用于消除小尺寸构件残余应力的高频振动时效系统及方法
【专利摘要】高频振动时效系统，包括信号发生器、功率放大器、振动台、振级放大装置、电荷放大器、示波器和处理器；处理器控制信号发生器输出正弦激励信号；振级放大装置固定于激振台面，加速度传感器分别与电荷放大器的输入通道连接，电荷放大器的输出通道分别与示波器连接，示波器与处理器连接。消除小尺寸构件残余应力的方法包括制造振级放大装置；制造压块；小尺寸构件装夹在上托台，第二加速度传感器装在上托台，第一加速度传感器装在下底盘；下底盘固定在激振台面；确定信号发生器输出的高频振动时效的激振频率，对小尺寸构件进行高频振动时效处理，直至示波器上显示的电压波形的幅值稳定为止。本发明具有能够通过振动来消除小尺寸构件残余应力的优点。
【专利说明】用于消除小尺寸构件残余应力的高频振动时效系统及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及用于消除小尺寸构件残余应力的高频振动时效系统及方法，尤其适合于MEMS等小尺寸构件。
技术背景
[0002]振动时效技术是机械工程领域常用的残余应力消除方法，是通过对构件施加机械振动载荷，当构件内部的残余应力和附加的振动应力的和超过材料的局部屈服极限的时候，使材料发生局部的塑性变形，从而使材料内部的残余应力得以松弛和降低。
[0003]传统低频振动时效采用可调电机作为激振装置，是对构件作用大振幅的动应力来消除残余应力，构件的宏观变形量大，容易导致构件的疲劳损伤。饶德林等人在〈〈振动与冲击 >> 杂志上的文献“振动时效消除拼焊不锈钢板的残余应力”中公布了振动时效处理的构件是一大型实验装置的底板，材料是超低碳不锈钢304L，整个圆形底板直径为7.6m,由五块不锈钢板采用埋弧焊拼焊而成，板厚度均为75 mm。张超等人在《焊接学报》杂志上的文献“大直缝焊管热时效与振动时效消应力工艺比较”中公布了试验用钢管材料为Q345钢，其尺寸为长度12m，外径800mm，壁厚40mm。由传统低频振动时效的研究文献可以发现传统低频振动时效适合于消除大尺寸构件的残余应力，且采用传统调速电机激振的低频振动时效装置难以装夹小尺寸构件。因此，传统低频振动时效无法用于消除小尺寸构件的残余应力。
【发明内容】
[0004]为了克服现有技术无法实现对小尺寸构件通过振动来消除残余应力的缺点，本发明提供了一种能够通过振动来消除残余应力的用于消除小尺寸构件残余应力的高频振动时效系统及方法，该系统及 方法是对构件作用小振幅动应力来消除残余应力，属于微幅激振时效，构件宏观变形量小，可以保护构件不受疲劳损伤的危险，尤其适用于消除MEMS等小尺寸构件的残余应力。
[0005]用于消除小尺寸构件残余应力的高频振动时效系统，包括信号发生器、功率放大器、振动台、振级放大装置、电荷放大器、示波器和处理器；处理器控制信号发生器输出幅值和频率均能够独立且连续调节的正弦激励信号；正弦激励信号经功率放大器输入振动台；
振级放大装置固定于振动台运动部件的激振台面上，振级放大装置包括上托台，固定在激振台面上的下底盘和连接上托台与下底盘的连杆；连杆的截面面积小于上托台的截面面积，且连杆的截面面积小于下底盘的截面面积；
第一加速度传感器安装于下底盘的上表面，第二加速度传感器安装于上托台的上表面，第一加速度传感器与电荷放大器的第一输入通道连接，第二加速度传感器与电荷放大器的第二输入通道连接，电荷放大器的两个输出通道分别与示波器连接，示波器与处理器连接。
[0006]具体来说，小尺寸构件装夹于上托台的上表面，在振级放大装置的共振频率下对小尺寸构件进行高频振动消除残余应力的处理。第一加速度传感器的输出信号表征振动台的输出振级A，第二加速度传感器的输出信号表征振级放大装置的输出振级，振级放大装置的输出振级32即为作用在小尺寸构件上的振级。处理器实时显示振动台的输出振级A与振级放大装置的输出振级a2。在振级放大装置的共振频率下激振时，振级放大装置的输出振级<32大于振动台的输出振级^，从而提高残余应力的消除效果。
