專利名稱：一種新型振動時效的方法
技術領域：
本發明涉及一種振動時效的新方法。振動時效，國外稱之為“VibratingStress Relief”簡稱“VSR”，旨在通過專業的振動時效設備，使被處理的工件產生共振，并通過這種共振方式將一定的振動能量傳遞到工件的所有部位，使工件內部發生微觀的塑性變形--被歪曲的晶格逐漸回復平衡狀態。位錯重新滑移并釘扎，從而使工件內部的殘余應力得以消除和均化，最終防止工件在加工和使用過程中變形和開裂，保證工件尺寸精度的穩定性。
背景技術：
振動時效原理是通過對工件上施加周期性激振力，在工件的共振頻率進行振動，使工件的內部組織獲得動應力。當σ動+σ殘≥σs時(σ動-激振器施加給工件的周期性動應力，σ殘-殘余應力，σs-材料屈服強度極限)，工件會產生少量的塑性變形，原來不穩定的殘余應力得到松弛和勻化，使殘余應力峰值下降，從而使工件的幾何尺寸趨于穩定。
傳統的振動時效是通過電機的旋轉帶動固定在工件上的激振器的偏心塊產生周期性激振力，共振頻率的尋找和時效效果的判斷都是根據加速度參數進行的，加速度的大小雖然能間接的反映動應力的變化，但不能定量反映動應力的大小，所以為了防止動應力過大對工件材料的影響，行業標準規定用亞共振(共振頻率左右)時效方法。這種振動時效方法經過幾十年的發展，它的缺點已暴露出來，時效效果不確定，判斷方法不能被用戶信服。在實際使用中人們希望能在處理過程和處理后對時效的效果進行定量的分析，現有的測量方法有盲孔法，磁測法，X衍射法，但費用上和耗時方面都不適合生產現場的需要，故在推廣這種高效節能的工藝時這些測量方法在生產現場使用起來較難，而且測量結果的重復性很差，不宜作為現場檢測手段使用。人們尚期望有一種快速，便捷，經濟且易于規范化的定量判據。此外，現有振動時效設備都是使用電機帶動偏心塊產生振動，在共振頻率下激振力的調節要通過調節偏心量來實現，調節偏心量必須由操作人員用扳手在停機狀態下進行，這種激振器工作效率低下，無法實現實時調節。
發明內容
本發明所要解決的技術問題是提供一種以磁致伸縮激振器作為振源，并直接采用動應力作為時效參數和振動效果判據的新型振動時效方法。
本發明所述的振動時效的方法，硬件方面包括計算機、磁致伸縮激振器、多組加速度傳感器和多組動應變傳感器，其中磁致伸縮激振器加載在被時效工件表面施以周期性激振力，多組加速度傳感器和多組動應變傳感器分別設置在被時效工件的容易產生裂紋和變形的部位上用于收集加速度和動應變信號，兩種信號通過各傳感器的測量電路送至數據采集電路，由數據采集電路采集數據后輸入控制計算機，計算機分析不同頻率和動應變間的對應關系并排序，選擇最大的前幾個動應變值所對應的頻率作為振型，再通過控制電路輸出控制信號調整磁致伸縮激振器的驅動電路的電流及工作時間，使磁致伸縮激振器以上述的頻率振動直至完成時效。
上述計算機進行分析并判斷振動頻率的步驟為 11)控制磁致伸縮激振器以0.5A-1A電流，頻率從低到高的對工件進行振前掃描； 12)記錄并計算加速度-頻率的對應關系即a-f圖，以及動應變-頻率的對應關系即δd-f圖； 13)根據an-an-1＞20，an-1-an＜20確定共振頻率f1…fn； 14)根據比較，選取最大的前前三到五個動應變值所對應的頻率確定時效振型f1，f2，f3，f4，f5。
確定磁致伸縮激振器的驅動電流和時效時間的步驟為 21)根據上述確定的振型頻率f1，f2，f3，f4，f5，首先在f1頻率下進行振動時效； 22)根據1/3δ工＜δd＜2/3δ工和材料，計算機計算出能達到時效效果的合適動應變εd0； 23)根據上述確定的動應變εd0調節電流，使εd≥εd0，并保持恒流I1進行時效； 24)在線測量加速度和εd的變化，并判斷|an-an-1|＞5或|εn-εn-1|＞2后3分鐘自動跳轉到f2，重復執行以上步驟，直至f5完成。
最后，計算機通過通過對比振動前后加速度和動應力的變化，采用以下步驟判斷時效效果，并給出殘余應力消除率和工件應力水平的變化 31)計算機自動控制激振器以小電流，頻率從低到高的對工件進行振后掃描； 32)計算機記錄并計算加速度-頻率的對應關系即a*-f*，以及動應變-頻率的對應關系即δ*d-f*，同時測得靜態應變ε0； 33)根據an-an-1＞20，an＝1-an＜20確定振后共振頻率f1°…fn°； 34)與振前共振頻率f1，f5，f3，f4，f5對比，確定其對應的振后共振頻率f1°，f5°，f3°，f4°，f5°，并記錄其對應的動應變值； 35)計算機對前前三到五個振型對應的加速度和動應變進行比較，計算 殘余應力消除率＝K1{∑05[(δd-δ*d)/δd]/5}， 式中K1為經驗系數； 殘余應力的變化量＝K0E{(∑05ε0)/5}， 式中K0為經驗系數，E為材料彈性摸量。
