CN103464536A - 一种弹性变形条件下的振动时效成形方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种弹性变形条件下的振动时效成形方法及装置。本发明通过模具的作用使金属平板料产生弯曲变形，并且变形量在弹性范围内，卸下模具后金属板料能够恢复原样，这样通过模具的作用给板料加载了一个弯曲预应力，连接振动时效装置，通过激振器产生周期性激振力，在其作用下，使板料达到共振状态，利用共振消除和均化板料内部弯曲预应力，通过这种弯曲预应力的释放过程，使金属板料产生一定塑性变形，得到与模具曲率半径相当的弯曲零件。本发明克服了钣金件成形过程中模具制造成本高，回弹难以控制的不足，并且减小振动时效时零件表面摩擦损伤及振动能量损失，提高成形工件表面质量，缩短了生产周期，降低了生产成本。

Description

一种弹性变形条件下的振动时效成形方法及装置

技术领域

本发明涉及时效成形加工技术领域，具体是一种弹性变形条件下的振动时效成形方法及装置。 

背景技术

近年来，国内使用振动时效方法与相应设备越越来越多，同时能够环保、节能、高效的处理工件应力问题，强势的突出了其有点与未来的发展前景，让更多的工业厂家与企业针对性的使用振动时效设备，提高工作效率与效益。随着振动时效的应用广泛，工艺上也取得了不小的发展。振动时效是指夹持在工件上的激振器产生周期性激振力，在其作用下，使构件达到共振状态，松弛工件的内应力，保持工件尺寸稳定的方法。振动消除应力实际上就是用周期的动应力与工件内应力叠加，使构件局部产生塑性变形而释放应力。 

中国专利CN102551096A（一种钣金零件振动时效方法和振动时效装置）将加工成型的钣金零件连同模胎一起固定在振动时效台上，将激振器与振动时效台钢性固定，用控制***启动激振器使振动时效台以及与其固定连接的模胎和钣金零件同时振动，以消除及均化饭金零件的内部应力，但是，该方法有如下缺点，首先，直接将钣金件用绷带捆绑在模胎上，由于钣金件与模胎固有频率不同，会引起不同的振动响应，造成接触表面的摩擦，影响工件表面质量，另外，激振器的振动能量通过振动时效台传递给与其刚性固定的模胎，最后传递给与模胎固连的钣金零件，这种大范围的传递会造成振动能量的大量损失，不利于节能环保。振动时效是在材料的弹性状态下进行的，然而目前研究主要集中在已成型的工件的残余应力处理上，利用共振消除和均化金属构件内部残余应力，起到增强构件抗变能力、稳定尺寸精度。 

英国学者沃德尔和沃克在振动时止可有效防止焊接裂纹的形成和工件的畸变，提高构件的疲劳寿命,增强焊缝的力学效技术的基础上研究焊接之前先将被焊部件进行振动，且边振动边焊接，直到焊完为性能，还可以省去焊后消应力处理，缩短了生产周期，降低了生产成本，该研究说明振动时效方法不仅仅应用到发生塑性变形后零件消除残余应力残余应力的处理上，也可以应用到塑性变形前预应力的处理上。 

发明内容

为克服现有技术中存在的在钣金件成形过程中模具制造成本高，回弹难以控制的不足，本发明提出了一种弹性变形条件下的振动时效成形方法及装置。 

本发明所述弹性变形条件下的振动时效成形方法的具体步骤是： 

第一步，安装待成形工件的板料。 

第二步，确定工件的共振频率。激振器进行扫频,扫频频率为0-400Hz、扫频功率为400W，扫频时间为6min。记录工件的振幅频率(A-f)曲线，得到扫频曲线。若得到的扫频曲线有一个振幅峰，形成一阶共振峰，则以该一阶共振峰对应的频率作为工件的共振频率。若得到的扫频曲线有多个振幅峰，则以多个振幅峰中频率最低的峰作为一阶共振峰，以该一阶共振峰对应的频率作为工件的共振频率，后续振幅峰对应的频率作为高次谐振频率。 

第三步，振动成形。振动成形中，调整激振器的工作频率与工件的共振频率一致，设定振动时效时间为30min。调节激振器的偏心距，使工件的弯曲成形中应力最集中部位的动应力峰值介于该部位工件预应力值的1/3～2/3之间进行振动时效。激振器的输出功率为该激振器额定功率的80%。 

