本發(fā)明涉及振動時效技術(shù)領(lǐng)域，特指一種用于消除殘余應(yīng)力的高頻沖擊振動系統(tǒng)及方法。

技術(shù)背景

振動時效技術(shù)因為具有設(shè)備簡單、節(jié)能環(huán)保、處理時間短、效果好等特點(diǎn)而成為備受關(guān)注的殘余應(yīng)力消除技術(shù)。目前國內(nèi)外專家學(xué)者對傳統(tǒng)低頻振動時效技術(shù)(激振頻率小于200hz)進(jìn)行了大量的研究，取得了豐富的理論成果并積累了大量成功的應(yīng)用實例，但是傳統(tǒng)低頻振動時效技術(shù)采用可調(diào)電機(jī)作為激振器，導(dǎo)致其激振頻率通常小于200hz，表明傳統(tǒng)低頻振動時效技術(shù)的可選振型非常有限；同時傳統(tǒng)低頻振動時效技術(shù)是通過對構(gòu)件進(jìn)行整體激振的方式來消除殘余應(yīng)力的，導(dǎo)致了傳統(tǒng)低頻振動時效技術(shù)在消除構(gòu)件局部殘余應(yīng)力或大型復(fù)雜構(gòu)件殘余應(yīng)力時效果有限。高頻振動時效技術(shù)(激振頻率大于1khz)與傳統(tǒng)低頻振動時效技術(shù)本質(zhì)上都是對構(gòu)件進(jìn)行整體激振，從而達(dá)到消除構(gòu)件內(nèi)部殘余應(yīng)力的目的，然而由于高頻激振器的驅(qū)動能力有限，因此對構(gòu)件采用整體激振的方式進(jìn)行高頻振動時效處理，導(dǎo)致高頻振動時效技術(shù)僅適用于消除小尺寸構(gòu)件的殘余應(yīng)力。

針對振動時效技術(shù)存在的問題，本發(fā)明提出一種用于消除殘余應(yīng)力的高頻沖擊振動系統(tǒng)及方法。所謂的用于消除殘余應(yīng)力的高頻沖擊振動方法指的是采用沖擊振動式的高頻振動處理方法來消除構(gòu)件的殘余應(yīng)力。用于消除殘余應(yīng)力的高頻沖擊振動方法采用高頻振動能量放大裝置和電磁式激振器組成高頻沖擊振動系統(tǒng)中的沖擊振動產(chǎn)生單元，能夠?qū)⒏哳l振動能量直接注入到材料表面的局部區(qū)域，因此本發(fā)明所提出的用于消除殘余應(yīng)力的高頻沖擊振動方法不僅能夠消除小尺寸構(gòu)件的殘余應(yīng)力，也能夠消除大型復(fù)雜構(gòu)件的殘余應(yīng)力。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對振動時效技術(shù)存在的問題，本發(fā)明提出一種用于消除殘余應(yīng)力的高頻沖擊振動系統(tǒng)及方法。所謂的用于消除殘余應(yīng)力的高頻沖擊振動方法指的是采用沖擊振動式的高頻振動處理方法來消除構(gòu)件的殘余應(yīng)力，即將高頻振動能量直接注入到材料表面的局部區(qū)域。因此本發(fā)明提出的用于消除殘余應(yīng)力的高頻沖擊振動系統(tǒng)及方法不僅能夠消除小尺寸構(gòu)件的殘余應(yīng)力，也能夠消除大型復(fù)雜構(gòu)件的殘余應(yīng)力。

用于消除殘余應(yīng)力的高頻沖擊振動系統(tǒng)，包括上位機(jī)系統(tǒng)、信號發(fā)生器、功率放大器、電磁式激振器、高頻振動能量放大裝置、加速度傳感器、電荷放大器、示波器；上位機(jī)系統(tǒng)控制信號發(fā)生器輸出幅值和頻率均能夠獨(dú)立且連續(xù)調(diào)節(jié)的正弦激振信號；正弦激振信號經(jīng)過功率放大器放大后輸入電磁式激振器，驅(qū)動電磁式激振器產(chǎn)生高頻振動；

