一种分体式模态宽频振动消除应力设备及方法与流程

1.本发明实施例涉及振动设备技术领域，尤其涉及一种分体式模态宽频振动消除应力设备及方法。


背景技术：

2.振动时效处理是工程材料常用的一种消除其内部残余内应力的方法，是利用机械方法使金属构件的工件振动，在共振条件下对工件施以循环动应力，使工件内部残余的内应力和附加的振动应力的矢量和达到超过材料屈服强度的时候，使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或重新分布而达到尺寸稳定的目的。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。
3.目前的振动时效装置都是采用具有偏心机构的激振器，使激振器和工件共振，以达到振动时效。激振器由偏心箱和高速电机组成。在振动时效过程中，激振器和工件必须刚性固定在一起，不能有丝毫松动，否则振动是无效的，起不到时效作用。目前，对于大型的工件，只需把激振器刚性固定在工件的合适位置即可，但对于小工件则根本无法将激振器和工件固定在一起。中国专利cn201470586u公开了一种振动时效装置，包括平台，激振器固定在平台的边缘，待时效处理的工件刚性固定在平台上，该装置将激振器和小工件固定在平台上，将平台作为载体，实现了激振器和小工件的共振，解决了因无法将激振器和小工件固定在一起振动而引起的无法对中小工件振动时效处理的问题。但是，采用该装置对中小型工件进行振动时效时，由于激振器振动频率不一定与固定安装有工件的平台的频率一致，也就是说，该装置难以准确的控制安装在平台上的工件的频率，从而导致中小型工件的振动时效效果并不理想。专利zl201310320254.7公开了一种模态宽频振动消除应力设备及方法，包括对中小工件进行时效振动的设备和控制方法，解决中小工件时效处理不易实现，处理效果差的技术问题。但受工件大小和同时处理多种零件制约，而且对于工件的时效处理方法为空白，制定振动时效工艺方法难度大，对技术人员要求较高，没有进行时效效果评价。


技术实现要素：

4.本发明实施例提供的一种分体式模态宽频振动消除应力设备及方法，用以为用户提供一种精准、有效的确定目标工件的振动时效处理方式及参数。
5.第一方面，本发明实施例提供一种分体式模态宽频振动消除应力设备，该设备包括：
6.在设备平台上设置有激振模块、装夹支撑模块、以及与控制模块连接的检测模块；
7.所述激振模块，与所述控制模块连接，用于带动目标工件产生振动时效；
8.所述检测模块，用于检测所述目标工件的残余应力；
9.所述控制模块，用于控制所述激振模块、所述检测模块工作状态；
10.所述装夹支撑模块，用于对固定支撑所述目标工件，以便对所述目标工件进行消
除应力处理。可用于安装激振电机，可以同时处理多个不同零件。
11.所述激振模块包括：直线电机。
12.当所述目标工件为大型工件时；通过多个所述装夹支撑模块装夹和支撑所述目标工件的多个不同的位置，以便利用激振模块消除所述目标工件的残余应力。
13.当所述目标工件为小型工件时；通过一个所述装夹支撑模块装夹和支撑所述目标工件的指定位置，以便利用激振模块消除所述目标工件的残余应力并且可以部署多个装夹支撑模块同时处理多个所述小型工件。
14.所述控制模块包括：位置传感器模块、实时驱动控制模块、集成显示处理模块,位置传感器模块用于采集振动源的时域工况信号；实时驱动控制模块用于接收所述时域工况信号，实施完成模态分析和振动数据计算，将相应计算结果的频域振动数据转换为驱动信号输出至激振模块的直线电机的控制电路；集成显示处理模块用于提供系统间的数据通信端口和人机交互界面。
15.所述装夹支撑模块包含有工作平台；在所述工作平台底部设置有移动支撑零件；
16.当所述目标工件为大型工件时，通过移动支撑零件调整所述装夹支撑模块相对于所述目标工件的位置。
17.所述气动模块中包含气泵、储气罐、过滤器、流量计、气管，通过气管与所述激振模块连接；所述气动模块通过所述气管将气体吹入所述直线电机。
18.另一方面，本发明实施例提供一种分体式模态宽频振动消除应力方法，该方法包括：
19.测量目标工件的残余应力获得残余应力参数；
