一种利用热时效和振动时效协同消除应力的装置及方法与流程

本发明属于残余应力消除技术领域，具体涉及一种利用热时效和振动时效协同消除应力的装置及方法。

背景技术

在工件的铸造、焊接、锻造、机械加工、热处理、校形等制造过程中，工件内部会产生残余应力，会导致一些不良的影响，如降低工件的实际承载能力、变形或尺寸变化、加速应力腐蚀、降低疲劳寿命等。因此，通过技术手段，消除材料的内部残余应力具有重要的工程应用价值。

消除应力技术有：自然时效、热时效、振动时效、静态过载时效、爆炸时效、循环加载时效等，都能在一定程度上达到消除和均化应力的目的。然而，以上各种技术都有缺点。自然时效需要对工件进行长达1年甚至数年以上的自然放置，耗时长。同时，静态过载时效、爆炸时效和循环加载时效等仅适用于简单形状的工件，同时设备昂贵。然而，热时效和振动时效可以对任意复杂形状的构件进行应力消除，是两种常见的消除应力技术。

热时效是将金属在一定温度作用下通过内部局部塑性变形或局部的驰豫过程使残余应力松弛而达到消除应力的目的。热时效时，工件一般缓慢加热至较低温度（灰口铸铁为500℃～550℃，钢为500℃～650℃，有色金属合金冲压件为再结晶开始温度以下），保持一段时间后，缓慢冷却，防止产生新的残余应力。其缺点是能耗高，而优点是效果明显，简单方便，可靠性较好。然而，某些材料并不能采用较高温度的热时效工艺。例如，为不影响淬火处理硬铝的力学性能，其热时效温度一般不能超过300℃。

振动时效的实质是以共振的形式给工件施加附加动应力，在交变应力作用下振动一定时间后，使残余应力降低和均匀化。其特点是周期短、节约能源、环保、适应性强。

目前通常采用单一的热时效或振动时效消除应力，也出现了先后采用热时效或振动时效消除应力的实例，但是，在理论上不如同时采用热时效和振动时效消除应力的效果好。

利用热时效和振动时效协同消除应力的关键技术难点是提出通用性好、可靠性高的装置及方法。李书齐等发表的《焊接构件热振复合时效的数值和试验分析》（焊接学报,2016,37(5):111-114）公开了一种可以同时利用热时效和振动时效对焊缝进行应力均匀化的方法。但是，在该文献报道的方法中，仅能对焊缝附件100mm范围内进行加热，不仅温度可控范围窄，而且温度不均匀，可能会在基体部位引入新的热应力。

中国专利文献库公开的名称为《一种热振复合应力均化装置》（申请（专利）号：cn201110459352.x）的专利申请。该装置是一种可同时进行热时效和振动时效消除应力的装置。但是，首先，该装置的热时效系统将振动时效系统的大部分包容其内，振动平台直接放置于地面的垫铁上，限制了振动平台的温度可控性和均匀性；其次，振动平台与垫铁之间放置的胶垫很难耐高温，限制了该设备的应用；最后，由于振动平台的大部分放置在热时效系统内，容易导热的振动平台的温度过高，其上很难粘接传感器和固定激振器。因此，由于振动平台的温度可控性和均匀性差、胶垫的高温防护缺失、传感器和激振器的高温防护缺失，该装置很难推广到工程应用中。

当前亟需发展一种具有工业推广价值的同时利用热时效和振动时效协同消除应力的装置及方法。

技术实现要素：

本发明所要解决的一个技术问题是提供一种利用热时效和振动时效协同消除应力的装置，本发明所要解决的另一个技术问题是一种利用热时效和振动时效协同消除应力的方法。

本发明的利用热时效和振动时效协同消除应力的装置，其特点是，所述的装置包括振动系统、加热系统和冷却系统，加热系统为外接的系统，加热系统放置并加热振动系统中的工件固定装置，冷却系统为外接的系统，冷却系统冷却振动系统中的振动台；

