一种热振复合时效残余应力均化装置制造方法
【专利摘要】本发明提供一种热振复合时效残余应力均化装置，它由振动时效系统(A)和热时效系统(B)构成；热时效系统(B)的底托(11)、外罩(12)和隔热板(13)将振动时效系统(A)的大部分包容其内，其中三个底托(11)底部与振动时效系统(A)的底挡(8)的上表面接触，并通过调整三个底托(11)至底挡(8)的限位杆相等距离来定位振动时效系统(A)和热时效系统(B)的相对位置，对于两个系统组合部分的空隙，为了保温隔热，可以填充隔热棉或者隔热毡。本发明重点应用热和振动的复合作用来实现残余应力均化，一定程度上也可以单独完成热时效和振动时效，以及热振联合实验。本发明对科研和生产实际中的残余应力均化工艺具有重要的应用价值。
【专利说明】一种热振复合时效残余应力均化装置
【技术领域】
[0001]本发明公开了一种应用于残余应力均化的热振复合时效装置，更特别地说是一种可以实现热时效、振动时效并重点实施复合时效的装置，本发明属于机械类设计生产和应用的【技术领域】。
【背景技术】
[0002]随着国民经济的稳步发展以及科技进步的需要，以航空航天为代表的先进制造领域对产品的性能要求越来越高。然而飞机采用的大型整体薄壁结构件在机械加工过程中往往会出现加工变形超标问题，直接导致工件报废、工期延误等不良后果；航空发动机上一些热端关键件在高温和振动的工作条件下，也会产生较大的服役变形，直接影响零件的工作状态和使用寿命；而航天关重件因为性能需要，成本昂贵，若因变形而报废，则损失巨大。科研结果表明，导致这些问题的首要因素为毛坯中存在的残余应力。
[0003]目前，企业上消除残余应力的主要方式为热时效和振动时效。
[0004]热时效是指通过对工件进行加热、保温以及冷却处理，使材料在温度场的作用下将残余应力释放、降低和均化。热时效实践应用广泛，残余应力均化的效果明显，然而却存在周期长、成本高和温度控制不当易产生二次应力的问题。
[0005]振动时效通常是指当振动工件产生的动应力与残余应力叠加超过材料屈服极限时，材料发生微量的塑性变形，从而使材料内部的内应力得以松弛和均化。世界各国从上个世纪60年代开始对振动时效的机理和工艺进行研究，其特点体现为成本较低、周期短并且节能。同热时效相比，振动时效呈现逐渐替代的趋势。然而，振动时效通过振动作为能量输入，从力学角度分析必然受到激振力、激振频率和激振时间等参数的影响，则在实际生产应用的过程中出现了一些困扰。例如对于铝合金厚板经过振动时效后残余应力均化的水平不能达到要求，原因在于特定工况下振动时效产生特定的振型和动应力，对特定区域起到显著效果，却难以实现理想的残余应力全面均化，同时为了保证时效件不受到损伤，需要将激振力、激振频率和激振时间等参数限制在合理的范围内。
[0006]本发明提供一种残余应力均化的热振复合时效装置，用于实现热振复合时效残余应力均化方法，也可以实现热时效和振动时效的处理。
【发明内容】
[0007]1、目的:本发明是基于上述背景，针对企业生产中需要残余应力均化的金属工件的尺寸形状特点，提供的一种适合实际工况处理的热振复合时效残余应力均化装置。装置处理温度范围主要取决于加热管功率，通常为室温?600°C ;工件与振动台联合处理的的激振频率和激振力范围主要取决于激振器，通常分别为15?200Hz和0?lkN。因此该装置一定程度上也可以单独完成热时效和振动时效，以及热振联合实验。
[0008]2、技术方案:本发明公开的一种热振复合时效残余应力均化装置，它由振动时效系统A和热时效系统B构成。它们之间的位置连接关系是:热时效系统B的底托11、外罩12和隔热板13将振动时效系统A大部分包容其内，其中三个底托11底部与振动时效系统A的底挡8的上表面接触，并通过调整三个底托11至底挡8的限位杆相等距离来定位振动时效系统A和热时效系统B的相对位置，对于两个系统组合部分的空隙，为了保温隔热，可以填充隔热棉或者隔热毡。具体可参见图1。
