检测，在高效的释放残余应力的同时数控机床运行修复补偿后的程序，实现在线补偿修复加工，同时本申请可以实现较高自动化和智能化应用，以加工检测为一体，便于产业化转换，相对传统的理论推导与仿真优化具有更深入研究和应用的价值。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (7)

1.一种薄壁零件残余应力检测在线补偿及振动时效方法，其特征在于包括数控系统、计算机及NX的CAD和CAM软件模块二次开发软件、应力分析及时效激振处理系统、在线检测系统、残余应力检测装置和振动时效激振装置，其具体步骤为：
第一步、将薄壁零件在数控机床上的在线监测系统中的实测坐标位置数据与理论数模数据进行分析和对比计算，然后将薄壁零件模型中的点位坐作为数据引导残余应力检测装置有针对性的进行快速应力检测；
第二步、基于精加工工序前的产品结构和加工余量，建立有限元分析模型，通过在线检测系统获取的坐标位置及残余应力数据和模态分析确定振动时效的支撑和激振点位、激振频率的取值范围并确定激振频率和激振力的取值；
第三步、通过振动时效激振装置对零件进行频谱谐波振动时效，并通过应力分析及时效激振处理系统将在线检测数据和残余应力检测数据综合分析运算处理成CAD数模数据，得出修复和补偿加工路径；
第四步、利用计算机及NX的CAD和CAM软件模块二次开发的数据处理软件生成补偿模型和补偿加工程序，并通过数控机床在线进行误差补偿和修复。
2.根据权利要求1所述的一种薄壁零件残余应力检测在线补偿及振动时效方法，其特征在于：所述第一步中的残余应力检测装置主要是X射线应力监测设备。
3.根据权利要求2所述的一种薄壁零件残余应力检测在线补偿及振动时效方法，其特征在于：所述X射线应力监测设备检测原理是存在的残余应力使不同晶粒的同族晶面之间的间距会随着残余应力的大小发生有规律的变化，使用具有一定波长的X射线照射发生变化的多晶体时，其衍射谱会发生偏移，通过对这些细微的偏移量进行计算，就可得出残余应力的具体数值，利用X射线衍射法对试样进行测量，此时当准直器发出的X射线照射到符合要求的衍射晶面时，发生细小的畸变，通过探测器探测该变化就可计算出残余应力的大小。
4.根据权利要求1所述的一种薄壁零件残余应力检测在线补偿及振动时效方法，其特征在于：所述在线监测系统的具体检测过程为测量时CNC(数控系统)调用测量程序，探针开始接近理论测量点，当测球碰到工件表面并且接触力达到预设值时，测头通过红外线或无线电发出信号给接收器，接收器反馈给CNC，CNC通过伺服系统控制探针往回移动一定距离，然后再多次向理论测点靠近，最后测出该触碰点的实际测量值。
5.根据权利要求1所述的一种薄壁零件残余应力检测在线补偿及振动时效方法，其特征在于：所述第四步中补偿模型和补偿加工程序生成的原理是基于计算机及NX的CAD和CAM软件模块二次开发软件，将薄壁零件的理论CAD数模数据和在线检测数据及残余应力数据处理成可视化的数据，软件获取到工件的坐标位置数据和残余应力数据后进行分析和数据拟合，从而生成补偿模型和补偿加工程序。
6.根据权利要求1所述的一种薄壁零件残余应力检测在线补偿及振动时效方法，其特征在于：所述在线监测系统的过程分为测点路径规划、测量程序生成、测量平台搭建和数据后处理五个环节，并且测量平台搭建需要配置测头与接收器之间的参数和接收与机床之间的参数。
7.根据权利要求1所述的一种薄壁零件残余应力检测在线补偿及振动时效方法，其特征在于：所述计算机及NX的CAD和CAM软件模块二次开发软件中需要应用NX的CAD和CAM软件模块二次开发的在线检测软件进行测点规划、检测程序生成、误差数据后处理、检测报告生成。
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