所述的振动系统包括振动控制器、振动台、工件固定装置、激振器、振动传感器、左侧弹性支撑架和右侧弹性支撑架；所述的振动台水平放置在左侧弹性支撑架和右侧弹性支撑架上，振动台上表面的一端固定有激振器，振动台上表面的另一端固定有工件固定装置，工件固定装置伸入至加热系统的高温炉的炉腔内；所述的振动传感器固定在振动台的上表面，测量振动台的振动频谱；所述的振动控制器为外接装置，振动控制器控制激振器的振动并接收振动传感器传输的振动频谱；

所述的加热系统包括高温炉和外接的温度控制器，高温炉加热工件固定装置，温度控制器控制高温炉内的温度。

所述的冷却系统包括水冷机、出水管、冷却盒、回收盒和回水管，水冷机通过出水管将冷却水输至冷却盒，冷却盒固定在振动台上，冷却盒内的冷却水通过振动台上的通孔流至回收盒，回收盒内的冷却水通过回水管回送至水冷机。

所述的激振器的两侧设置有c型卡具ⅰ和c型卡具ⅱ，c型卡具ⅰ和c型卡具ⅱ夹持激振器并将激振器固定在振动台的上表面。

所述的工件固定装置包括固紧螺钉、压板和垫块，垫块和工件放置在振动台的上表面，垫块和工件之间留有空隙，压板压在垫块和工件的上表面，固紧螺钉从压板的上表面穿过垫块和工件之间的空隙固定连接在振动台上。

所述的固紧螺钉替换为固紧杆，固紧杆末端穿过振动台，通过连接销连接活塞；所述的活塞为气动活塞或液压活塞

所述的高温炉的高温炉门关闭后与工件固定装置之间留有间隙，间隙大于工件固定装置的振动幅度。

所述的冷却盒与振动台的间隙密封，冷却盒底部与振动台均存在贯通的通孔。

所述的工件、振动台、压板、垫块、固紧螺钉均不与高温炉接触。

所述的左侧弹性支撑架和右侧弹性支撑架是水平弹性支撑架，能够减小振动台的振动阻力。

本发明的利用热时效和振动时效协同消除应力的方法包括如下步骤：

a.将振动传感器粘接在振动台上，利用c型卡具ⅰ和c型卡具ⅱ将激振器固定在振动台上，完成振动系统的装配；

b.打开高温炉门，将工件安装在工件固定装置中，工件固定后关闭高温炉门；

c.打开水冷机，通过温度控制器设定高温炉的升温参数，将高温炉升温至100℃~1000℃；

d.待高温炉的炉温稳定后，通过振动控制器设定振动参数，进行振动时效；

e.待振动时效结束，关闭高温炉的电源；

f.待高温炉的炉温降至室温后，打开高温炉门，将工件从工件固定装置中取出，完成工件消除应力工作。

本发明的利用热时效和振动时效协同消除应力的装置及方法，一方面利用热时效与振动时效均可有效消除残余应力的效应，另一方面利用两者之间的协同影响作用，能显著提高单一热时效或振动时效及复合处理的消除应力效果，可适用于黑色金属、高分子、有色金属、复合材料等的应力消除。

附图说明

图1为本发明的利用热时效和振动时效协同消除应力的装置结构示意图；

图2为本发明的利用热时效和振动时效协同消除应力的装置中的工件固定装置结构1示意图；

图3为本发明的利用热时效和振动时效协同消除应力的装置中的工件固定装置结构2示意图；

图中，1.振动控制器2.左侧弹性支撑架3.右侧弹性支撑架4.振动台5.高温炉6.温度控制器7.工件固定装置8.高温炉门9.激振器10.振动传感器11.c型卡具ⅰ12.固紧螺钉13.压板14.垫块15.活塞16.连接销17.固紧杆18.工件19.c型卡具ⅱ20.回收盒21.冷却盒22.水冷机23.出水管24.回水管。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明本发明。

本发明的利用热时效和振动时效协同消除应力的装置包括振动系统、加热系统和冷却系统，加热系统为外接的系统，加热系统放置并加热振动系统中的工件固定装置7，冷却系统为外接的系统，冷却系统冷却振动系统中的振动台4。