高頻振動能量放大裝置固定于電磁式激振器運(yùn)動部件的激振臺面上，高頻振動能量放大裝置包括上托臺，固定在激振臺面上的下底盤和連接上托臺與下底盤的連桿；連桿的截面面積小于上托臺的截面面積，同時連桿的截面面積小于下底盤的截面面積；

加速度傳感器安裝于上托臺的下表面，加速度傳感器的輸出端與電荷放大器的輸入通道連接，電荷放大器的輸出通道與示波器的輸入通道連接，示波器的輸出通道與上位機(jī)系統(tǒng)連接。

具體來說，由上位機(jī)系統(tǒng)、信號發(fā)生器、功率放大器、電磁式激振器、高頻振動能量放大裝置、加速度傳感器、電荷放大器以及示波器組成高頻沖擊振動系統(tǒng)，能夠?qū)⒏哳l振動能量直接注入到構(gòu)件表面的局部區(qū)域，對構(gòu)件進(jìn)行局部高頻沖擊振動消除殘余應(yīng)力的處理。加速度傳感器的輸出信號表征高頻振動能量放大裝置的輸出振級a，高頻振動能量放大裝置的輸出振級a即為作用在構(gòu)件表面局部區(qū)域上的振級。上位機(jī)系統(tǒng)實時顯示高頻振動能量放大裝置的輸出振級a。在高頻沖擊振動系統(tǒng)的共振頻率下對構(gòu)件進(jìn)行激振處理時，能夠提高注入到構(gòu)件表面局部區(qū)域的高頻振動能量，從而提高高頻沖擊振動消除構(gòu)件殘余應(yīng)力的效果。

電磁式激振器用于產(chǎn)生激振頻率大于1khz的高頻振動，其最高激振頻率可以達(dá)到10khz以上。

進(jìn)一步，加速度傳感器為壓電式加速度傳感器。

使用高頻沖擊振動系統(tǒng)消除殘余應(yīng)力的方法包括以下步驟：

(1)、制造高頻振動能量放大裝置，高頻振動能量放大裝置包括上托臺，固定在激振臺面上的下底盤和連接上托臺與下底盤的連桿；連桿的截面面積小于上托臺的截面面積，同時連桿的截面面積小于下底盤的截面面積；

(2)、將上托臺上表面與構(gòu)件緊密接觸；將加速度傳感器安裝在上托臺下表面；下底盤固定在電磁式激振器的激振臺面上；下底盤與上托臺通過連桿連接；接通上位機(jī)系統(tǒng)與信號發(fā)生器之間的信號連線；接通上位機(jī)系統(tǒng)與示波器之間的信號連線；接通信號發(fā)生器與功率放大器之間的信號連線；接通功率放大器與電磁式激振器之間的信號連線；接通加速度傳感器與電荷放大器之間的信號連線；接通電荷放大器與示波器之間的信號連線；接通上位機(jī)系統(tǒng)、功率放大器、信號發(fā)生器、電荷放大器、示波器、電磁式激振器的電源；

(3)、確定信號發(fā)生器輸出的高頻沖擊振動處理消除殘余應(yīng)力的激振頻率f。

(4)、緩慢調(diào)節(jié)功率放大器的增益旋鈕使得功率放大器輸出恒定的電流i，驅(qū)動電磁式激振器對構(gòu)件進(jìn)行高頻沖擊振動處理。

