基于无应力夹具的振动时效处理方法与装置 |
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申请号 | CN202310223341.4 | 申请日 | 2023-03-09 | 公开(公告)号 | CN116219152A | 公开(公告)日 | 2023-06-06 |
申请人 | 清华大学深圳国际研究生院; | 发明人 | 周文萌; 冯峰; 张建富; 刘学平; 于飞; 马原; 冯平法; | ||||
摘要 | 本 发明 公开一种基于无应 力 夹具的振动时效处理方法与装置,该方法包括如下步骤:通过有限元仿真对 工件 进行振动模态和残余 应力 分布 状态分析,并根据残余应力分布状态确定工件的 支撑 位置 和激振位置;分别用 定位 装夹单元和无应力装夹单元在支撑位置和激振位置装夹工件,使定位装夹单元夹紧以定位工件,并控制无应力装夹单元为松开状态;在激振位置处使用激振器,对工件进行振动 频率 扫描,获得振幅‑频率曲线,并确定激振频率;对工件进行振动时效处理,获得并分析处理后的振幅‑频率曲线,直至处理后的振幅‑频率曲线的变化达到设定的要求;保持定位装夹单元夹紧,并控制无应力装夹单元由松开转为紧固状态。本发明能够提高工件加工效率和加工 精度 。 | ||||||
权利要求 | 1.一种基于无应力夹具的振动时效处理方法,其特征在于,包括如下步骤: |
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说明书全文 | 基于无应力夹具的振动时效处理方法与装置技术领域背景技术[0002] 在航空航天制造领域,出于轻量化、一体化的设计考虑,通常以铝合金、钛合金所制大型框梁工件作为飞机的整体结构件和承力件。这些工件的壁厚较薄,通常在2mm以下,因此加工过程中存在高材料去除率、弱加工刚度等特点。工件毛坯在制造过程中存在大范围的内应力(即残余应力),经机械加工后由残余应力再分布导致的工件变形显著,通常可以达到几个毫米。传统装配过程中的人工校形是通过反向塑性变形修正工件外形,但该方法容易引入微观缺陷,对后续服役性能带来安全隐患,并且该方法不适用于变形形态复杂的工件。 [0003] 实际工业现场在工件加工工序中,通常增加自然时效处理过程以释放工件残余应力,时效处理后用压板结合螺栓紧固的方式将工件固定在加工平台上进行后续加工,该方案存在两个主要问题,一是自然时效处理耗时长,通常在数天至几个月不等,工件的加工效率会明显受限;二是压板加螺栓紧固在平台上的装夹方式,无法适应工件由于残余应力释放产生的变形,反而引入了新的装夹应力。 发明内容[0005] 本发明的目的在于解决工件的加工效率和加工精度较低的问题,提出一种基于无应力夹具的振动时效处理方法与装置。 [0006] 为实现上述目的,本发明采用以下技术方案: [0007] 一种基于无应力夹具的振动时效处理方法,包括如下步骤: [0009] B、分别用定位装夹单元和无应力装夹单元在所述工件的支撑位置和激振位置装夹所述工件,使所述定位装夹单元夹紧以定位所述工件,并控制所述无应力装夹单元为松开状态; [0010] C、在所述工件的激振位置处使用激振器,通过振动时效系统对所述工件进行振动频率扫描,获得振动时效处理前的振幅‑频率曲线,并结合振动模态分析结果确定激振频率; [0011] D、基于所述激振频率对所述工件进行振动时效处理,获得并分析处理后的振幅‑频率曲线,直至处理后的振幅‑频率曲线的变化达到设定的要求; [0012] E、保持所述定位装夹单元夹紧,并控制所述无应力装夹单元由松开状态转为紧固状态,以便后续加工。 [0013] 在一些实施例中,所述激振频率为所述工件的一阶振型、二阶振型或三阶振型对应的共振频率。 [0014] 在一些实施例中,所述振幅‑频率曲线的变化是指以下至少一种情况:(1)振后曲线的峰值变高;(2)振后曲线的峰值点左移;(3)振后曲线的带宽变大。 [0015] 在一些实施例中,所述无应力装夹单元为基于温控相变材料的无应力装夹单元,由温控装置控制所述无应力装夹单元松开或紧固。 [0016] 在一些实施例中,步骤A中,所述振动模态分析包括获得所述工件的不同振型下的共振频率;步骤C中,根据选择的目标振型所对应的共振频率,从所述振动时效处理前的振幅‑频率曲线上的多个共振峰中确定与所述共振频率相对应的共振峰,以该共振峰的频率作为所述激振频率。 [0017] 本发明还提供一种基于无应力夹具的振动时效处理装置,包括: [0018] 定位装夹单元,用于在工件的支撑位置夹紧以定位所述工件; [0019] 无应力装夹单元,用于在所述工件的激振位置装夹所述工件,所述无应力装夹单元在所述工件进行振动时效处理时为松开状态,在所述工件完成振动时效处理后转为紧固状态; [0020] 振动时效系统,其包括激振器,用于在所述工件的激振位置处引起激振,对所述工件进行振动时效处理; [0021] 处理单元,其经配置以用于: [0022] 对完成粗加工的工件进行振动模态分析和残余应力分布状态分析,根据残余应力分布状态确定所述工件的支撑位置和激振位置; [0023] 控制所述振动时效系统对所述工件进行振动频率扫描,获得振动时效处理前的振幅‑频率曲线,并结合振动模态分析结果确定激振频率; [0024] 控制所述振动时效系统基于所述激振频率对所述工件进行振动时效处理,获得并分析处理后的振幅‑频率曲线,直至处理后的振幅‑频率曲线的变化达到设定的要求。 [0025] 在一些实施例中,所述定位装夹单元支撑所述工件与限制所述工件在水平面位移,所述无应力装夹单元调节和限制所述工件在厚度方向的移动和变形。 [0027] 在一些实施例中,所述无应力装夹单元包括夹具外壳、相变材料和连接轴,所述温控装置包括进水管、出水管和温度传感器,所述相变材料设置在所述夹具外壳内,所述进水管和所述出水管连通至所述夹具外壳内,以通过液体循环改变所述相变材料的温度,所述连接轴的一端与所述工件相连,另一端置于所述相变材料中,所述温度传感器贴附在所述连接轴的表面,用于监测所述夹具外壳内的温度;其中,通过改变所述相变材料的温度,控制所述相变材料在固态和液态之间相变,从而使所述连接轴在松开状态和紧固状态之间切换。 [0028] 在一些实施例中,所述温度传感器为K型热电偶。 [0029] 本发明具有如下有益效果: [0030] 本发明提出的基于无应力夹具的振动时效处理方法与装置,通过振动时效处理实现工件前序加工后内部残余应力的加速释放,从而实现快速时效处理,提高工件的加工效率。而且,通过振动时效处理还能够实现工件的加工工序间的残余应力松弛与释放,从而减除工件内部残余应力,进而提高工件的整体加工精度,优化加工效果,提升工件服役性能,尤其利于薄壁结构件加工。 [0031] 通过定位装夹与无应力装夹的配合方式,控制无应力装夹单元松开或紧固,在加工工序之间引入残余应力释放的步骤而不改变工件的定位基准,可以在工序间适应工件前序加工产生的变形,而在下一步工序进行前可以实现无应力再装夹,避免产生新的装夹变形,结合振动时效处理可以实现对工件的原位时效处理,从而避免了工序间反复拆卸装夹对工件造成额外的装夹变形和外部应力引入等问题,进一步提高工件的加工精度和加工效率。 [0033] 图1是本发明实施例的振动时效处理方法的流程图。 [0034] 图2是本发明实施例的振动时效处理装置的结构示意图。 [0035] 图3是本发明实施例1的工件变形曲线图。 [0036] 图4是本发明实施例的无应力装夹单元的关键结构示意图。 [0037] 图5是本发明实施例1的振动时效系统的结构示意图。 [0038] 图6是本发明实施例1的振动时效系统的调节控制流程图。 [0039] 图7是本发明实施例1的振动时效处理前后的振幅‑频率曲线图。 [0040] 图8是本发明实施例2的工件变形曲线图。 [0041] 图9是本发明实施例2的振动时效系统的结构示意图。 [0042] 图10是本发明实施例2的振动时效处理前后的振幅‑频率曲线图。 具体实施方式[0043] 下面对照附图并结合优选的实施方式对本发明作进一步说明。需要说明的是,在不冲突的情况下,本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。 [0044] 需要说明的是,本实施例中的左、右、上、下、顶、底等方位用语,仅是互为相对概念,或是以产品的正常使用状态为参考的,而不应该认为是具有限制性的。 [0045] 本发明实施例提出的基于无应力夹具的振动时效处理方法与装置,可以根据工件前序加工后的变形情况动态调整装夹位置,不引入装夹变形,从而实现工序间的无应力装夹。