CN115029525A - 一种深冷-热振一体化复合工艺应力调控装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种深冷‑热振一体化复合工艺应力调控装置。本装置包含深冷‑加热温度系统、振动系统、自动控制系统和其他部分。深冷‑加热温度系统和振动系统可单独作用或者共同作用，实现对工件的残余应力均化，可以实现热时效、振动时效、热振复合时效、深冷处理、高低温循环和深冷热‑振复合应力调控工艺。自动控制系统实现装置的统一集中调控，包括温度控制、振动控制、压力控制、湿度控制和管路控制，实现工艺参数在装置中的具体调控。其他部分实现了工件装卡、箱门自动开合、安全监测和管路连接，辅助构成统一的装置系统。其优点有：实现了应力调控的集成；提高了残余应力的均化效果；增加了应力调控的效率。

Description

一种深冷-热振一体化复合工艺应力调控装置

技术领域

本发明涉及一种深冷-热振一体化复合工艺应力调控装置，属于机械制造工艺领域。

背景技术

随着航空航天事业的不断发展，新产品不断地迭代升级，对产品结构减重要求方面越来越高，对零件的性能要求也越来越高。在航天领域方面，对重量的严苛限制，使零件一般采用薄壁结构，生产方法采用复合材料一体铸造成型。这种铸造成型生产的零件有大量的残余应力积累，将导致零件表面裂纹的扩展，严重的将会导致零件破坏。热时效的方法消除残余应力，引入温度场对材料进行加热，使材料内部应力松弛，从而使残余应力均化。振动实效的方发消除残余应力，是对零件加载动应力从而使零件的残余应力得到均化和降低。热振复合的残余应力消除方法，是在施加温度场的同时施加动应力，通过温度影响提高振动时残余应力的消除效果，这种方法对于残余应力的均化具有很好的效果。深冷处理消除残余应力，由于深冷处理中的零件受到低温作用，内部发生变化，从而使零件的残余应力得到均化和降低。由目前的处理工艺来看，各设备之间相互独立，在进行相应的工艺处理时，需要将零件来回转移，工序复杂，设备众多占地面积大。针对以上问题，本发明设计了一种深冷-热振一体化复合工艺应力调控装置，通过发明装置，实现热作用、振动作用于深冷作用的相互独立或者相互耦合的工艺过程，进行零件的残余应力调控，解决分步应力调控工艺过程复杂和设备众多占地面积大的问题。

发明内容

本发明提出了一种深冷-热振一体化复合工艺应力调控设备，通过将热处理部分、深冷处理部分、振动部分的一体化设计，实现深冷处理和热振复合两种工艺的循环处理，降低零件内部和表面的残余应力，达到零件表层残余应力强化内部残余应力均化的应力分布效果。

该设备包括了深冷-加热温度系统、振动系统、自动控制系统和其他部分，如图1所示。深冷-加热温度系统主要由时效箱7，温度传感器9，箱门12，液氮罐14，制冷干燥器17，雾化加湿器18，电阻加热管19，循环风扇20，液氮冷却喷头21，风扇电机22组成。深冷-加热温度系统主要作用是实现时效箱内温度的调节，由于涉及高低温调节，同时还加集成了湿度控制功能。振动系统由机械激振器29，机械激振器固定器30，减震支撑31，振动平台32，M10螺栓33，振动平台卡具34，模态调节块37组成。机械式振动系统的工作频率为20-150Hz，激振力最大15000N。深冷-加热温度系统和振动系统共同构成了深冷-热振复合残余应力均化系统，利用温度场的循环变化和振动载荷的耦合作用实现时效样件的残余应力均化。自动控制部分主要由数字显示器2，电源开关3，绿色指示灯4，红色指示灯5，急停按钮6，触控显示器8组成，此部分能实现装置的自动控制，并实现工艺参数的输入和集成控制。其他部分由下箱体1，上箱体13，箱门旋转支撑耳座23，链轮轴24，链条25，开门电机26，开门电机支撑座27，电机端链轮28组成，该部分主要起到装置框架构成和实现箱门开闭的自动化。

如图2所示，深冷-热振一体化复合工艺应力调控装置组成说明图，装置包括深冷-加热温度系统、振动系统、自动控制系统和其他部分。深冷-加热温度系统通过电阻加热丝升高时效箱内温度，通过外部的液氮管路向时效箱内输送液氮从而降低时效箱内的温度，通过温度的循环变化实现应力均化的效果，其中涉及了温度变化速度参数、保温温度值参数、保温时间、保温温度偏差量等工艺参数的设定。振动部分通过固定器将机械激振器产生的振动传导到振动平台上，通过动应力与零件内残余应力相耦合，实现零件内部残余应力的降低与均化处理，其中涉及了振动频率、振动时间和最大动应力等工艺参数设定。自动控制部分实现了设备整体的自动化，实现了数据输入和数据输出可视化，实现了热时效和深冷时效循环处理的自动化。其他部分包含箱体和开门机构，箱体作为设备整体的框架，为设备整体提供结构框架支撑，开门机构将箱门的开闭自动化，更加方便人工操作。