進(jìn)一步，步驟(3)中，確定信號發(fā)生器輸出的高頻沖擊振動處理消除殘余應(yīng)力的激振頻率f包括以下步驟：

(3.1)、信號發(fā)生器的初始激振頻率f0設(shè)置為1000hz，然后以100hz為步長逐步增加信號發(fā)生器輸出的激振頻率；緩慢調(diào)節(jié)功率放大器的增益旋鈕使得功率放大器輸出恒定的電流i；上位機(jī)系統(tǒng)分別記錄下每一激振頻率時高頻振動能量放大裝置的輸出振級a；上位機(jī)系統(tǒng)得到高頻振動能量放大裝置輸出振級a最大時的激振頻率；上位機(jī)系統(tǒng)記錄下該激振頻率，并記為f1；

(3.2)、信號發(fā)生器的初始激振頻率設(shè)置為(f1-100)hz，以10hz為步長逐步增加信號發(fā)生器輸出的激振頻率，然后重復(fù)步驟(3.1)的過程，得到高頻振動能量放大裝置輸出振級a最大時的激振頻率；上位機(jī)系統(tǒng)記錄下該激振頻率，并記為f2；

(3.3)、信號發(fā)生器的初始激振頻率設(shè)置為(f2-10)hz，以1hz為步長逐步增加信號發(fā)生器輸出的激振頻率，然后重復(fù)步驟(3.1)的過程，得到高頻振動能量放大裝置輸出振級a最大時的激振頻率；上位機(jī)系統(tǒng)記錄下該激振頻率，并記為f3，即為高頻沖擊振動處理消除殘余應(yīng)力的激振頻率f。

本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思是：由上位機(jī)系統(tǒng)、信號發(fā)生器、功率放大器、電磁式激振器、高頻振動能量放大裝置、加速度傳感器、電荷放大器以及示波器組成高頻沖擊振動系統(tǒng)；上托臺上表面與構(gòu)件緊密接觸；上位機(jī)系統(tǒng)自動確定信號發(fā)生器輸出的高頻沖擊振動處理消除殘余應(yīng)力的激振頻率f；緩慢調(diào)節(jié)功率放大器的增益旋鈕使得功率放大器輸出恒定的電流i，驅(qū)動電磁式激振器對構(gòu)件進(jìn)行高頻沖擊振動處理。

本發(fā)明的有益效果如下：

1、本發(fā)明采用電磁式激振器和高頻振動能量放大裝置組成高頻沖擊振動產(chǎn)生單元，所產(chǎn)生的高頻沖擊振動幅值屬于微米級別，能夠?qū)?gòu)件進(jìn)行安全的時效處理，可以保護(hù)構(gòu)件不受疲勞損傷的危險。

2、本發(fā)明采用的高頻沖擊振動處理方法突破了高頻振動時效技術(shù)消除殘余應(yīng)力時，將構(gòu)件裝夾在電磁式激振器上進(jìn)行整體激振的技術(shù)思路，而是采用高頻振動能量放大裝置將電磁式激振器輸出的高頻振動能量放大后，直接注入到構(gòu)件的表面局部區(qū)域，這樣的方法能夠?qū)⒏哳l振動能量有效的輸入到待消除殘余應(yīng)力的表面局部區(qū)域，因此本發(fā)明提出的用于消除殘余應(yīng)力的高頻沖擊振動方法不僅能夠消除小尺寸構(gòu)件的殘余應(yīng)力，同時也能夠消除大型復(fù)雜構(gòu)件的殘余應(yīng)力。

3、在高頻沖擊振動系統(tǒng)的共振頻率下對構(gòu)件進(jìn)行激振處理時，能夠放大電磁式激振器輸出的高頻振動能量，即提高了注入構(gòu)件表面局部區(qū)域的高頻振動能量，具有能夠顯著的提高高頻沖擊振動消除構(gòu)件殘余應(yīng)力的效果的優(yōu)點(diǎn)。

4、用于消除殘余應(yīng)力的高頻沖擊振動系統(tǒng)對構(gòu)件進(jìn)行高頻沖擊振動處理的過程由上位機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行控制，無需手動操作，減少了工作量，提高了工作的效率。