所述的振动系统包括振动控制器1、振动台4、工件固定装置7、激振器9、振动传感器10、左侧弹性支撑架2和右侧弹性支撑架3；所述的振动台4水平放置在左侧弹性支撑架2和右侧弹性支撑架3上，振动台4上表面的一端固定有激振器9，振动台4上表面的另一端固定有工件固定装置7，工件固定装置7伸入至加热系统的高温炉5的炉腔内；所述的振动传感器10固定在振动台4的上表面，测量振动台4的振动频谱；所述的振动控制器1为外接装置，振动控制器1控制激振器9的振动并接收振动传感器10传输的振动频谱；

所述的加热系统包括高温炉5和外接的温度控制器6，高温炉5加热工件固定装置7，温度控制器6控制高温炉5内的温度。

所述的冷却系统包括水冷机22、出水管23、冷却盒21、回收盒20和回水管24，水冷机22通过出水管23将冷却水输至冷却盒21，冷却盒21固定在振动台4上，冷却盒21内的冷却水通过振动台4上的通孔流至回收盒20，回收盒20内的冷却水通过回水管24回送至水冷机22。

所述的激振器9的两侧设置有c型卡具ⅰ11和c型卡具ⅱ19，c型卡具ⅰ11和c型卡具ⅱ19夹持激振器9并将激振器9固定在振动台4的上表面。

所述的工件固定装置7包括固紧螺钉12、压板13和垫块14，垫块14和工件18放置在振动台4的上表面，垫块14和工件18之间留有空隙，压板13压在垫块14和工件18的上表面，固紧螺钉12从压板13的上表面穿过垫块14和工件18之间的空隙固定连接在振动台4上。

所述的固紧螺钉12替换为固紧杆17，固紧杆17末端穿过振动台4，通过连接销16连接活塞15；所述的活塞15为气动活塞或液压活塞。

所述的高温炉5的高温炉门8关闭后与工件固定装置7之间留有间隙，间隙大于工件固定装置7的振动幅度。

所述的冷却盒21与振动台的间隙密封，冷却盒21底部与振动台均存在贯通的通孔。

实施例1

本实施例描述了100℃下高分子材料的热时效和振动时效协同消除应力。

利用强力胶将振动传感器10粘接在振动台4上，利用c型卡具11和c型卡具19将激振器9固定在振动台4上，完成振动系统的装配。打开高温炉门8，将工件7放置在振动台4上，依次安装垫块14、压板13、固紧螺钉12，完成工件7（直径200x20，材质为高分子材料）的固定。然后，关闭高温炉门8。打开水冷机22。通过温度控制器6设定高温炉5的升温参数，将高温炉5升温至消除应力温度100℃。随后，待高温炉5的炉温稳定后，通过振动控制器10设定振动参数，进行振动时效；待振动时效结束，关闭高温炉5的电源；待高温炉5的炉温降至室温后，打开高温炉门8，依次拆卸垫块14、压板13、固紧螺钉12，将工件7取出，完成100℃下高分子材料的热时效和振动时效协同消除应力。

实施例2

本实施例描述了300℃下铝合金的热时效和振动时效协同消除应力。

利用强力胶将振动传感器10粘接在振动台4上，利用c型卡具11将激振器9固定在振动台4上，完成振动系统的装配。打开高温炉门8，将工件7放置在振动台4上，依次安装垫块14、压板13、固紧螺钉12，完成工件7（尺寸200x300x20，材质为铝合金）的固定。然后，关闭高温炉门8。打开水冷机22。通过温度控制器6设定高温炉5的升温参数，将高温炉5升温至消除应力温度300℃。随后，待高温炉5的炉温稳定后，通过振动控制器10设定振动参数，进行振动时效；待振动时效结束，关闭高温炉5的电源；待高温炉5的炉温降至室温后，打开高温炉门8，依次拆卸垫块14、压板13、固紧螺钉12，将工件7取出，完成300℃下铝合金的热时效和振动时效协同消除应力。