本發明提供的振動時效方法是通過使用激振力隨電流變化的磁致伸縮激振器作為振源，在振動時效過程中激振力的大小受高速計算機的控制，能夠即時響應振動變化來滿足動應力的要求，解決了現有技術采用的偏心塊激振器必須采用手動調節影響實時性的問題，大大提高了工作效率和調節的精確度。本發明用加速度傳感器和動應變傳感器作為傳感元件，由高速計算機控制振源在共振頻率下振動，并適時調節驅動電路的輸出到磁致伸縮激振器上的電流，使工件產生滿足σ動+σ殘≥σs的動應變，計算機通過加速度和動應變傳感器采集到的數據通過軟件建立的數學模型進行分析和判斷，確定振動時效的振型和振動時間，并可以實時檢測動應力變化，給出準確的工件殘余應力變化量作為時效效果的判據。相對現有技術只采用加速度這一間接數據作為評判指標，使得時效的效果直觀準確，令人信服。時效效果較傳統振動時效方法提高20％以上，時效有效率達到100％。全部加工過程易實現自動化控制，加工效率更高，效果更好。
圖1是本發明中計算機分析并判斷振動頻率和動應變的流程圖； 圖2是計算機分析并確定磁致伸縮激振器的驅動電流和時效時間的流程圖； 圖3是時效后系統會重復振型判斷的過程對工件進行檢測的流程圖； 圖4a是加速度-頻率的對應關系圖，圖4b是動應變-頻率的對應關系圖； 圖5a是時效前后加速度-頻率的變化比較圖； 圖5b是時效前后動應變-頻率的變化比較圖。
具體實施例方式 圖1是本發明所采用的系統框圖，其主要包括控制計算機、磁致伸縮激振器、加速度傳感器和動應變傳感器，磁致伸縮激振器加載在被時效工件表面施以周期性激振力，加速度傳感器和動應變傳感器設置在被時效工件上用于收集加速度和動應變信號，加速度傳感器和動應變傳感器各自通過其測量電路將送至數據采集電路，由數據采集電路采集數據后輸入控制計算機，由控制計算機進行分析并判斷應當施加在被時效工件上的振型和時間，再通過控制電路輸出控制信號調整磁致伸縮激振器的驅動電路電流，使磁致伸縮激振器以上述的振型和時間振動。其中需要根據受迫振動原理設置激振點和支撐點，并將多組加速度和動應變傳感器設置在工件重要部位，并盡量離激振點較遠的波節處，按要求連接振動裝置。
本發明提供的振動時效方法的工作過程分部分振型判斷、時效、效果判斷。振型判斷是采用掃頻或頻譜分析的方法，根據加速度和動應力數值由計算機自動判斷，根據判斷結果計算機控制磁致伸縮激振器在不同的振型下工作，工作電流根據動應變確定，這樣就充分滿足了振動時效的原理。在時效過程中加速度和動應力隨著工件內殘余應力的釋放，會發生變化，計算機根據這些變化，確定時效時間。時效后系統會重復振型判斷的過程對工件進行檢測，計算機通過時效前后加速度和動應力的變化，根據軟件建立的數學模型判斷時效效果，并給出殘余應力消除率和工件應力水平的變化。
其中計算機進行分析并判斷振型的步驟為 11)控制磁致伸縮激振器以0.5A-1A電流，頻率從低到高的對工件進行振前掃描； 12)記錄并計算振前加速度-頻率的對應關系即a-f圖，以及動應變-頻率的對應關系即δd-f圖； 13)根據an-an-1＞20，an-1-an＜20確定振前共振頻率f1…fn； 14)根據比較，選取最大的前三到五個動應變值所對應的頻率確定時效振型f1，f2，f3，f4，f5。
確定磁致伸縮激振器的驅動電流和時效時間的步驟為 21)根據上述確定的振型頻率f1，f2，f3，f4，f5，首先在f1頻率下進行振動時效； 22)根據1/3δ工＜δd＜2/3δ工和材料，計算機計算出能達到時效效果的合適動應變εd0； 23)根據上述確定的動應變εd0調節電流，使εd≥εd0，并保持恒流I1進行時效； 24)在線測量加速度和εd的變化，并判斷|an-an-1|＞5或|εn-εn-1|＞2后3分鐘自動跳轉到f2，重復執行以上步驟，直至f5完成。