附圖說明

圖1用于消除殘余應(yīng)力的高頻沖擊振動系統(tǒng)示意圖。

圖2高頻振動能量放大裝置示意圖。

圖3aisi1045鋼構(gòu)件尺寸示意圖。

圖4脈沖激光表面輻射示意圖。

圖5a高頻沖擊振動處理前的殘余應(yīng)力測試結(jié)果。

圖5b高頻沖擊振動處理后的殘余應(yīng)力測試結(jié)果。

具體實施方式

參照附圖，進(jìn)一步說明本發(fā)明：

用于消除殘余應(yīng)力的高頻沖擊振動系統(tǒng)，包括上位機(jī)系統(tǒng)、信號發(fā)生器、功率放大器、電磁式激振器、高頻振動能量放大裝置2、加速度傳感器5、電荷放大器、示波器；上位機(jī)系統(tǒng)控制信號發(fā)生器輸出幅值和頻率均能夠獨(dú)立且連續(xù)調(diào)節(jié)的正弦激振信號；正弦激振信號經(jīng)過功率放大器放大后輸入電磁式激振器，驅(qū)動電磁式激振器產(chǎn)生高頻振動；

高頻振動能量放大裝置2固定于電磁式激振器運(yùn)動部件3的激振臺面4上，高頻振動能量放大裝置2包括上托臺21，固定在激振臺面4上的下底盤22和連接上托臺21與下底盤22的連桿23；連桿23的截面面積小于上托臺21的截面面積，同時連桿23的截面面積小于下底盤22的截面面積；

加速度傳感器5安裝于上托臺21的下表面，加速度傳感器5的輸出端與電荷放大器的輸入通道連接，電荷放大器的輸出通道與示波器的輸入通道連接，示波器的輸出通道與上位機(jī)系統(tǒng)連接。

具體來說，由上位機(jī)系統(tǒng)、信號發(fā)生器、功率放大器、電磁式激振器、高頻振動能量放大裝置2、加速度傳感器5、電荷放大器以及示波器組成高頻沖擊振動系統(tǒng)，能夠?qū)⒏哳l振動能量直接注入到構(gòu)件1表面的局部區(qū)域，對構(gòu)件1進(jìn)行局部高頻沖擊振動消除殘余應(yīng)力的處理。加速度傳感器5的輸出信號表征高頻振動能量放大裝置2的輸出振級a，高頻振動能量放大裝置2的輸出振級a即為作用在構(gòu)件1表面局部區(qū)域上的振級。上位機(jī)系統(tǒng)實時顯示高頻振動能量放大裝置2的輸出振級a。在高頻沖擊振動系統(tǒng)的共振頻率下對構(gòu)件1進(jìn)行激振處理時，能夠提高注入到構(gòu)件1表面局部區(qū)域的高頻振動能量，從而提高高頻沖擊振動消除構(gòu)件1殘余應(yīng)力的效果。

電磁式激振器用于產(chǎn)生激振頻率大于1khz的高頻振動，其最高激振頻率可以達(dá)到10khz以上。

進(jìn)一步，加速度傳感器5為壓電式加速度傳感器。

使用高頻沖擊振動系統(tǒng)消除殘余應(yīng)力的方法包括以下步驟：

(1)、制造高頻振動能量放大裝置2，高頻振動能量放大裝置2包括上托臺21，固定在激振臺面4上的下底盤22和連接上托臺21與下底盤22的連桿23；連桿23的截面面積小于上托臺21的截面面積，同時連桿23的截面面積小于下底盤22的截面面積；