[0009]所述振动时效系统A包括:激振器1、压紧支架2、压紧螺栓3、隔热垫4、振动台5、支撑垫6、支撑板7、底挡8和振动控制器9。它们之间的位置连接关系是:压紧螺栓3与压紧支架2的螺纹孔配合组成压紧装置，使用两套压紧装置对称地将激振器1的固定板、隔热垫4和振动台5压紧；振动台5通过支撑垫6支撑在支撑板7上；支撑板7放置在底挡8的平面部分上；底挡8的限位杆与振动台5边缘保持相等距离；振动控制器9和激振器1通过数据线连接。具体可参见图2。
[0010]该激振器1是供振动时效专用永磁电机，外形为圆柱体底部外伸两个固定板。主要功能是接受振动控制器9的信号进行激振。
[0011]该压紧支架2为U型铸铁件，其中一个上臂开有螺纹孔，以便与压紧螺栓3配合将激振器1、隔热垫4与振动台5压紧。
[0012]该压紧螺栓3为公称直径较大的长螺栓。主要功能是与压紧支架2配合将激振器
1、隔热垫4与振动台5压紧。
[0013]该隔热垫4材料选为隔热毡或者陶瓷纤维板，大小与激振器1的固定板配合选用。主要功能是隔热和传递振动能量。
[0014]该振动台5为长方体钢板，平台上开有若干个通孔，用于将时效件通过螺栓固定在振动平台上。主要功能是保证工件随着振动平台的振动产生动应力。
[0015]该支撑垫6形状为圆柱体，材料选用云母板，数量为至少三个，其支撑位置根据振动实际情况设置在振型的节线处。主要功能是支撑振动台5，以便实现振动时效所需振型。
[0016]该支撑板7形状为长方体，材料选用陶瓷纤维板。主要功能是隔绝温度场向装置底部传热，并减小振动时效过程弓I起的地面振动。
[0017]该底挡8结构为钢板带有焊接的限位杆，底面与地面接触。主要功能是支撑整个装置，对振动平台进行限位，并方便振动时效系统A和热时效系统B定位。
[0018]该振动控制器9形状呈长方体，属于自制设备，内部装有工控主板。主要功能是为激振器1进行振动时效提供指令。
[0019]所述热时效系统B包括:温度控制器10、底托11、外罩12、隔热板13、吊环螺栓14、加热管15和温度传感器16。它们之间的位置连接关系是:温度控制器10和加热管15通过数据线连接；底托11拖过螺栓结构与外罩12连接，用于承接隔热板13 ;吊环螺栓14使用螺母与外罩12连接；加热管15通过螺母与外罩12连接，并和温度传感器16通过外罩12和隔热板13的通孔深入内部空间。具体可参见图3。
[0020]该温度控制器10形状呈长方体。主要功能是接收温度传感器16的监测数据，为控制加热管15进行加热提供指令。
[0021 ] 该底托11是U型钢材件，数量为四个，每个底托的长侧壁带有通孔，以便使用螺栓结构与外罩12连接。主要功能是承接隔热板13，使外罩12与隔热板13成为保温箱体的主要整体。
[0022]该外罩12为钢板焊接箱体，带有合适数量的通孔，并在每个侧面开矩形孔进行减重处理，与振动台5配合的一侧开矩形孔。主要功能是构成保温箱体外壁，是热时效系统B的主体，用于连接各个组件形成装配箱体。
[0023]该隔热板13为长方体陶瓷纤维板，共有五块组合紧贴于外罩12的内壁。主要功能是形成密闭空间进行隔热保温，同时降低振动时效过程的噪声。
[0024]该吊环螺栓14为标准件，数量选为四个。主要功能是配合钢丝绳和起吊机构实现热时效系统B整体装配箱体的开合。
[0025]该加热管15为W型定制配件，内部装有电阻丝和氧化镁粉，数量选为两个。主要功能是将电能转化为热能，产生热时效的所需热量。
[0026]该温度传感器16为热电偶型高温温度传感器，型号与温度控制器10配合选用。主要功能是监测装配箱体内的温度场，转化为电压信号并返回给温度控制器10。
[0027]该装置中的接口插头为标准六芯插头，用于连接各个设备的数据线间的接口，型号为 HZ-8500。
[0028]装置系统软件程序为C++程序语言开发，主要功能是分别用于振动时效和热时效的相关数据进行分析和处理。
[0029]其中，该振动平台4的外形长、宽、高分别为1000mm*700mm*20mm。
[0030]其中，该外罩12的外形长、宽、高分别为1010mm*860mm*710mm,厚度为5mm。