附图说明

图1是深冷-热振一体化复合工艺应力调控装置示意图；

图中1为下箱体，2为数字显示器，3为电源开关，4为绿色指示灯，5为红色指示灯，6为急停按钮，7为时效箱，8为触控显示器，9为温度传感器，10为湿度传感器，11为压力传感器，12为箱门，13为上箱体，14为换气口，15为液氮罐，16为组件支架，17为制冷干燥器，18为雾化加湿器，19为电阻加热管，20为循环风扇，21为液氮冷却喷头，22为风扇电机，23为箱门旋转支撑耳座，24为链轮轴，25为链条，26为开门电机，27为开门电机支撑座，28为电机端链轮，29为机械激振器，30为机械激振器固定器，31为减震支撑，32为振动平台，33为M10螺栓，34为振动平台卡具，35为M8螺栓，36为时效样件，37为模态调节块；

图2是深冷-热振一体化复合工艺应力调控装置组成说明图。

本发明的有益效果

1、发明了一种深冷-热振一体化复合工艺应力调控装置，实现了应力调控工艺的装置集成。

2、所述的设备可以进行不同温度下的振动与温度场相结合的复合应力均化实验，从而可以进一步研究振动和温度场耦合应力均化效果和机理。

3、所述的振动系统可以通过在振动平台上移动模态调节块的安装位置，可以对振动系统的模态进行调整，从而使最大的动应力位置作用在时效样件上，从而提高残余应力均化效果。

4、所述的自动控制系统能够控制设备的深冷-加热温度控制系统和振动控制系统，通过输入相关的工艺参数即可自动完成设计的实验。

5、所述的自动控制系统能够实现检测温度、振动状态、压力状态、湿度状态，并判断设备的运行情况，在发生异常的情况下会自动报警，在判定为危险的状态下会报警并自动切断电源，使设备在使用时更加安全。

具体实施方式

见图1(a)-(d)和图2，本发明是一种深冷-热振一体化复合工艺应力调控装置，属于机械制造工艺领域。它包括深冷-加热温度系统、振动系统、控制系统和其他部分。该设备能够进行振动应力均化、热时效应力均化、深冷时效应力均化、振动-热复合应力均化和深冷-热振复合应力均化试验。

所述的深冷-加热温度系统的组成部分包括时效箱7，温度传感器9，湿度传感器10，压力传感器11，箱门12，换气口14，液氮罐15，制冷干燥器17，雾化加湿器18，电阻加热管19，循环风扇20，液氮冷却喷头21，风扇电机22，上述部件的位置关系图如图1(a)-(b)。深冷-加热温度模块作为一个整体系统安装在时效箱7的后部，通过换气口14控制时效箱内部的温度，如图1(b)所示。温度传感器9，湿度传感器10，压力传感器11安装在时效箱7的侧面下部，实时测量时效箱内时效样件的温度、湿度和压力，并传输给控制系统。深冷-加热温度模块通过组件支架16构建整体框架，通过电阻加热管19升高温度，通过液氮冷却喷头21向时效箱内输送液氮降低温度，通过风扇电机22带动循环风扇20，加速时效箱内空气和深冷-加热温度模块空气的热量交换，更快速的实现时效箱内温度的升高和降低。由于温度的升高和降低会带来箱内湿度的变化，通过制冷干燥器17，雾化加湿器18来调节时效箱内湿度值，防止水雾或过度干燥情况的出现。时效箱7的材料采用隔热效果较好的无机陶瓷纤维。

所述的振动系统的组成部分包括机械激振器29，机械激振器固定器30，减震支撑31，振动平台32，M10螺栓33，振动平台卡具34，M8螺栓35，时效样件36，模态调节块37，上述部件的位置关系图如图1(e)。机械激振器固定器30通过螺母与振动平台32连接，机械激振器29产生的振动通过机械激振器固定器30传递到振动平台上。减震支撑31安装在振动平台32的四个角上，起到支撑振动平台并隔绝振动的作用。振动平台卡具34通过M10螺栓33连接到振动平台32上，一般安装在平台动应力最大的位置。时效样件36通过M8螺栓35固定在振动平台卡具34上，振动平台卡具34可以根据时效件36的不同定制相应的卡具。模态调节块37可以是一块也可以是多块，主要用来调节振动平台的模态振型，将动应力最大的地方集中到时效样件36的位置处，达到振动应力均化的最好效果。所述的振动系统安装在时效箱7的下部，如图1(a)所示。