(2)、將上托臺21上表面與構(gòu)件1緊密接觸；將加速度傳感器5安裝在上托臺21下表面；下底盤22固定在電磁式激振器的激振臺面4上；下底盤22與上托臺21通過連桿23連接；接通上位機(jī)系統(tǒng)與信號發(fā)生器之間的信號連線；接通上位機(jī)系統(tǒng)與示波器之間的信號連線；接通信號發(fā)生器與功率放大器之間的信號連線；接通功率放大器與電磁式激振器之間的信號連線；接通加速度傳感器5與電荷放大器之間的信號連線；接通電荷放大器與示波器之間的信號連線；接通上位機(jī)系統(tǒng)、功率放大器、信號發(fā)生器、電荷放大器、示波器、電磁式激振器的電源；

(3)、確定信號發(fā)生器輸出的高頻沖擊振動處理消除殘余應(yīng)力的激振頻率f。

(4)、緩慢調(diào)節(jié)功率放大器的增益旋鈕使得功率放大器輸出恒定的電流i，驅(qū)動電磁式激振器對構(gòu)件1進(jìn)行高頻沖擊振動處理。

進(jìn)一步，步驟(3)中，確定信號發(fā)生器輸出的高頻沖擊振動處理消除殘余應(yīng)力的激振頻率f包括以下步驟：

(3.1)、信號發(fā)生器的初始激振頻率f0設(shè)置為1000hz，然后以100hz為步長逐步增加信號發(fā)生器輸出的激振頻率；緩慢調(diào)節(jié)功率放大器的增益旋鈕使得功率放大器輸出恒定的電流i；上位機(jī)系統(tǒng)分別記錄下每一激振頻率時高頻振動能量放大裝置2的輸出振級a；上位機(jī)系統(tǒng)得到高頻振動能量放大裝置2輸出振級a最大時的激振頻率；上位機(jī)系統(tǒng)記錄下該激振頻率，并記為f1；

(3.2)、信號發(fā)生器的初始激振頻率設(shè)置為(f1-100)hz，以10hz為步長逐步增加信號發(fā)生器輸出的激振頻率，然后重復(fù)步驟(3.1)的過程，得到高頻振動能量放大裝置2輸出振級a最大時的激振頻率；上位機(jī)系統(tǒng)記錄下該激振頻率，并記為f2；

(3.3)、信號發(fā)生器的初始激振頻率設(shè)置為(f2-10)hz，以1hz為步長逐步增加信號發(fā)生器輸出的激振頻率，然后重復(fù)步驟(3.1)的過程，得到高頻振動能量放大裝置2輸出振級a最大時的激振頻率；上位機(jī)系統(tǒng)記錄下該激振頻率，并記為f3，即為高頻沖擊振動處理消除殘余應(yīng)力的激振頻率f。

對圖3中的aisi1045鋼構(gòu)件1進(jìn)行高頻沖擊振動處理。該構(gòu)件1的長度為300mm，寬度為40mm，厚度為6mm。為了在構(gòu)件1的表層產(chǎn)生初始?xì)堄鄳?yīng)力，本發(fā)明中采用圖4所示的脈沖激光表面輻射工藝對構(gòu)件1表面進(jìn)行脈沖激光表面輻射處理。在脈沖激光輻射的區(qū)域，構(gòu)件1表面溫度快速升高，材料表面發(fā)生微觀組織的轉(zhuǎn)變，從而在構(gòu)件1表層產(chǎn)生了較大的拉伸殘余應(yīng)力。高頻沖擊振動處理前的殘余應(yīng)力測試結(jié)果見圖5a，高頻沖擊振動處理后的殘余應(yīng)力測試結(jié)果見圖5b，表明本發(fā)明所提出的用于消除殘余應(yīng)力的高頻沖擊振動方法能夠有效的消除構(gòu)件1的殘余應(yīng)力。

本說明書實施例所述的內(nèi)容僅僅是對發(fā)明構(gòu)思的實現(xiàn)形式的列舉，本發(fā)明的保護(hù)范圍不應(yīng)當(dāng)被視為僅限于實施例所陳述的具體形式，本發(fā)明的保護(hù)范圍也及于本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思所能夠想到的等同技術(shù)手段。