[0031]本发明中振动时效系统A的工作原理及工况如下:激振力通过调整激振器1的偏心距实现，控制器8控制激振器1的激振频率进行振动，使时效件受到振动台5的作用实现振动时效。热时效系统B的工作原理及工况如下:振动控制器9控制加热管15产生热量，实现对工件的热时效。温度传感器16可以检测装配箱内的温度场数据，其信号经过数据线传到温度控制器10，通过对信号的采集、计算和分析处理，实现了对热时效的闭环控制。
[0032]3、优点及功效:本发明是一种热振复合时效残余应力均化装置，可以实现温度和振动的施加功能。该装置构思科学，结构简单，主要应用是对时效件进行热振复合时效残余应力均化处理。一定程度上也可以单独完成热时效和振动时效，以及热振联合实验。
【专利附图】
【附图说明】
[0033]图1为本发明结构示意图
[0034]图2为本发明振动时效系统A结构示意图
[0035]图3为本发明隐藏顶部和一侧隔热板13的热时效系统B结构示意图
[0036]图中符号说明如下:
[0037]A、振动时效系统；B、热时效系统；1、激振器；2、压紧支架；3、压紧螺栓；4、隔热垫；5、振动台；6、支撑垫；7、支撑板；8、底挡；9、振动控制器；10、温度控制器；11、底托；12、外罩；13、隔热板；14、吊环螺栓；15、加热管；16、温度传感器。
【具体实施方式】
[0038]下面结合附图进一步说明本发明的【具体实施方式】。
[0039]本发明是一种热振复合时效残余应力均化装置，它由振动时效系统A和热时效系统B构成。它们之间的位置连接关系是:热时效系统B的底托11、外罩12和隔热板13将振动时效系统A大部分包容其内，底托11底部与振动时效系统A的底挡8的上表面接触，并通过调整三个底托11至底挡8的限位杆相等距离来定位振动时效系统A和热时效系统B的相对位置，对于两个系统组合部分的空隙，为了保温隔热，可以填充隔热棉或者隔热毡。具体可参见图1。
[0040]所述振动时效系统A包括:激振器1、压紧支架2、压紧螺栓3、隔热垫4、振动台5、支撑垫6、支撑板7、底挡8和振动控制器9。它们之间的位置连接关系是:压紧螺栓3与压紧支架2的螺纹孔配合组成压紧装置，使用两套压紧装置对称地将激振器1的固定板、隔热垫4和振动台5压紧；振动台5通过支撑垫6支撑在支撑板7上；支撑板7放置在底挡8的平面部分上；底挡8的限位杆与振动台5边缘保持相等距离；振动控制器9和激振器1通过数据线连接。具体可参见图2。
[0041]该激振器1是型号为JZ01-01的振动时效专用永磁电机，外形为圆柱体底部外伸两个固定板，最大外形长、宽、高分别为320mm*280mm*230mm,功率为1.5kW,激振力为lkN。主要功能是接受振动控制器9的信号进行激振。
[0042]该压紧支架2为U型铸铁件，横截面为50mm的正方形，U型底部连接端长为300mm，两臂长100mm，其中一个上臂开有公称直径为25mm的螺纹孔，以便与压紧螺栓3配合将激振器1、隔热垫4与振动台5压紧。
[0043]该压紧螺栓3为公称直径为25mm的螺栓，有效长度为200mm。主要功能是与压紧支架2配合将激振器1、隔热垫4与振动台5压紧。
[0044]该隔热垫4长、宽、高分别为280mm*60mm*40mm,材料选为隔热租或者陶瓷纤维板。
主要功能是隔热和传递振动能量。
[0045]该振动台5为长方体钢板，长、宽、高分别为1000mm*700mm*20mm，平台上开有若干个通孔，用于将时效件通过螺栓固定在振动平台上。主要功能是保证工件随着振动平台的振动产生动应力。
[0046]该支撑垫6形状为圆柱体，直径为100mm，高度为50mm，数量为至少三个，材料选用云母板，其支撑位置根据振动实际情况设置在振型的节线处。主要功能是支撑振动台5，以便实现振动时效所需振型。
[0047]该支撑板7形状为长方体，长、宽、高分别为850mm*710mm*150mm,材料选用陶瓷纤维板。主要功能是隔绝温度场向装置底部传热，并减小振动时效过程引起的地面振动。
[0048]该底挡8结构为钢板带有焊接的限位杆，底面与地面接触，钢板长、宽、高分别为1020mm*1020mm*10mm,限位杆直径为15mm,高度为230mm。主要功能是支撑整个装置，对振动平台进行限位，并方便振动时效系统A和热时效系统B定位。