[0007]振动台用于产生频率大于I kHz的高频振动，其最高激振频率可以达到10 kHz以上。
[0008]进一步，小尺寸构件的尺寸小于上托台的直径，以保证小尺寸构件与上托台接触的表面全部位于上托台的上表面。
[0009]进一步，小尺寸构件通过压块装夹于振级放大装置的上托台，压块中部设有U形槽，小尺寸构件被压紧于U形槽和上托台之间，压块通过螺钉压紧于上托台。
[0010]U形槽的深度小于小尺寸构件的厚度，保证小尺寸构件能够被压紧在U形槽内。
[0011]进一步，压块为U形块，压块两侧的压紧台通过螺钉与上托台连接。
[0012]进一步，第一加速度传感器和第二加速度传感器均为压电式加速度传感器。
[0013]使用高频振动时效系统消除小尺寸构件残余应力的方法包括以下步骤:
(1)、制造振级放大装置，振级放大装置包括上托台，固定在激振台面上的下底盘和连接上托台与下底盘的连杆，连杆的截面面积小于上托台的截面面积，且连杆的截面面积小于下底盘的截面面积；
(2)、制造压块，压块中部设有U形槽，小尺寸构件被压紧于U形槽和上托台之间;U形槽的深度小于小尺寸构件的厚度；
(3)、将小尺寸构件装夹在上托台；将第二加速度传感器安装在上托台，第一加速度传感器安装在下底盘；下底盘固定在振动台的激振台面上，下底盘与上托台通过连杆相连接；接通处理器与信号发生器以及示波器之间的信号连线；接通信号发生器与功率放大器之间的信号连线；接通加速度传感器与电荷放大器之间的信号连线；接通电荷放大器与示波器之间的信号连线；接通处理器、功率放大器、信号发生器、电荷放大器、示波器、振动台的电源；
(4 )、确定信号发生器输出的高频振动时效的激振频率f ；
(5)、缓慢调节功率放大器的增益旋钮使得功率放大器输出恒定的电流I，驱动振动台对小尺寸构件进行高频振动时效处理，直至示波器上显示的电压波形的幅值稳定为止。
[0014]进一步，步骤(4)中，确定信号发生器输出的高频振动时效激振频率/包括以下步骤:
(4.1)信号发生器的初始激励频率&设置为1000 Hz，然后以100 Hz为步长逐步增加信号发生器的输出频率;缓慢调节功率放大器的增益旋钮使得功率放大器输出恒定的电流I ;处理器分别记录下每一激励频率时振动台的输出振级4与振级放大装置的输出振级;处理器计
算每一激励频率的振级比值,得到振级比值最大时的频率；处理器记录下该频率，
并记为?\ ;
(4.2)信号发生器的初始激励频率设置为(Λ-100) Hz,以10 Hz为步长逐步增加信号发生器的输出频率，然后重复步骤(4.1)的过程，得到振级比值%最大时的频率；处理器
记录下该频率，并记为/2 ；
(4.3)信号发生器的初始激励频率设置为(/2_10) Hz,以I Hz为步长逐步增加信号发
生器的输出频率，然后重复步骤(4.1)的过程，得到振级比值最大时的频率；处理器记
录下该频率，并记为/3，即为高频振动时效的激振频率/。
[0015]本发明的有益效果如下:
1、通过在振级放大装置的共振频率下对小尺寸构件进行高频振动消除残余应力的处理，能够放大振动台的输出振级，即提高了作用在小尺寸构件上的振级，具有能够既显著地消除小尺寸构件的残余应力，同时小尺寸构件的宏观变形量小的优点。
[0016]2、小尺寸构件装夹于振级放大装置的上托台，振级放大装置固定于振动台的激振台面上，从而克服了小尺寸构件难以直接装夹于振动台激振台面上的缺点，具有降低小尺寸构件难以装夹的优点。
【专利附图】
【附图说明】
[0017]图1是用于消除小尺寸构件残余应力的高频振动时效系统示意图。 [0018]图2是振级放大装置示意图。
[0019]图3是压块示意图。
[0020]图4a是Crl2MoV淬火小尺寸构件的正视图。
[0021]图4b是Crl2MoV淬火小尺寸构件的俯视图。