20.根据所述目标工件的结构和所述残余应力参数，采取在线模态分析或建立仿真分析模型中的一种方式，确定所述目标工件的振动时效处理方式。
21.根据所述目标工件的振动时效处理方式，检测所述目标工件的动应力，获得所述目标工件的振动时效处理参数；
22.根据所述振动时效处理方式和所述振动时效处理参数，对所述目标工件进行模态宽频振动消除应力处理。
23.可选地，所述通过对所述目标工件的残余应力获得残余应力参数，包括：
24.在模态宽频振动消除应力前，测量目标工件关注区域的残余应力大小和分布；
25.在模态宽频振动消除应力后，对所述目标工件关注区域的时效效果进行残余应力检测，以评价模态宽频振动对所述目标件的应力消除及均化效果。
26.可选地，根据所述目标工件的结构和所述残余应力参数，采取在线试验分析或建立仿真分析模型中的一种方式，确定所述目标工件的振动时效处理方式，包括：
27.所述目标工件进行在线试验分析，对所述目标工件进行外部激励，并检测振动响应数据，通过对振动响应数据的频域和时域分析，获得目标工件的各阶模态振型；
28.建立目标工件的所述仿真分析模型，通过对所述目标工件的自由模态分析和谐响应分析，获得所述目标工件的振动形态和动应力参数。
29.可选地，基于目标工件关注区域的残余应力大小和分布，根据所述振动形态和动应力分布信息，确定目标工件振动时效处理的振型；
30.基于所述振型，确定目标工件的激振位置和装夹支撑位置；
31.基于所述目标工件的结构和材料，以及所述激振位置和装夹支撑位置，设计目标工件固定夹具。
32.可选地，所述振动方式的确定方式包括：
33.基于所述目标工件的振动关注区域，以及所述各种装夹、激振条件下的振动形态和动应力分布信息，设计多个振动形态组合的振动方式，达到上述振动关注区域获得较高的谐响应强度和良好覆盖范围的要求。
34.可选地，设计目标工件固定夹具时，所述目标工件固定夹具的硬度小于所述目标工件的硬度，且所述目标工件固定夹具的材料不会与所述目标工件发生化学反应。
35.可选地，所述目标工件的振动时效处理参数的确定方式包括：
36.根据所述设备对所述工件装夹状态下进行模态频率扫描，与所获得的目标振型相对应的频率即为模态频率精确值；
37.根据所述目标工件的振动时效处理方式，使用动态应变分析仪检测不同激振强度下目标工件的谐响应动应力大小，基于目标工件的材料，确定各振型的激振强度；
38.根据所述目标工件的振动形态个数和各振型的激振强度，确定各振型的振动时间。
39.可选地，还包括：利用所述设备、振动时效处理方式和参数，对所述目标工件进行时效处理；
40.对所述目标工件关注区域进行时效处理前和时效处理后的残余应力进行比较，根据比较结果得到时效效果评价。
41.可选地，还包括：利用所述振动时效处理方式和参数，对所述目标工件进行时效处理；
42.对所述目标工件进行时效处理前和时效处理后的尺寸稳定性参数进行比较，根据比较结果得到时效效果评价。
43.可选地，所述尺寸稳定性参数包括以下至少一项：精加工精度、长期放置精度、切割释放变形量。
44.在本发明实施例中，在对目标工件进行应力消除工作之间，需要先做一些消除准备工作。具体来说，先要测量目标工件的残余应力获得残余应力参数；根据所述目标工件的结构和残余应力参数，采取在线试验分析、建立仿真分析模型中的一种方式，确定所述目标工件的振动时效处理方式；根据所述目标工件的振动时效处理方式，检测目标工件的动应力，获得所述目标工件的振动时效处理参数。通过上述方案，能够根据目标工件自身做精准分析，找到合适的振动时效处理方式及参数，从而有效降低和均化目标工件的残余应力。
附图说明
45.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
46.图1为本技术实施例提供的一种分体式模态宽频振动消除应力设备的结构示意图；
47.图2为本技术实施例提供的另一种分体式模态宽频振动消除应力设备的结构示意图；
48.图3为本技术实施例提供的一种气动模块的结构示意图；
49.图4为本技术实施例提供的装夹支撑模块的结构示意图；
50.图5为本技术实施例提供的小工件消除应力示意图；
51.图6为本技术实施例提供的控制模块的结构示意图；
52.图7为本技术实施例提供的分体式模态宽频振动消除应力方法的流程示意图。
具体实施方式