最后，計算機通過時效前后加速度和動應力的變化，采用以下步驟判斷時效效果，并給出殘余應力消除率和工件應力水平的變化 31)計算機自動控制激振器以小電流，頻率從低到高的對工件進行振后掃描； 32)計算機記錄并計算加速度-頻率的對應關系即a*-f*，以及動應變-頻率的對應關系即δ*d-f*，同時測得靜態應變ε0； 33)根據an-an-1＞20，an＝1-an＜20確定振后共振頻率f1°…fn°； 34)與振前共振頻率f1，f2，f3，f4，f5對比，確定其對應的振后共振頻率f1°，f2°，f3°，f4°，f5°，并記錄其對應的動應變值； 35)計算機對前三到五個振型對應的加速度和動應變進行比較，計算 殘余應力消除率＝K1{∑05[(δd-δ *d)/δd]/5}， 式中K1為經驗系數； 殘余應力的變化量＝K0E{(∑05ε0)/5}， 式中K0為經驗系數，E為材料彈性摸量
權利要求
1.一種新型振動時效的方法，其特征是包括計算機、磁致伸縮激振器、多組加速度傳感器和多組動應變傳感器，所述磁致伸縮激振器加載在被時效工件表面施以周期性激振力，多組加速度傳感器和多組動應變傳感器分別設置在被時效工件容易產生裂紋和變形的部位上用于收集加速度和動應變信號，兩種信號通過各傳感器的測量電路送至數據采集電路，由數據采集電路采集數據后輸入控制計算機，計算機分析不同頻率和動應變間的對應關系并排序，選擇最大的前幾個動應變值所對應的頻率作為振型，再通過控制電路輸出控制信號調整磁致伸縮激振器的驅動電路的電流及工作時間，使磁致伸縮激振器以上述的頻率振動直至完成時效。
2.根據權利要求1所述的新型振動時效的方法，其特征是計算機進行分析并判斷振型的步驟為
11)控制磁致伸縮激振器以0.5A-1A電流，頻率從低到高的對工件進行振前掃描；
12)記錄并計算振前加速度-頻率的對應關系即a-f圖，以及動應變-頻率的對應關系即δd-f13)根據an-an-1＞20，an-1-an＜20確定振前共振頻率f1…fn；
14)根據比較，選取最大的前三到五個動應變值所對應的頻率確定時效振型f1，f2，f3，f4，f5。
3.根據權利要求2所述的新型振動時效的方法，其特征是確定磁致伸縮激振器的驅動電流和時效時間的步驟為
21)根據上述確定的振型頻率f1，f2，f3，f4，f5，首先在f1頻率下進行振動時效；
22)根據1/3 δ工＜δd＜2/3 δ工和材料，計算機計算出能達到時效效果的合適動應變εd0；
23)根據上述確定的動應變εd0調節電流，使εd≥εd0，并保持恒流I1進行時效；
24)在線測量加速度和εd的變化，并判斷|an-an-1|＞5或|εn-εn-1|＞2后3-5分鐘自動跳轉到f2，重復執行以上步驟，直至f5完成。
4.根據權利要求1、2或3所述的新型振動時效的方法，其特征是計算機通過對比振動前后加速度和動應力的變化，采用以下步驟判斷時效效果，并給出殘余應力消除率和工件應力水平的變化
31)計算機自動控制激振器以小電流，頻率從低到高的對工件進行振后掃描；
32)計算機記錄并計算加速度-頻率的對應關系即a*-f*，以及動應變-頻率的對應關系即δ*d-f*，同時測得靜態應變ε0；
33)根據an-an-1＞20，an＝1-an＜20確定振后共振頻率f1°…fn°；
34)與振前共振頻率f1，f2，f3，f4，f5對比，確定其對應的振后共振頻率f1°，f2°，f3°，f4°，f5°，并記錄其對應的動應變值；
35)計算機對前三到五個振型對應的加速度和動應變進行比較，計算
殘余應力消除率＝K1{∑05[(δd-δ*d)/δd]/5}，
式中K1為經驗系數；
殘余應力的變化量＝K0E{(∑05ε0)/5}，
式中K0為經驗系數，E為材料彈性摸量。
全文摘要
本發明公開了一種新型振動時效的方法，它包括計算機、磁致伸縮激振器、加速度及動應變傳感器，激振器加載在工件表面施以周期性激振力，兩種傳感器分別設置在工件易產生裂紋和變形的部位，計算機分析傳感器收集的不同頻率和動應變間的對應關系并排序，選擇最大的前幾個動應變值所對應的頻率作為振型，再調整激振器的工作電流及時間，使激振器以上述的頻率振動直至完成時效。本發明使用磁致伸縮激振器作為振源，激振力大小受計算機的控制，能即時響應振動變化來滿足動應力的要求，計算機控制振源在共振頻率下振動，并適時調節激振器輸出電流，分析和判斷振動時效的振型和振動時間，實時檢測動應力變化，給出準確的殘余應力變化量作為效果的判據。
文檔編號C21D10/00GK101225466SQ200810018780
公開日2008年7月23日 申請日期2008年1月24日 優先權日2008年1月24日
發明者郝俊山 申請人:郝俊山