[0022]图5a是z轴向残余应力与振级之间的关系示意图。
[0023]图5b是_7轴向残余应力与振级之间的关系示意图。
[0024]图5c是^和_7轴向残余应力消除率与振级之间的关系示意图。
【具体实施方式】
[0025]实施例一
参照附图，进一步说明本发明:
用于消除小尺寸构件残余应力的高频振动时效系统，包括信号发生器、功率放大器、振动台、振级放大装置1、电荷放大器、示波器和处理器；处理器控制信号发生器输出幅值和频率均能够独立且连续调节的正弦激励信号；正弦激励信号经功率放大器输入振动台；振级放大装置I固定于振动台运动部件7的激振台面6上，振级放大装置I包括上托台11，固定在激振台面6上的下底盘12和连接上托台11与下底盘12的连杆13 ;连杆13的截面面积小于上托台11的截面面积，且连杆13的截面面积小于下底盘12的截面面积；第一加速度传感器4安装于下底盘12的上表面，第二加速度传感器5安装于上托台11的上表面，第一加速度传感器4与电荷放大器的第一输入通道连接,第二加速度传感器5与电荷放大器的第二输入通道连接，电荷放大器的两个输出通道分别与示波器连接，示波器与处理器连接；
具体来说，小尺寸构件3装夹于上托台11的上表面，在振级放大装置I的共振频率下对小尺寸构件3进行高频振动消除残余应力的处理。第一加速度传感器4的输出信号表征振动台的输出振级S1,第二加速度传感器5的输出信号表征振级放大装置I的输出振级a2,振级放大装置I的输出振级a2即为作用在小尺寸构件3上的振级。处理器实时显示振动台的输出振级A与振级放大装置I的输出振级a2。在振级放大装置I的共振频率下激振时，振级放大装置的输出振级a2大于振动台的输出振级^，从而提高残余应力的消除效果。
[0026]振动台用于产生频率大于I kHz的高频振动，其最高激振频率可以达到10 kHz以上。
[0027]小尺寸构件3的尺寸小于上托台11的直径D，以保证小尺寸构件3与上托台11接触的表面全部位于上托台11的上表面。
[0028]小尺寸构件3通过压块2装夹于振级放大装置I的上托台11，压块2中部设有U形槽21，小尺寸构件3被压紧于U形槽21和上托台11之间，压块2通过螺钉压紧于上托台11。
[0029]U形槽21的深度小于小尺寸构件3的厚度，保证小尺寸构件3能够被压紧在U形槽21内。
[0030]压块2为U形块，压块2两侧的压紧台22通过螺钉与上托台11连接。
[0031]第一加速度传感器4和第二加速度传感器5均为压电式加速度传感器。
[0032]使用高频振动时效系统消除小尺寸构件残余应力的方法包括以下步骤:
(I )、制造振级放大装置I，振级放大装置I包括上托台11，固定在激振台面6上的下底盘12和连接上托台11与下底盘12的连杆13，连杆13的截面面积小于上托台11的截面面积，且连杆13的截面面积小于下底盘12的截面面积；
(2)、制造U形压块2，压块2包括U形槽21与两侧的压紧台22组成，U形槽21的深度h(mm)与小尺寸构件3的厚度d(mm)之间满足h〈d，压紧台22上开有安装孔23，U型槽21用于安装小尺寸构件3，压紧台22通过螺钉将小尺寸构件3压紧于上托台11 ；
(3)、将小尺寸构件3装夹在上托台11;将第二加速度传感器5安装在上托台11，第一加速度传感器4安装在下底盘12 ;下底盘12固定在振动台的激振台面6上，下底盘12与上托台11通过连杆13相连接；接通处理器与信号发生器以及示波器之间的信号连线；接通信号发生器与功率放大器之间的信号连线；接通加速度传感器与电荷放大器之间的信号连线；接通电荷放大器与示波器之间的信号连线；接通处理器、功率放大器、信号发生器、电荷放大器、示波器、振动台的电源；
(4)、确定信号发生器输出的高频振动时效的激振频率
【权利要求】