53.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
54.在本发明实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。在本发明实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义，“多种”一般包含至少两种。
55.还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的商品或者系统不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种商品或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的商品或者系统中还存在另外的相同要素。
56.在实际应用中，针对国防、航空、航天等高端制造领域的高价值零部件高应力、易变形、成品低、浪费大、不易热处理等问题，分体式模态宽频振动消除应力设备提供有效的常温残余应力参数与变形控制手段，对结构和尺寸较大和较重工件施加特定的高频率、低动应力进行振动，以加速工件的自然时效进程。
57.如图1为本技术实施例提供的一种分体式模态宽频振动消除应力设备的结构示意图；图2为本技术实施例提供的另一种分体式模态宽频振动消除应力设备的结构示意图。从图1和图2中可以看到，该设备包括如下步骤：
58.所述设备包括：在设备平台上设置有激振模块1、装夹支撑模块4、以及与控制模块3连接的检测模块2。所述激振模块1，与所述控制模块连接，用于带动目标工件5产生振动时效。所述检测模块2，用于检测所述目标工件5的残余应力参数。所述控制模块3，用于控制所述激振模块、所述检测模块工作状态。所述装夹支撑模块4，用于对固定支撑所述目标工件5，以便对所述目标工件5进行消除应力处理。
59.检测模块2设计有工作平台，工作平台上安装专用夹具用于固定、支撑目标工件5的装夹支撑模块4。工作平台由底座支架固定，底部设计有移动支撑零件，可根据工件尺寸和形状调整检测模块2位置，并能通过底部移动支撑零件调整工作台面水平。并且检测模块2还可配有机械臂，工件振动处理前后，可移动至被测点位置进行在线残余应力参数测量，检测完后可以撤离。检测模块2可以为ssrs、超声应力模块等。
60.在实际应用中，当所述目标工件5为大型工件时；通过多个所述装夹支撑模块4装
夹和支撑所述目标工件5的多个不同的位置，以便利用激振模块1消除所述目标工件5的残余应力参数。该设备可以多个组合使用后用于消除大目标工件5的应力(如图2所示)。
61.图5为本技术实施例提供的小工件消除应力示意图。当所述目标工件5为小型工件时；通过一个所述装夹支撑模块4装夹和支撑所述目标工件5的指定位置，以便利用激振模块1消除所述目标工件5的残余应力参数。并且可以部署多个装夹支撑模块4同时处理多个所述小型工件。也可以用于消除小目标工件5的应力(如图1所示)。
62.所述装夹支撑模块4，可用于安装激振电机，可以同时处理多个不同零件。
63.通过上述方案，通过不同组合方式，能够很好地满足多样化的消除应力的需求。
64.此外，该设备中还包括气动模块6。图3为本技术实施例提供的一种气动模块的结构示意图。所述气动模块6中包含空压机61、储气罐62、过滤器63、流量计64、气管65，通过气管65与所述激振模块11连接。
65.所述激振模块11包括：直线电机11；述气动模块6通过所述气管65将气体吹入所述直线电机11进行冷却，保证所述直线电机11的工作效率。
66.作为一可选方案，所述激振模块1还包括底座、工件夹紧装置和导轨，直线电机的输出轴的轴线与导轨平行。电机导轨为直线导轨，导轨的固定元件固定安装在底座上，导轨的移动元件与工件夹紧装置固定连接。底座上固定安装有回复装置，所述工件夹紧装置与回复装置连接。当同时处理不同小型工件时，为防止互相干扰，可根据实际情况将激振模块1分别部署至装夹和支撑模块，提高处理效率。直线电机目前采用标准驱动接口的直线电机，安装在振动平台上，处理频率范围可以达到20～3000hz，精度可以达到1hz。
