专利名称：一种中低频轴类零件振动时效装置及其使用方法
技术领域：
本发明涉及一种振动时效装置，尤其是一种用于消减弯曲振动固有频率小于 200HZ的中低频轴类零件残余应力的轴类零件的振动时效装置。
背景技术：
振动时效技术是一种消除工件内部残余应力的方法，通过振动，使工件内部的残余应力和振动产生的动应力的叠加达到或超过材料屈服强度的时候，材料发生微量的塑性变形，从而使材料的内应力得以松弛和减轻。与热时效相比，振动时效具有投资少、见效快、 运行费用低和有利于环保等优点。因此，振动时效这一高新技术具有广泛的应用前景。但是，现行针对轴类零件的振动时效装置很多不能使工件产生有效的弯曲变形， 没有达到“工件内部的残余应力和振动产生的动应力的叠加达到或超过材料屈服强度”的 “Wozney&Crawmer”准则，如中国专利申请号CN 102010972公开说明书公开的一种频谱谐波振动时效处理消除曲轴内应力的方法，其处理装置是将轴类零件固定连接支撑架上，支撑架装夹在钢板制作的振动台上，激振器安置在振动台上，振动时效处理时，通过激振器使振动台振动，对轴类零件进行时效处理。这种方法使轴类零件随振动台做刚体性振动，很难激励轴类零件产生弯曲振型的主共振，也就很难产生振动时效所需的弯曲变形和相应的动应力。因此这种装置是难以消减轴类零件残余应力，实现振动时效的预期效果的。又如中国专利申请号CN 03115266. X公开说明书公开的一种冶金轧辊的应力快速调整方法，其处理装置是将轧辊放置在弹性支撑上，激振器放于轧辊中部进行激励。该种方法进行振动时效处理时，由于轧辊为高刚度零件，其弯曲振动的固有频率一般都高于现有激振器的激振频率，因此，该装置也是难以激励轧辊产弯曲振型的主共振的，也很难产生振动时效所需的弯曲变形和相应的动应力。该方法将轧辊通过弹性支撑与底座连接，因为弹性支撑的刚度小，因此轧辊和弹性支撑组成的系统可以在激振器作用下产生主共振，所以该专利申请者会误以为可以实现消减残余应力。但实际上，由于轧辊的弯曲振动固有频率远高于激振器的激振频率，系统的振动是弹性支撑产生变形，而轧辊作为整体随系统作刚体运动，不会产生所需要的弯曲变形，不会产生足够大的动应力去消除残余应力。由于存在弹性支撑，导致轧辊和弹性支撑组成的系统固有频率明显低于轧辊自身弯曲振动的固有频率。所以无论其处理中低频还是高频，按照该系统的固有频率进行激振，其激振频率实际上低于轧辊本身的弯曲振动固有频率，使轧辊无法获得足够的动应力，去消除其内部的残余应力。总之，现行轴类零件的振动时效装置的效果差，难以实现消减残余应力的预期效果。这是制约振动时效技术在轴类零件上的应用的一个重要原因。
发明内容
本发明的目的是提供一种中低频轴类零件振动时效装置及其使用方法，它能够使轴类零件产生弯曲振型的主共振，产生的弯曲振动动应力与残余应力的叠加可大于材料的屈服极限，从而有效地消减轴类零件的残余应力。
本发明通过以下技术方案达到上述目的一种中低频轴类零件振动时效装置，由激振器、用于夹撑工件的夹撑块及与该夹撑块相连接的支撑机构，所述支撑机构由一对相对设置的左支撑架、右支撑架以及安装该左支撑架和右支撑架的支撑座，所述夹撑块与支撑机构的左支撑架和右支撑架均为可转动的连接，左支撑架和右支撑架与支撑底座成刚性连接，该轴类零件振动时效装置还设有一个安装所述激振器的激振器底座，所述激振器底座装夹于工件中部，振动时效时，激振器和激振器底座及工件一起振动。