[0049]该振动控制器9形状呈长方体，长、宽、高分别是300mm*200mm*100mm,属于自制设备，内部装有工控主板，型号为AMB-763G2。主要功能是为激振器1进行振动时效提供指令。
[0050]所述热时效系统B包括:温度控制器10、底托11、外罩12、隔热板13、吊环螺栓14、加热管15和温度传感器16。它们之间的位置连接关系是:温度控制器10和加热管15通过数据线连接；底托11拖过螺栓结构与外罩12连接，用于承接隔热板13 ;吊环螺栓14使用螺母与外罩12连接；加热管15通过螺母与外罩12连接，并和温度传感器16通过外罩12和隔热板13的通孔深入内部空间。具体可参见图3。
[0051]该温度控制器10形状呈长方体，长、宽、高分别是280mm* 150mm*250mm,型号为XMTD-8000。主要功能是接收温度传感器16的监测数据，为控制加热管15进行加热提供指令。
[0052]该底托11是U型钢材件，数量为四个，长度和厚度为650mm*5mm，长侧壁和水平部分宽均为120_，短侧壁宽为50_，长侧壁带有直径为17_的通孔，以便使用螺栓结构与外罩12连接。主要功能是承接隔热板13，使外罩12与隔热板13成为保温箱体的主要整体。
[0053]该外罩12为钢板焊接箱体,外形长、宽、高分别为1010mm*860mm*710mm,厚度为5_，箱体带有合适数量的通孔，并在每个侧面开矩形孔进行减重处理，与振动台5配合的一侧开矩形孔。主要功能是构成保温箱体外壁，是热时效系统B的主体，用于连接各个组件形成装配箱体。
[0054]该隔热板13为长方体陶瓷纤维板，共有五块组合紧贴于外罩12的内壁，分为顶部和四个侧面共五个部分，厚度为100mm，不同部分贴合部分可以使用高温粘结剂进行粘结和密封。主要功能是形成密闭空间进行隔热保温，同时降低振动时效过程的噪声。
[0055]该吊环螺栓14为M16的标准件，数量选为四个。主要功能是配合钢丝绳和起吊机构实现热时效系统B整体装配箱体的开合。
[0056]该加热管15为W型定制配件，工作部分直径为10mm内部装有电阻丝和氧化镁粉，，安装部分直径为M16，长度为130mm，数量选为两个，总功率为3KW。主要功能是将电能转化为热能，产生热时效的所需热量。
[0057]该温度传感器16为热电偶型高温温度传感器，有效长度为350mm，型号与温度控制器10配合选用。主要功能是监测装配箱体内的温度场，转化为电压信号并返回给温度控制器10。
[0058]该装置中的接口插头为标准六芯插头，用于连接各个设备的数据线间的接口，型号为 HZ-8500。
[0059]装置系统软件程序为C++程序语言开发，主要功能是分别用于振动时效和热时效的相关数据进行分析和处理。
[0060]本装置用于热振复合时效残余应力均化的简单工作流程如下:(1)根据经验或者仿真结果选取几个支撑垫6放在合适的支撑点用于支撑振动台5 ； (2)将时效件与振动台5固定；(3)完成振动时效系统A和热时效系统B的装配；(4)根据制定的工艺流程对振动控制器9和温度控制器10进行参数设定并实现对工件的热振复合时效处理。
【权利要求】
1.一种热振复合时效残余应力均化装置，其特征在于:它由振动时效系统(A)和热时效系统⑶构成；热时效系统⑶的底托(11)、外罩(12)和隔热板(13)将振动时效系统(A)的大部分包容其内，其中三个底托(11)底部与振动时效系统(A)的底挡(8)的上表面接触，并通过调整三个底托(11)至底挡(8)的限位杆相等距离来定位振动时效系统(A)和热时效系统(B)的相对位置，对于两个系统组合部分的空隙，为了保温隔热，可以填充隔热棉或者隔热毡； 所述振动时效系统(A)包括:激振器(I)、压紧支架(2)、压紧螺栓(3)、隔热垫(4)、振动台(5)、支撑垫￠)、支撑板(7)、底挡(8)和振动控制器(9);压紧螺栓(3)与压紧支架(2)的螺纹孔配合组成压紧装置，使用两套压紧装置对称地将激振器(I)的固定板、隔热垫(4)和振动台(5)压紧；振动台(5)通过支撑垫(6)支撑在支撑板(7)上；支撑板(7)放置在底挡(8)的平面部分上；底挡(8)的限位杆与振动台(5)边缘保持相等距离；振动控制器(9)和激振器(I)通过数据线连接； 