67.如图6为本技术实施例提供的控制模块的结构示意图。这里所说的控制模块3包括：位置传感器模块31、实时驱动控制模块32、集成显示处理模块33,位置传感器模块用于采集振动源的时域工况信号；实时驱动控制模块32用于接收所述时域工况信号，实施完成模态分析和振动数据计算，将相应计算结果的频域振动数据转换为驱动信号输出至激振模块1的直线电机的控制电路；集成显示处理模块用于提供系统间的数据通信端口和人机交互界面。以便用户能够实现可视化操作。
68.如图4为本技术实施例提供的装夹支撑模块的结构示意图。装夹支撑模块设计有工作平台41，工作平台上安装专用夹具42用于固定或者支撑工件；工作平台由底座支架43固定，底部设计有移动支撑零件44，处理大工件时，可根据工件尺寸和形状调整模块位置，并通过工作平台螺纹孔调整装夹位置，并能通过底部移动支撑零件调整工作台面水平。使得装夹支撑模块4能够满足多样化需求，从而更好的实现消除应力。
69.根据上述各实施例可知，在处理工件过程中，可以根据实际待处理目标工件5的尺寸和结构对设备的位置和数量进行调整，从而能够满足多种不同尺寸工件残余应力参数消除需求。
70.如图7为本技术实施例提供的一种振动时效处理方式确定方法的流程示意图。从图7中可以看到，该方法包括如下步骤：
71.101：测量目标工件的残余应力获得残余应力参数。
72.102：根据所述目标工件的结构和所述残余应力参数，采取在线模态分析或建立仿真分析模型中的一种方式，确定所述目标工件的振动时效处理方式。
73.103：根据所述目标工件的振动时效处理方式，检测所述目标工件的动应力，获得
所述目标工件的振动时效处理参数。
74.104：根据所述振动时效处理方式和所述振动时效处理参数，对所述目标工件进行模态宽频振动消除应力处理。
75.对目标工件进行残余应力的测试方法包括：有射线法、磁测法及超声法。这些方法是无损式测量方法，其中射线法使用较多，而且比较成熟。超声法和磁测法能够测量表面下的应力，是一种较新的测试方法。
76.在本技术方案中，对在模态宽频振动消除应力前，测量目标工件关注区域的残余应力的大小和分布；在模态宽频振动消除应力后，对所述目标工件关注区域的时效效果进行残余应力检测，以评价模态宽频振动对所述目标件的应力消除及均化效果。
77.自由模态分析是模态分析的一个重要组成部分，它不考虑任何约束的影响，得到的是结构本身的固有特性。
78.谐响应分析用于确定线性结构在承受随时间按正弦(简谐)规律变化的载荷时的稳态响应，分析过程中只计算结构的稳态受迫振动，不考虑激振开始时的瞬态振动，谐响应分析的目的在于计算出结构在几种频率下的响应值(通常是位移)对频率的曲线，从而使设计人员能预测结构的持续性动力特性，验证设计是否能克服共振、疲劳以及其他受迫振动引起的有害效果。其中，主要计算方法如下：
79.谐响应分析的输入为：(i)已知大小和频率的谐波载荷(力、压力或强迫位移)；(ii)同一频率的多种载荷，可以是同相或是不同相的。
80.谐响应分析的输出为：(i)每一个自由度上的谐位移，通常和施加的载荷不同相；(ii)其他多种导出量，例如应力和应变等。
81.谐响应分析可采用完全法，缩减法，模态叠加法求解。当然，视谐响应分析为瞬态动力学分析的特例，将简谐载荷定义为时间历程的载荷函数，采用瞬态动力学分析的全套方法求解也是可以的，但需要花费较长的计算时间。
82.这里所说的动应力参数包括：动应力大小和分布。残余应力参数包括残余应力大小和分布。
83.例如，可以通过对所述目标工件进行在线试验分析，具体来说，对所述目标工件进行外部激励，并检测振动响应数据，通过对振动响应数据的频域和时域分析，获得目标工件的各阶模态振型；
84.通过仿真分析模型进行相关分析。具体来说，建立目标工件的仿真分析模型，通过对所述工件进行自由模态分析和谐响应分析，获得目标工件的振动形态和动应力分布，以便针对性地制定时效处理方案。
85.根据对所述目标工件的自由模态分析，获得目标工件的各阶模态振型；根据目标工件的模态振型，设计几种装夹激振方式，通过谐响应分析，获得所述目标工件在特定装夹、激振条件下的振动形态和动应力分布信息。
86.需要说明的是，这里所说的特定装夹、激振条件可以理解为针对不同目标工件(不同大小、不同材料等等)所制定的装夹、条件等。