所述激振器底座由上底盖和下底板组成，激振器安装在上底盖的中部，上底盖和下底座之间通过螺栓连接，上底盖和下底座两端头呈圆弧状，相连接后可以固定在轴类零件上。所述激励器底座由两端开有呈圆弧形叉口的叉条及与叉条两端的叉口相配的左端盖和右端盖组成，该左端盖和右端盖配合安装后，激振器底座固定在轴类零件上。所述支撑底座与左支撑架相应处开有滑槽，该左支撑架可在滑槽内移动，调节左支撑架与右支撑架的距离。所述夹撑块与支撑机构的左支撑架和右支撑架通过铰链连接。所述夹撑块中夹撑工件的夹块的夹撑面呈圆弧形或V形。所述的一种中低频轴类零件振动时效装置的使用方法，包括如下步骤(1)选择弯曲振动固有频率小于200Hz的轴类零件，(2)将轴类零件放置在支撑机构的夹撑块上，(3)将安装有激振器的激振器底座夹撑在轴类零件的中部，(4)调整激振器的激励频率，使其以与轴类零件固有频率大小相同的频率进行激励，使其产生弯曲振动模态的主共振。振动时效时，激振器和激振器底座及工件一并振动，通过将激振器底座装夹于工件中部，激振器激励时所产生的激振力以轴的弯曲振动固有频率的频率直接作用于轴的中部，使轴类零件产生弯曲主共振，其产生的弯曲振动动应力与残余应力的叠加可大于材料的屈服极限，符合消减残余应力的“Wozney&Crawmer”准则，能够有效解决现有振动时效装置难实现轴类工件产生有效弯曲共振和消减残余应力所要求的动应力的难题。本发明中所称的中低频轴类零件是指其弯曲振动固有频率低于200Hz的轴类零件。本发明的突出效果在于由于安装激振器的激振器底座安装在工件的中部，以轴类零件的弯曲振动固有频率进行激振。加之左支撑架和有支撑架提供给轴类零件刚性支撑，使轴类零件可以产生简支梁支撑形式的弯曲振动主振型，所以能让轴类零件产生弯曲振动的主共振变形和动应力，产生的弯曲振动动应力与残余应力的叠加可大于材料的屈服极限，从而有效地消减轴类零件的残余应力。解决现有振动时效装置难以使工件产生有效的动作变形，无法达到“工件内部的残余应力和振动产生的动应力的叠加达到或超过材料屈服强度”的 “Wozney&Crawmer”准则的难题，并且由于夹撑块与支撑机构的左支撑架和右支撑架均为可转动的连接，曲轴两端变形量也能够得到保障，同时使两根轴的动应力分布也比传统振动方式更加均勻，从而保证能够有效地消减轴类零件的残余应力。
图1是本发明所述的轴类零件的振动时效装置的实施方式一结构示意图。图2是图IA处放大结构示意图。图3是本发明所述的轴类零件的振动时效装置的实施方式二结构示意图。图4是本发明所述的轴类零件的振动时效装置用于处理发动机曲轴的使用状态图。图5是本发明所述的轴类零件的振动时效机构的装夹曲轴时在激振器作用下产生变形的仿真模型。图6是现行平板式曲轴振动时效装置(如中国专利申请号CN 102010972公开说明书公开的装置)在激振器作用下产生变形的仿真模型。
具体实施例方式以下通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步说明。实施例1如图1所示，本发明所述的轴类零件的振动时效装置，由激振器5、激励器底座、夹撑块3以及支撑机构组成。