1.用于消除小尺寸构件残余应力的高频振动时效系统，其特征在于:包括信号发生器、功率放大器、振动台、振级放大装置、电荷放大器、示波器和处理器；处理器控制信号发生器输出幅值和频率均能够独立且连续调节的正弦激励信号；正弦激励信号经功率放大器输入振动台； 振级放大装置固定于振动台运动部件的激振台面上，振级放大装置包括上托台，固定在激振台面上的下底盘和连接上托台与下底盘的连杆；连杆的截面面积小于上托台的截面面积，且连杆的截面面积小于下底盘的截面面积； 第一加速度传感器安装于下底盘，第二加速度传感器安装于上托台，第一加速度传感器与电荷放大器的第一输入通道连接，第二加速度传感器与电荷放大器的第二输入通道连接，电荷放大器的两个输出通道分别与示波器连接，示波器与处理器连接。
2.如权利要求1所述的用于消除小尺寸构件残余应力的高频振动时效系统，其特征在于:小尺寸构件的尺寸小于上托台的直径。
3.如权利要求2所述的用于消除小尺寸构件残余应力的高频振动时效系统，其特征在于:小尺寸构件通过压块装夹于振级放大装置的上托台，压块中部设有U形槽，小尺寸构件被压紧于U形槽和上托台之间，压块通过螺钉压紧于上托台。
4.如权利要求3所述的用于消除小尺寸构件残余应力的高频振动时效系统，其特征在于:压块为U形块，压块两侧的压紧台通过螺钉与上托台连接。
5.如权利要求4所述的用于消除小尺寸构件残余应力的高频振动时效系统，其特征在于:第一加速度传感器和第二加速度传感器均为压电式加速度传感器。
6.使用高频振动时效系统消除小尺寸构件残余应力的方法包括以下步骤: (1)、制造振级放大装置，振级放大装置包括上托台，固定在激振台面上的下底盘和连接上托台与下底盘的连杆，连杆的截面面积小于上托台的截面面积，且连杆的截面面积小于下底盘的截面面积； (2)、制造压块，压块中部设有U形槽，小尺寸构件被压紧于U形槽和上托台之间;U形槽的深度小于小尺寸构件的厚度； (3)、将小尺寸构件装夹在上托台；将第二加速度传感器安装在上托台，第一加速度传感器安装在下底盘；下底盘固定在振动台的激振台面上，下底盘与上托台通过连杆相连接；接通处理器与信号发生器以及示波器之间的信号连线；接通信号发生器与功率放大器之间的信号连线；接通加速度传感器与电荷放大器之间的信号连线；接通电荷放大器与示波器之间的信号连线；接通处理器、功率放大器、信号发生器、电荷放大器、示波器、振动台的电源； (4)、确定信号发生器输出的高频振动时效的激振频率f； (5)、缓慢调节功率放大器的增益旋钮使得功率放大器输出恒定的电流I，驱动振动台对小尺寸构件进行高频振动时效处理，直至示波器上显示的电压波形的幅值稳定为止。
7.如权利要求6所述的使用高频振动时效系统消除小尺寸构件残余应力的方法，其特征在于:步骤(4)中，确定信号发生器输出的高频振动时效激振频率/包括以下步骤: (4.1)信号发生器的初始激励频率A设置为1000 Hz，然后以100 Hz为步长逐步增加信号发生器的输出频率；缓慢调节功率放大器的增益旋钮使得功率放大器输出恒定的电流I ;处理器分别记录下每一激励频率时振动台的输出振级A与振级放大装置的输出振级a2;处理器计算每一激励频率的振级比值￡)/，得到振级比值*)<最大时的频率；处理器记录下该频率，并记为Λ ；(4.2)信号发生器的初始激励频率设置为(Λ-100) Hz,以10 Hz为步长逐步增加信号发生器的输出频率，然后重复步骤(4.1)的过程，得到振级比值最大时的频率；处理器记录下该频率，并记为Z12 ；(4.3)信号发生器的初始激励频率设置为(/2_10) Hz,以I Hz为步长逐步增加信号发生器的输出频率，然后重复步骤(4.1)的过程，得到振级比值最大时的频率；处理器记录下该频率，并记为/3， 即为高频振动时效的激振频率/。
【文档编号】C21D10/00GK103757197SQ201410037981
【公开日】2014年4月30日 申请日期:2014年1月25日 优先权日:2014年1月25日
【发明者】何闻, 顾邦平, 潘龙, 周杰, 贾叔仕 申请人:浙江大学