87.通过对于所述目标工件的残余应力和动应力匹配的分析，确定所述工件的振动时效处理方式，还包括：基于目标工件关注区域的残余应力大小和分布，根据所述振动形态和动应力分布信息，确定目标工件振动时效处理的振型；基于所述振型，确定目标工件的激振
位置和装夹支撑位置。基于所述目标工件的结构和材料，以及所述激振位置和装夹支撑位置，设计目标工件固定夹具。
88.设计目标工件固定夹具时，所述目标工件固定夹具的硬度小于所述目标工件的硬度，且所述目标工件固定夹具的材料不会与所述目标工件发生化学反应。
89.基于所述目标工件的振动关注区域，以及所述各种装夹、激振条件下的振动形态和动应力分布信息，确定使振动关注区域获得较高的谐响应强度和良好覆盖范围的振动方式，基于所述各种装夹、激振条件下的振动形态和动应力分布信息，设计多个振动形态组合的振动方式，达到上述振动关注区域获得较高的谐响应强度和良好覆盖范围的要求。
90.根据所述目标工件的结构和所述残余应力参数，采取在线试验分析或建立仿真分析模型中的一种方式，确定所述目标工件的振动时效处理方式，包括：所述目标工件进行在线试验分析，对所述目标工件进行外部激励，并检测振动响应数据，通过对振动响应数据的频域和时域分析，获得目标工件的各阶模态振型；建立目标工件的所述仿真分析模型，通过对所述目标工件的自由模态分析和谐响应分析，获得所述目标工件的振动形态和动应力参数。
91.通过所述设备对于所述目标工件的振动时效处理方式，用所述设备对所述工件装夹状态下进行模态频率扫描，与所获得的目标振型相对应的频率即为模态频率精确值。根据选择的模态频率精确值，使用动态应变分析仪检测目标工件的动应力大小，调整激振幅值从小到大逐级递增施加振动，检测关注区域的动应变和动应力，获得所述目标工件的振动时效处理参数，其中，所述振动时效处理参数包括：振动频率、振动强度和振动时间。优先选取2-5个振动关注区域获得较高的谐响应强度和良好覆盖范围的振动频率，振动频率0-3000hz；一般情况下，铝合金材料动应力选择0.5-5mpa；钛合金材料动应力选择1-10mpa；高温合金材料的动应变选择2-20mpa；钢材的动应变选择2-25mpa；通常待处理零部件各振型的振动处理时间宜为5-30分钟。
92.在确定振动时效处理方式和参数，对所述工件进行时效处理之后，对时效效果进行评价。评价的方式有两种，分别如下：
93.第一种评价方式：利用所述振动时效处理方式和参数，对所述目标工件进行时效处理；对所述目标工件进行模态宽频振动消除应力前和模态宽频振动消除应力处理后的残余应力进行比较，根据比较结果得到时效效果评价。
94.第二种评价方式：利用所述振动时效处理方式和参数，对所述目标工件进行时效处理；对所述目标工件进行时效处理前和时效处理后的尺寸稳定性参数进行比较，根据比较结果得到时效效果评价。其中，所述尺寸稳定性参数包括以下至少一项：精加工精度、长期放置精度、切割释放变形量。
95.其中，所述目标工件的振动时效处理参数的确定方式包括：用所述设备对所述工件装夹状态下进行模态频率扫描，与所获得的目标振型相对应的频率即为模态频率精确值。根据所述目标工件的振动时效处理方式，使用动态应变分析仪检测不同激振强度下目标工件的谐响应动应力大小，基于目标工件的材料，确定各振型的激振强度。根据所述目标工件的振动形态个数和各振型的激振强度，确定各振型的振动时间。
96.根据上述各实施例可知，在对目标工件进行应力消除工作之间，需要先做一些消除准备工作。具体来说，先要测量目标工件的残余应力获得残余应力参数；根据所述目标工
件的结构和残余应力参数，采取在线试验分析、建立仿真分析模型中的一种方式，确定所述目标工件的振动时效处理方式；根据所述目标工件的振动时效处理方式，检测目标工件的动应力，获得所述目标工件的振动时效处理参数。通过上述方案，能够根据目标工件自身做精准分析，找到合适的振动时效处理方式及参数，从而有效降低和均化目标工件的残余应力。
97.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的设备及技术方案，而非对其限制；该方法对分体式模态宽频时效设备、模态宽频时效设备和类似的设备均可使用。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。