激振器5的底端设有连接板52，连接板52上开有两个连接孔51，激励器底座包括上底盖13和下底板14，上底盖13的中部与连接板52的连接孔51对应处开有两个螺孔，将螺栓7穿过连接板52上的连接孔51拧入上底盖的螺孔内，即可将激振器5固定在上底盖 13中间位置上，上底盖13的两端头呈圆弧状凹口 12，凹口 12的边缘设有凸出的平板15， 平板15上开有通孔，下底板14结构与上底盖13形状类似，上底盖13和下底板14通过螺栓7将上底盖13和下底板14合在一起，上底盖13的凹口 12与下底板14的凹口相配后， 形成圆形夹口，夹在轴类零件4中部，此时，激振器5位于两根轴类零件4的中间，振动时效时，激振器5带动激振器底座6 —并振动，显然，此激振器底座6的位置可在轴向进行移动， 通过松开螺栓7，即可将上底盖13与下底板14分开，只要轴类零件轴径4的直径大小与上底盖13的凹口 12和下底板14的凹口相配后的形成环形夹口大小相适应，便可将上底盖13 置于轴类零件上，再通过螺栓7将上底盖13和下底板14连接在一起，很简单地调整了激振器底座6在轴类零件4上的位置，即同时也改变了激振器5对轴类零件4的激励位置，便能使轴类零件4产生不同振型的弯曲振动，改变弯曲振动应力的分布，达到消减轴类零件不同部位的残余应力。再结合图2可看出，夹撑块3的一端开有圆弧形夹撑口 32，用于夹撑轴类零件，当然该夹撑口的形状还可为V形等其它适用形状，以实现和轴端较好的接触，将力更好的传递过去，夹撑面也可以做成V型等形状。夹撑面应该夹撑到轴类零件的两端面，增加简支梁两支撑点之间的距离，将系统的弯曲振动固有频率降低，使振动时效效果更好，该夹撑块另一端呈圆柱形31，并沿其轴向开有贯通的销孔，支撑机构包括左支撑架1、右支撑架8、连接销2、支撑底座10及螺钉11，左支撑架1和右支撑架8的两侧设有凸出的销耳，两侧销耳上分别开有与连接销2及销孔相应的通孔，通过将连接销2插入两侧销耳上的通孔及夹撑块上的销孔，即将夹撑块3可转动连接的固定在左支撑架1和右支撑架8上，显然，上述连接方式属于铰链连接，当然，夹撑块与左支撑架1和右支撑架8连接方式不局限于铰链连接，还可以采用其它转动连接方式，如卡入式连接。支撑底座10在左支撑架1底端设有滑槽， 滑槽的侧面开有一长条形止位槽9，左支撑架1的底端装在滑槽上，可在滑槽上移动，左支撑架1的侧壁与止位槽9相应的处开有螺纹孔，此螺纹孔与螺钉11相配，螺钉11穿过止位槽9装在左撑架1上，通过螺钉11可以紧固和放松左撑架1，当螺钉11放松时，左支撑1可以在滑槽内左右移动。右支撑架8通过焊接或者螺栓与地面或支撑座之间形成固定连接。 移动左支撑1，调节左支撑架1和右支撑架8之间的距离，以满足不同长度的轴类零件4的需求，提高装置的通用性。图5是本发明用于处理发电机曲轴振动时效的仿真分析图，通过ANSYS仿真软件对其进行仿真计算，图5和图6是其仿真所获得的结果，从仿真结果可看出，采用本发明所述的轴类零件的振动时效机构，曲轴中部振动时效时的变形从现行振动时效装置的0. 07mm 上升到0. 64mm，最大变形范围有很大增加，曲轴两端变形量也有大幅提高，同时两根轴动应力分布也比传统振动方式更加均勻。实施例2如图3所示，本发明的另一实施方式的具体结构，本实施方式不同于实施例1之处主要激振器底6，包括叉条16、左端盖15、右端盖17，叉条16两端开有圆弧形的叉口 18 (从图中看，18的引线位置应移至叉口内)，叉口 18两端沿径向有向外凸出的延伸19，延伸板 19上开有通孔，左端盖15和右端盖17的呈圆弧形，其开口亦与叉口 18相配的圆弧形，左端盖15和右端盖17的两端也设有沿径向有向外凸出的延伸板19，延伸板19上开有通孔，通过螺栓将左端盖15和右端盖17固定在叉条16上，叉条16便可固定在轴类零件4上，安装时，将叉条16的两端的圆弧形叉口 18分别夹住轴类零件4的轴径上，然后通过螺栓将左端盖15和右端盖17固定在叉条16上，即完成了激振器底座6的安装，当然，此激振器底座6 的位置也可在轴向进行移动，可改变激振器5对轴类零件4的激励位置。