该激振器(I)是供振动时效专用永磁电机，外形为圆柱体底部外伸两个固定板；主要功能是接受振动控制器(9)的信号进行激振； 该压紧支架(2)为U型铸铁件，其中一个上臂开有螺纹孔，以便与压紧螺栓(3)配合将激振器(I)、隔热垫⑷与振动台(5)压紧； 该压紧螺栓(3)为公称直径较大的长螺栓；主要功能是与压紧支架(2)配合将激振器(I)、隔热垫⑷与振动台(5)压紧； 该隔热垫(4)材料选为隔热毡或者陶瓷纤维板，大小与激振器(I)的固定板配合选用；主要功能是隔热和传递振动能量； 该振动台(5)为长方体钢板，平台上开有若干个通孔，用于将时效件通过螺栓固定在振动平台上；主要功能是保证工件随着振动平台的振动产生动应力； 该支撑垫(6)形状为圆柱体，材料选用云母板，数量为至少三个，其支撑位置根据振动实际情况设置在振型的节线处；主要功能是支撑振动台(5)，以便实现振动时效所需振型；该支撑板(7)形状为长方体，材料选用陶瓷纤维板；主要功能是隔绝温度场向装置底部传热，并减小振动时效过程引起的地面振动； 该底挡(8)结构为钢板带有焊接的限位杆，底面与地面接触；主要功能是支撑整个装置，对振动平台进行限位，并方便振动时效系统(A)和热时效系统(B)定位； 该振动控制器(9)形状呈长方体，属于自制设备，内部装有工控主板；主要功能是为激振器(I)进行振动时效提供指令； 所述热时效系统⑶包括:温度控制器(10)、底托(11)、外罩(12)、隔热板(13)、吊环螺栓(14)、加热管(15)和温度传感器(16);温度控制器(10)和加热管(15)通过数据线连接；底托(11)拖过螺栓结构与外罩(12)连接，用于承接隔热板(13);吊环螺栓(14)使用螺母与外罩(12)连接；加热管(15)通过螺母与外罩(12)连接，并和温度传感器(16)通过外罩(12)和隔热板(13)的通孔深入内部空间； 该温度控制器(10)形状呈长方体；主要功能是接收温度传感器(16)的监测数据，为控制加热管(15)进行加热提供指令； 该底托(11)是U型钢材件，数量为四个，每个底托的长侧壁带有通孔，以便使用螺栓结构与外罩(12)连接；主要功能是承接隔热板(13)，使外罩(12)与隔热板(13)成为保温箱体的主要整体； 该外罩(12)为钢板焊接箱体，带有合适数量的通孔，并在每个侧面开矩形孔进行减重处理，与振动台(5)配合的一侧开矩形孔；主要功能是构成保温箱体外壁，是热时效系统(B)的主体，用于连接各个组件形成装配箱体； 该隔热板(13)为长方体陶瓷纤维板，共有五块组合紧贴于外罩(12)的内壁；主要功能是形成密闭空间进行隔热保温，同时降低振动时效过程的噪声； 该吊环螺栓(14)为标准件，数量选为四个；主要功能是配合钢丝绳和起吊机构实现热时效系统(B)整体装配箱体的开合； 该加热管(15)为W型定制配件，内部装有电阻丝和氧化镁粉，数量选为两个；主要功能是将电能转化为热能，产生热时效的所需热量； 该温度传感器(16)为热电偶型高温温度传感器，型号与温度控制器(10)配合选用；主要功能是监测装配箱体内的温度场，转化为电压信号并返回给温度控制器(10)； 该装置中的接口插头为标准六芯插头，用于连接各个设备的数据线间的接口，型号为HZ-8500 ;装置系统软件程序为C++程序语言开发，主要功能是分别用于振动时效和热时效的相关数据进行分析和处理。
2.根据权利要求1所述的一种热振复合时效残余应力均化装置，其特征在于:该振动台(5)的外形长、宽、高分别为1000mm*700mm*20mm。
3.根据权利要求1所述的一种热振复合时效残余应力均化装置，其特征在于:该外罩(12)的外形长、宽、高分别为1010mm*860mm*710mm,厚度为5mm。
【文档编号】C21D1/30GK104263902SQ201410534811
【公开日】2015年1月7日 申请日期:2014年10月11日 优先权日:2014年10月11日
【发明者】张以都, 吕田, 吴琼 申请人:北京航空航天大学