第四步，振动时效结束后，测量工件的弯曲半径，若工件的弯曲半径满足设计要求，完成对工件的弯曲成形。若超出误差范围，重新装夹工件，重复步骤3进行补振，直至工件的曲率半径满足设计要求。 

所述补振中，若得到的扫频曲线有一个振幅峰，则以步骤2得到的工件共振频率附近取频率值作为激振器工作频率进行补振；若得到的扫频曲线有多个振幅峰，以步骤2得到的工件的高次谐振频率作为激振器工作频率进行补振。 

本发明所述的弹性变形条件下的振动时效成形装置，包括上模具、下模具、激振器、夹具、激振器底座、传感器和控制器。激振器位于工件的一端，通过激振器底座安装在工件的上表面。激振器底座的上表面与激振器的底板配合；通过夹具将激振器、激振器底座与下模具固紧。下模具的上表面为成形工件所需的弧面。上模具有多个，均为条形。所述上模具的下表面为成形工件所需的凹面。使用时，将工件安放在下模具的上表面；将上模具从位于工件一端的激振器内侧至工件的另一端之间均布，并且相邻两个上模具侧表面之间的间距为150～250mm。传感器安放在工件另一端的上表面；并通过数据线与控制器连通。激振器和传感器均与控制器连通。 

在安放工件时，在工件与下模具上表面之间安放有第二橡胶垫，在工件与上模具 之间亦安放有第一橡胶垫。 

在所述下模具安装激振器一端的端面有卡装夹具的矩形槽。 

本发明通过设计一种简易的成形装置来实现在弹性变形条件下的振动时效成形，具体成形方法是：通过模具的作用使金属平板料产生弯曲变形，并且变形量在弹性范围内，卸下模具后金属板料能够恢复原样，这样通过模具的作用给板料加载了一个弯曲预应力，连接振动时效装置，通过激振器产生周期性激振力，在其作用下，使板料达到共振状态，利用共振消除和均化板料内部弯曲预应力，通过这种弯曲预应力的释放过程，使金属板料产生一定塑性变形，得到与模具曲率半径相当的弯曲零件。 

本发明中的试验装置，主要由控制器、激振器、传感器、橡胶垫、夹具、电缆线、电源线和模具等构成，在装置装配时，先将橡胶垫、金属板料、上模具安装在下模具上，接着用夹具将激振器安装在凹模上，然后通过电缆线和电源线将激振器和测振器以及电源接通。 

本发明借鉴常规的在发生塑性变形条件下消除残余应力的振动时效成形原理，充分利用振动时效设备简单，易于搬动，不受构件大小和材料的限制，高效节能、无污染、设备投资少、操作简单等特点，成形时间由热时效的20h缩短为40min以内。同时采用橡胶垫将上、下模具与待成形板料隔开，可以防止板料表面的摩擦损伤，成形工件表面质量好，避免激振器的振动能量传递给上、下模具，造成振动能量的大量损失，有利于节能环保。另外，通过模具的作用使板料产生预弯变形，接着振动消除和均化板料内部弯曲预应力，省去了零件常规成形中所伴随的回弹等缺陷的繁琐控制过程及常规成形后残余应力的处理，缩短了生产周期，降低了生产成本。 

本发明克服了钣金件成形过程中模具制造成本高，回弹难以控制的不足，并且减小振动时效时零件表面摩擦损伤及振动能量损失，提高成形工件表面质量。 

附图说明

下面结合附图对本发明做进一步的说明。 

图1是本发明装置的结构示意图。 

图2是本发明装置的俯视图。 

图3是本发明装置中上、下模具与橡胶垫和板料连接结构的剖视图。 

图4是本发明装置中去除上模具及第一橡胶垫后的侧视图。 

图5是本发明装置中下模具结构示意图。 

图6是本发明装置中上模具结构示意图。其中： 

1.第一橡胶垫、2.上模具、3.工件、4.下模具、5.激振器、6.夹具、7.激振器底座、8.传感器、9.控制器、10.第二橡胶垫。 

具体实施方式

实施例一 

本实施例是一种在弹性变形条件下的振动时效成形的方法，具体步骤是： 

第一步，安装待成形工件的板料。将装待成形工件的板料和橡胶垫安装在上模具与下模具之间，并使第一橡胶垫的上表面与上模具的下表面贴合，第二橡胶垫的下表面与下模具的上表面贴合，同时使待成形工件的板料上表面与第一橡胶垫的下表面贴合，待成形工件的板料下表面与第二橡胶垫的上表面贴合。用常规的“C”形夹将激振器固定在板料上。通过电缆线和电源线将激振器和传感器以及电源接通。其中激振器选择ZS1000K1型，该激振器的额定激振力为10KN，额定功率为0.6KW，额定转速为10000r/min。 