本发明对轴类零件进行振动时效时，先将轴类零件放置在支撑机构的支撑块上， 然后再将安装有激振器的激振器底座的夹撑在轴类零件的中部，最后，调整激振器的激励频率，使其以与轴类零件固有频率大小相同的频率进行激励。
权利要求
1.一种中低频轴类零件振动时效装置，其特征在于，该装置由激振器、用于夹撑工件的夹撑块及与该夹撑块相连接的支撑机构，所述支撑机构由一对相对设置的左支撑架、右支撑架以及安装该左支撑架和右支撑架的支撑座，所述夹撑块与支撑机构的左支撑架和右支撑架均为可转动的连接，左支撑架和右支撑架与支撑底座成刚性连接，该轴类零件振动时效装置还设有一个安装所述激振器的激振器底座，所述激振器底座装夹于工件中部，振动时效时，激振器和激振器底座及工件一起振动。
2.根据权利要求1所述的一种中低频轴类零件振动时效装置，其特征在于，所述激振器底座由上底盖和下底板组成，激振器安装在上底盖的中部，上底盖和下底座之间通过螺栓连接，上底盖和下底座两端头呈圆弧状，相连接后可以固定在轴类零件上。
3.根据权利要求1所述的一种中低频轴类零件振动时效装置，其特征在于，所述激励器底座由两端开有呈圆弧形叉口的叉条及与叉条两端的叉口相配的左端盖和右端盖组成， 该左端盖和右端盖配合安装后，激振器底座固定在轴类零件上。
4.根据权利要求1所述的一种中低频轴类零件振动时效装置，其特征在于，所述支撑底座与左支撑架相应处开有滑槽，该左支撑架可在滑槽内移动，调节左支撑架与右支撑架的距离。
5.根据权利要求1所述的一种中低频轴类零件振动时效装置，其特征在于，所述夹撑块与支撑机构的左支撑架和右支撑架通过铰链连接。
6.根据权利要求1所述的一种中低频轴类零件振动时效装置，其特征在于，所述夹撑块中夹撑工件的夹块的夹撑面呈圆弧形或V形。
7.权利要求1所述的一种中低频轴类零件振动时效装置的使用方法，其特征在于，包括如下步骤(1)选择弯曲振动固有频率小于200Hz的轴类零件，(2)将轴类零件放置在支撑机构的夹撑块上，(3)将安装有激振器的激振器底座夹撑在轴类零件的中部，(4)调整激振器的激励频率，使其以与轴类零件固有频率大小相同的频率进行激励，使其产生弯曲振动模态的主共振。
全文摘要
一种中低频轴类零件振动时效装置及其使用方法，装置包括激振器、用于夹撑工件的夹撑块及与该夹撑块相连接的支撑机构，所述支撑机构由一对相对设置的左支撑架、右支撑架及安装该左支撑架和右支撑架的支撑座，所述夹撑块与支撑机构的左支撑架和右支撑架均为可转动连接，该装置还包括一个安装所述激振器的激振器底座，激振器底座装于工件中部，振动时效时激振器、激振器底座及工件一并振动。采用简支梁形式，在激振器以轴弯曲振动固有频率激励下轴类零件产生弯曲振型的主共振，解决现有装置产生动应力达不到消减残余应力要求的难题，且轴两端变形量也有很大提高，同时轴的动应力分布更加均匀，从而能有效地消减轴类零件的残余应力。
文档编号C21D10/00GK102321793SQ20111029501
公开日2012年1月18日 申请日期2011年10月8日 优先权日2011年10月8日
发明者农慧, 李兆军, 李岩舟, 蔡敢为, 黄院星 申请人:广西大学