所述的控制系统的组成部分包括数字显示器2，电源开关3，绿色指示灯4，红色指示灯5，急停按钮6，时效箱7，触控显示器8，温度传感器9，湿度传感器10，压力传感器11，上述部件的位置关系图如图1(a)。触控显示器8可以通过支撑臂移动位置。通过触控显示器8和鼠标键盘，可以进行相关试验参数设置。相关的试验参数包括温度变化速度参数、保温温度值参数、保温时间、保温温度偏差量、振动频率、振动时间和最大动应力。控制系统对试验参数进行处理，传输给振动系统和深冷-加热温度系统，从而实现相应的实验要求。在进行相关的试验时，控制系统通过安装的温度传感器9，湿度传感器10，压力传感器11和振动系统内部的加速度传感器等，实时监控时效箱内部情况，控制振动系统和深冷-加热温度系统对设备内部物理量进行调整，实现实验的控制要求。参数的实时输出和监控部分包含了数字显示器2，绿色指示灯4，红色指示灯5。在进行实验过程中，时效箱内的关键参数会显示在数字显示器上，其中的参数包括当前时效箱内温度、当前时效箱内压力和当前时效箱内湿度。绿色指示灯4代表设备状态正常，当设备通电并正常运行时，绿色指示灯4亮起；红色指示灯5代表设备异常，当出现设备内部温度高于或低于设定温度、压力高于设定压力，红色指示灯会亮起同时发出警报并自动断电，防止危险事故发生。

所述的其他的组成部分包括下箱体1，箱门12，上箱体13，箱门旋转支撑耳座23，链轮轴24，链条25，开门电机26，开门电机支撑座27，电机端链轮28组成，上述部件的位置关系图如图1(d)。下箱体1和上箱体13共同构成设备的框架，提供深冷-加热温度系统、振动系统和控制系统的安装支撑。由于人工需要对振动平台卡具34和时效样件36进行安装，所以需要设计开门机构，实现箱门12的打开和关闭，并保持打开和关闭的状态。开门机构由箱门旋转支撑耳座23，链轮轴24，链条25，开门电机26，开门电机支撑座27，电机端链轮28组成。开门电机26通过开门电机支撑座27安装在上箱体13上，为开门机构提供动力。电机端链轮28和链轮轴24将电机扭矩放大，并传递到箱门旋转支撑耳座23上，将箱门12打开。其他部分还包含管路系统，主要包含液氮管路输入和水管路输入，通过管路向时效箱内输入氮气降低温度，达到深冷处理的效果；水管路喷洒水雾增加箱体内湿度。

以上所述仅为本发明优选实例，但本发明的保护范围并不局限于此。对于本领域相关的技术人员在本发明揭露的技术范围内，对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰都应当被认为包含在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (5)

1.一种深冷-热振一体化复合工艺应力调控装置，其特征在于，包括：

深冷-加热温度系统，包括时效箱、温度传感器、箱门、液氮罐、制冷干燥器、雾化加湿器、电阻加热管、循环风扇、液氮冷却喷头、风扇电机，通过加热丝实现箱体内部温度的升高，通过将液氮从管路注入箱体内实现箱体内部温度的降低，制冷干燥器和雾化加湿器，实现箱体内湿度调节，其中的工艺参数包括温度值、升温速度、降温速度、保温时间和保温误差范围；

振动系统，包括机械激振器、机械激振器固定器、减震支撑、振动平台32，M10螺栓、振动平台卡具、模态调节块；

自动控制系统，包括数字显示器、电源开关、绿色指示灯、红色指示灯、急停按钮和触控显示器，电源开关和急停按钮安装在箱体下方，触控显示器通过悬臂安装在箱体右侧；

其他部分，包括下箱体、上箱体、箱门旋转支撑耳座、链轮轴、链条、开门电机、开门电机支撑座、电机端链轮。

2.根据权利要求1所述的一种深冷-热振一体化复合工艺应力调控装置，其特征在于，所述深冷-加热温度系统，制冷干燥器、雾化加湿器、电阻加热管、循环风扇、液氮冷却喷头和风扇电机为统一模块，安装在组件支架上，通过管路和电路与整体装置相连，并且可以实现单独拆卸与安装；温度传感器安装在时效箱的底部，且位置上下可调，测量工件附近的温度。

3.根据权利要求1所述的一种深冷-热振一体化复合工艺应力调控装置，其特征在于，所述振动系统，机械激振器通过连杆安装在振动平台上，振动平台采用耐热材料支撑。在振动平台上会安装有多个模态调节块，通过不同的安装位置和数量来调节振动平台的模态振型，将动应力最大的位置调整到零件应力去除的位置上。其中的工艺参数包含振动频率、最大动应力、振动时间。

4.根据权利要求1所述的一种深冷-热振一体化复合工艺应力调控装置，其特征在于，所述自动控制系统，还包括湿度控制部分和安全监测部分，湿度控制部分实现在加热和深冷处理时稳定炉内的湿度，防止出现水雾或结霜的情况；安全监测实现对炉内温度、炉内压力和炉内湿度的检测，在超过预警范围时报警。

5.根据权利要求1所述的一种深冷-热振一体化复合工艺应力调控装置，其特征在于，所述其他部分，还包含管路系统，主要包含液氮管路输入和水管路输入，通过管路向时效箱内输入氮气降低温度，达到深冷处理的效果；水管路喷洒水雾增加箱体内湿度。

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