其次,结合振动时效处理方法,其原理是周期性激振力作用下使目标工件达到共振状态,内部微观位错重新分布,宏观残余应力消除与均化,从而既可以实现工件工序间残余应力加速释放,又可以对工件内部残余应力起到一定程度的消除作用,对提高加工效率和加工精度具有重要的改善价值。 [0046] 如图1所示,本发明实施例提供一种基于无应力夹具的振动时效处理方法,包括如下步骤: [0047] A、通过有限元仿真对完成粗加工的工件进行振动模态分析和残余应力分布状态分析,并根据残余应力分布状态确定工件的支撑位置和激振位置。 [0048] 其中,振动模态分析包括获得工件的不同振型下的共振频率。工件的振型包括:一阶振型、二阶振型、三阶振型。 [0049] B、分别用定位装夹单元和无应力装夹单元在工件的支撑位置和激振位置装夹工件,使定位装夹单元夹紧以定位工件,并控制无应力装夹单元为松开状态。 [0050] 其中,无应力装夹单元为基于温控相变材料的无应力装夹单元,由温控装置控制所述无应力装夹单元松开或紧固。 [0051] C、在工件的激振位置处使用激振器,通过振动时效系统对工件进行振动频率扫描,获得振动时效处理前的振幅‑频率曲线,并结合振动模态分析结果确定激振频率。 [0052] 其中,振动频率的振动时长为5分钟‑20分钟,扫描循环次数为1‑3次。激振频率为工件的一阶振型、二阶振型或三阶振型对应的共振频率。 [0053] 具体地,根据选择的目标振型所对应的共振频率,从振动时效处理前的振幅‑频率曲线上的多个共振峰中确定与共振频率相对应的共振峰,以该共振峰的频率作为激振频率。 [0054] D、基于激振频率对工件进行振动时效处理,获得并分析处理后的振幅‑频率曲线,直至处理后的振幅‑频率曲线的变化达到设定的要求。 [0055] 其中,振幅‑频率曲线的变化是指以下至少一种情况:(1)振后曲线的峰值变高10%及以上;(2)振后曲线的峰值点左移10%及以上;(3)振后曲线的带宽变大10%及以上。 [0056] E、保持定位装夹单元夹紧,并控制无应力装夹单元由松开状态转为紧固状态,以便后续加工。 [0058] 本发明实施例提出的振动时效处理方法具有处理时间短、操作简易的特点,可以在薄壁零件加工过程中,通过振动方式加速零件内部应力释放与再平衡的过程,在加工工序之间引入残余应力释放的步骤而不改变工件的定位基准,同时,在下一步工序进行前可以实现无应力再装夹,避免产生新的装夹变形。相较于传统的自然时效处理,本发明实施例的振动时效处理方法显著缩短了工序间时效处理的时长,并且降低了工件内部残余应力水平,进而达到提高工件加工效率、优化工件加工精度的效果。本发明实施例的振动时效处理方法适用于材料去除率大的框梁工件。 [0059] 如图2所示,本发明实施例还提供一种基于无应力夹具的振动时效处理装置,包括:基座;定位装夹单元,用于在工件的支撑位置夹紧以定位工件于基座上;无应力装夹单元,用于在工件的激振位置装夹工件,无应力装夹单元在工件振动时效处理时为松开状态,在工件完成振动时效处理后转为紧固状态;振动时效系统,能够输出一定频率的振动信号,其包括激振器,用于在工件的激振位置处引起激振,对工件进行振动时效处理;处理单元,其经配置以用于:对完成粗加工的工件进行振动模态分析和残余应力分布状态分析,根据残余应力分布状态确定工件的支撑位置和激振位置,该处理单元包括有限元仿真模块;控制振动时效系统对工件进行振动频率扫描,获得振动时效处理前的振幅‑频率曲线,并结合振动模态分析结果确定激振频率;控制振动时效系统基于激振频率对工件进行振动时效处理,获得并分析处理后的振幅‑频率曲线,直至处理后的振幅‑频率曲线的变化达到设定的要求。 [0060] 定位装夹单元支撑工件与限制工件在水平面位移,无应力装夹单元调节和限制工件在厚度方向的移动和变形。定位装夹单元不具备沿工件厚度方向的调节功能,无应力装夹单元内部有相变材料,加热后融化,从而具备沿毛坯厚度方向的调节功能,可调行程在±5mm之间。 [0061] 无应力装夹单元为基于温控相变材料的无应力装夹单元,振动时效处理装置还包括通过调节温度来控制无应力装夹单元松开或紧固的温控装置。 [0062] 温控装置包括恒温水循环加热器、橡胶水管以及转接龙头。恒温水循环加热器可以控制循环水的水温,控制范围为室温‑99℃。橡胶水管用于将恒温水循环加热器里的水输送给无应力装夹单元。