实施例3

本实施例描述了650℃下钢的热时效和振动时效协同消除应力。

利用强力胶将振动传感器10粘接在振动台4上，利用c型卡具11将激振器9固定在振动台4上，完成振动系统的装配。打开高温炉门8，将工件7放置在振动台4上，依次安装垫块14、压板13、固紧螺钉12，完成工件7（尺寸300x400x30，材质为钢）的固定。然后，关闭高温炉门8。打开水冷机22。通过温度控制器6设定高温炉5的升温参数，将高温炉5升温至消除应力温度650℃。随后，待高温炉5的炉温稳定后，通过振动控制器10设定振动参数，进行振动时效；待振动时效结束，关闭高温炉5的电源；待高温炉5的炉温降至室温后，打开高温炉门8，依次拆卸垫块14、压板13、固紧螺钉12，将工件7取出，完成650℃下钢的热时效和振动时效协同消除应力。

实施例4

本实施例描述了1000℃下高温合金的热时效和振动时效协同消除应力。

利用强力胶将振动传感器10粘接在振动台4上，利用c型卡具11将激振器9固定在振动台4上，完成振动系统的装配。打开高温炉门8，将工件7放置在振动台4上，依次安装垫块14、压板13、固紧螺钉12，完成工件7（尺寸200x400x30，材质为高温合金）的固定。然后，关闭高温炉门8。打开水冷机22。通过温度控制器6设定高温炉5的升温参数，将高温炉5升温至消除应力温度1000℃。随后，待高温炉5的炉温稳定后，通过振动控制器10设定振动参数，进行振动时效；待振动时效结束，关闭高温炉5的电源；待高温炉5的炉温降至室温后，打开高温炉门8，依次拆卸垫块14、压板13、固紧螺钉12，将工件7取出，完成1000℃下高温合金的热时效和振动时效协同消除应力。

实施例5

本实施例描述了钢的热时效和振动时效协同与热时效复合消除应力。

利用强力胶将振动传感器10粘接在振动台4上，利用c型卡具11将激振器9固定在振动台4上，完成振动系统的装配。打开高温炉门8，将工件7放置在振动台4上，依次安装垫块14、压板13、固紧螺钉12，完成工件7（尺寸300x400x30，材质为钢）的固定。然后，关闭高温炉门8。打开水冷机22。通过温度控制器6设定高温炉5的升温参数，将高温炉5升温至消除应力温度600℃。随后，待高温炉5的炉温稳定后，通过振动控制器10设定振动参数，进行振动时效；待振动时效结束，通过振动控制器10将高温炉升温至650℃保温2小时，然后关闭高温炉5的电源；待高温炉5的炉温降至室温后，打开高温炉门8，依次拆卸垫块14、压板13、固紧螺钉12，将工件7取出，完成钢的热时效和振动时效协同与热时效复合消除应力。

实施例6

本实施例描述了钢的热时效和振动时效协同与热时效循环复合消除应力。

利用强力胶将振动传感器10粘接在振动台4上，利用c型卡具11将激振器9固定在振动台4上，完成振动系统的装配。打开高温炉门8，将工件7放置在振动台4上，依次安装垫块14、压板13、固紧螺钉12，完成工件7（尺寸300x400x30，材质为钢）的固定。然后，关闭高温炉门8。打开水冷机22。通过温度控制器6设定高温炉5的升温参数，将高温炉5升温至消除应力温度650℃。随后，待高温炉5的炉温稳定后，通过振动控制器10设定振动参数，进行振动时效；待振动时效结束，通过振动控制器10将高温炉升温至650℃保温2小时；然后，将高温炉降温至600℃，通过振动控制器10设定振动参数，进行振动时效；待振动时效结束，通过振动控制器10将高温炉升温至650℃保温2小时；最后，关闭高温炉5的电源；待高温炉5的炉温降至室温后，打开高温炉门8，依次拆卸垫块14、压板13、固紧螺钉12，将工件7取出，完成钢的热时效和振动时效协同与热时效循环复合消除应力。