转接龙头用于将橡胶水管的水分流成多个管道输送给不同的无应力装夹单元。 [0063] 无应力装夹单元包括夹具外壳、相变材料和连接轴,温控装置包括进水管、出水管和温度传感器,相变材料设置在夹具外壳内,进水管和出水管连通至夹具外壳内,以通过液体循环改变所述相变材料的温度,连接轴的一端与工件相连,另一端置于相变材料中,温度传感器贴附在连接轴的表面,用于监测夹具外壳内的温度;其中,通过改变相变材料的温度,控制相变材料在固态和液态之间相变,从而使连接轴在松开状态和紧固状态之间切换。温度传感器可以为K型热电偶,但不限于此。 [0064] 振动时效系统包括:控制主机、激振器、C型卡具、通讯电缆、加速度传感器、电荷放大器、示波器。控制主机与激振器之间通过通讯电缆连接,激振器通过C型卡具夹在工件上。加速度传感器粘着在零件表面,加速度传感器与电荷放大器的输入通道连接,电荷放大器的输出通道与示波器的输入通道连接,示波器的输出通道与控制主机连接。激振器内部电机转速调节范围为1000~10000r/min,打开控制主机和激振器,逐渐提高激振器转速,对工件进行扫频,获得振幅‑频率曲线,根据曲线的共振峰值确定激振频率。 [0065] 以下进一步描述基于无应力夹具的振动时效处理方法的具体实施例。 [0066] 实施例1: [0067] 如图1所示,本实施例提供一种基于无应力夹具的振动时效处理方法,包括以下步骤: [0070] 参考图3,工件的仿真分析结果表明,该框梁型工件残余应力释放造成的变形集中在工件长度方向的两端,因此在工件沿长度方向的中间位置取3个点作为支撑位置,以工件长度方向的两端作为激振位置。 [0071] 步骤2:在支撑点处,保持定位装夹单元夹紧,通过温控装置使无应力装夹单元为松开状态。 [0072] 参考图4,无应力装夹单元的关键结构如下,该无应力装夹单元与被夹紧工件通过连接轴1.1处连接,相变材料1.3位于夹具外壳1.6的内部,进水管1.4和出水管1.5通过夹具外壳1.6上的两个孔伸出夹具内部,K型热电偶1.2贴附在连接轴1.1的表面,用于监测夹具芯部的温度。需解锁夹具时,热水通过进水口1.4和出水口1.5循环加热夹具内部的相变材料1.3,K型热电偶1.2通过导线和外部的测温仪1.7连接,当测温仪1.7上显示温度为75℃时,相变材料1.3完全由固态变成了液态,夹具解锁。 [0073] 步骤3:在步骤1中确定的激振点处安装激振器,连接振动时效系统; [0074] 参考图5,工件2.1中间位置通过螺栓2.2固定在定位装夹单元2.3上,两端的无应力装夹单元2.4处保持解锁状态,激振器2.5通过C型卡具2.6夹在工件两端,加速度传感器2.7粘着在工件2.1表面。振动时效系统的结构示意图如图5所示,其调节控制流程为:控制主机调控信号发生器输出的振动信号经功率放大器传导至工件,进行振动时效处理。工件上附着的加速度传感器输出的信号经电荷放大器和示波器反馈至控制主机,从而获得工件实际振动情况。 [0075] 步骤4:启动振动时效系统,对工件进行扫频,获得处理前的振幅‑频率曲线,将曲线中各个共振峰对应的频率与步骤1获得的不同振型下的频率作对照,选择目标振型对应的频率作为激振频率,本实施例选择一阶振型对应的频率作为激振频率。 [0076] 步骤5:按照步骤4中的激振频率调节振动频率,在工件达到共振状态后进行振动时效处理,振动时效处理后再次扫频,获得处理后的振幅‑频率曲线。 [0077] 步骤6:对比步骤4、步骤5中的振幅‑频率曲线,若振幅‑频率曲线变化满足要求,关闭振动时效处理装置,取下激振器,若不满足要求,重复步骤5。 [0078] 参考图7,振动时效处理后的曲线的峰值点相对于处理前的曲线的峰值点发生了左移,说明振动时效处理满足要求。 [0079] 步骤7:保持定位装夹单元夹紧,通过温控装置使无应力装夹单元为紧固状态,从而完成工件的快速原位时效处理。 [0080] 参考图4,需锁紧夹具时,冷却水通过进水口1.4和出水口1.5循环加热夹具内部的相变材料1.3,K型热电偶1.2通过导线和外部的测温仪1.7连接,当测温仪1.7上显示温度为35℃时,相变材料1.3完全由液态变成了固态,夹具锁紧。 [0081] 实施例2: [0082] 本实施例提供另一种基于无应力夹具的振动时效处理方法,包括以下步骤: [0083] 步骤1:加工铝合金6061材料,毛坯完成粗加工后,工件外形尺寸为400mm×50mm×30mm,通过有限元仿真对工件进行振动模态分析和残余应力分布状态分析,确定工件的支撑点和激振点。 [0084] 参考图8,工件的仿真分析结果表明,该框梁型工件残余应力释放造成的变形集中在工件长度方向的两端,因此在工件沿长度方向的中间位置取3个点作为支撑位置,以工件长度方向的两端作为激振位置。 [0085] 步骤2:在支撑点处,保持定位装夹单元夹紧,通过温控装置使无应力装夹单元为松开状态。 [0086] 参考图4,无应力装夹单元的关键结构如下,该无应力装夹单元与被夹紧工件通过连接轴1.1处连接,相变材料1.3位于夹具外壳1.6的内部,进水管1.4和出水管1.5通过夹具外壳1.6上的两个孔伸出夹具内部,K型热电偶1.2贴附在连接轴1.1的表面,用于监测夹具芯部的温度。需解锁夹具时,热水通过进水口1.4和出水口1.5循环加热夹具内部的相变材料1.3,K型热电偶1.2通过导线和外部的测温仪1.7连接,当测温仪1.7上显示温度为75℃时,相变材料1.3完全由固态变成了液态,夹具解锁。 [0087] 步骤3:在步骤1中确定的激振点处安装激振器,连接振动时效系统; [0088] 参考图9,工件2.1中间位置通过螺栓2.2固定在定位装夹单元2.3上,两端的无应力装夹单元2.4处保持解锁状态,激振器2.5通过C型卡具2.6夹在工件两端,加速度传感器2.7粘着在工件2.1表面。振动时效处理系统的结构示意图如图5所示,其调节控制流程为: 控制主机调控信号发生器输出的振动信号经功率放大器传导至工件,进行振动时效处理。 工件上粘着的加速度传感器输出的信号经电荷放大器和示波器反馈至控制主机,从而获得工件实际振动情况。 [0089] 步骤4:启动振动时效系统,对工件进行扫频,获得处理前的振幅‑频率曲线,将曲线中各个共振峰对应的频率与步骤1获得的不同振型下的频率作对照,选择目标振型对应的频率作为激振频率,本实施例选择一阶振型对应的频率作为激振频率; [0090] 步骤5:按照步骤4中的激振频率调节振动频率,在工件达到共振状态后进行振动时效处理,振动处理后再次扫频,获得处理后的振幅‑频率曲线。 [0091] 步骤6:对比步骤4、步骤5中的振幅‑频率曲线,若振幅‑频率曲线变化满足要求,关闭振动时效装置,取下激振器,若不满足要求,重复步骤5。 [0092] 参考图10,振动时效处理后的曲线的峰值点相对于处理前的曲线的峰值点发生了左移,说明振动时效处理满足要求。 [0093] 步骤7:保持定位装夹单元夹紧,通过温控装置使无应力装夹单元为紧固状态,从而完成工件的快速原位时效处理。 [0094] 参考图4,需锁紧夹具时,冷却水通过进水口1.4和出水口1.5循环加热夹具内部的相变材料1.3,K型热电偶1.2通过导线和外部的测温仪1.7连接,当测温仪1.7上显示温度为35℃时,相变材料1.3完全由液态变成了固态,夹具锁紧。 [0095] 本发明具有以下优点: [0096] (1)本发明通过振动时效处理实现工件前序加工后内部残余应力的加速释放,进而达到快速时效处理的目的。相对于工业现场常用的自然时效处理方案,本发明具有更优的时效处理效率,在大型零件机械加工领域具有较好的发展前景。 [0097] (2)本发明可以通过振动时效处理实现工件工序间的残余应力松弛与释放,达到减除工件内部残余应力的目的。有利于提高加工工件的整体加工精度,优化加工效果,提升工件服役性能,在薄壁结构件加工领域具有重要的意义。 [0098] (3)相对于目前常用的传统装夹方案,本发明所需的零应力夹具可以在工序间适应零件前序加工产生的变形,结合振动时效处理可以实现对工件的原位时效处理,从而避免了工序间反复拆卸装夹对工件造成额外的装夹变形和外部应力引入等问题。此外,本发明具备大大缩短零件时效处理耗时的优势,对提高大型结构件的加工效率具有显著的应用价值。 [0099] 以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明,不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的技术人员来说,在不脱离本发明构思的前提下,还可以做出若干等同替代或明显变型,而且性能或用途相同,都应当视为属于本发明的保护范围。 |