第二步，确定工件的共振频率。首先激振器进行扫频,扫频频率为0-400Hz、扫频功率为400W，扫频时间为6min。扫频中，激振器频率逐渐线性增大。随着扫频频率的逐渐增大，工件振幅发生变化。记录工件的振幅频率(A-f)曲线，得到扫频曲线。若得到的扫频曲线有一个振幅峰，形成一阶共振峰，则以该一阶共振峰对应的频率作为工件的共振频率。若得到的扫频曲线有多个振幅峰，则以多个振幅峰中频率最低的峰作为一阶共振峰，以该一阶共振峰对应的频率作为工件的共振频率，后续振幅峰对应的频率作为高次谐振频率。 

第三步，振动成形。振动成形中，调整激振器的工作频率与工件的共振频率一致，设定振动时效时间为30min。调节激振器的偏心距，使工件的弯曲成形中应力最集中部位的动应力峰值介于该部位工件预应力值的1/3～2/3之间进行振动时效。激振器的输出功率为该激振器额定功率的80%，本实施例中，激振器的输出功率为400W。 

第四步，测量成形效果。振动时效结束后，关闭电源，拆卸模具，取下工件，测量弯曲半径，与预期值进行对比。若工件的弯曲半径满足设计要求，完成对工件的弯曲成形。若超出误差范围，重新装夹工件，重复步骤3进行补振，直至工件的曲率半径满足设计要求。补振中，若得到的扫频曲线有一个振幅峰，则以步骤2得到的工件共振频率附近取频率值作为激振器工作频率进行补振，若得到的扫频曲线有多个振幅 峰，以步骤2得到的工件的高次谐振频率作为激振器工作频率进行补振，直至工件的弯曲半径满足设计要求。 

实施例二 

本实施例是一种用于实现实施例1所述在弹性变形条件下的振动时效成形方法的单曲率工件的成形装置。所成形工件的长度为1000mm，宽度为400mm，弯曲半径为1500mm。所成形工件为铝合金板。 

所述单曲率铝合金工件的成形装置包括成形装置的第一橡胶垫1、上模具2、下模具4、激振器5、夹具6、激振器底座7、传感器8、控制器9和第二橡胶垫10。 

激振器5位于工件的一端，通过激振器底座7安装在工件3的上表面。激振器底座7的上表面与激振器的底板配合，通过夹具6将激振器5、激振器底座7与下模具4固紧。所述激振器底座7的下表面为与下模具4上表面相适应的弧面。激振器5的控制线与控制器9连通。 

下模具4的上表面为成形工件所需的弧面。在所述下模具4安装激振器5一端的端面有卡装夹具6的矩形槽。上模具2有三个，均为条形。所述上模具2的下表面为成形工件所需的凹面。使用时，将工件安放在下模具4的上表面；将上模具2从位于工件一端的激振器5内侧至工件的另一端之间均布并固紧。相邻两个上模具侧表面之间的间距为150～250mm，本实施例中，相邻两个上模具侧表面之间的间距为180mm。 

传感器8安放在工件另一端的上表面，并通过数据线与控制器9连通。 

在安放工件3时，在工件3与下模具4上表面之间安放有第二橡胶垫10，在工件3与上模具2之间亦安放有第一橡胶垫1。 

夹具6将激振器5紧固到铝合金板料3的上表面，夹具6的下端位于下模具4端面的的矩形槽内，上端位于激振器5的底部上表面上方，夹具6上端螺栓底部端面与激振器5的底部上表面贴合。第二橡胶垫10的下表面与下模具4的上表面贴合，同时铝合金板料3的下表面与第二橡胶垫10的上表面贴合，铝合金板料3的上表面与第一橡胶垫的下表面贴合，第一橡胶垫1的上表面与上模具2的下表面贴合。传感器8安装在所述铝合金板料3的上表面，位于远离激振器5的一端。外凸型下模具4两侧平面处有螺纹孔与上模具2连接。 

所述下模具4为本实施例的载体，下模具4呈外凸型，其尺寸根据所需成形工件 外形尺寸以及各个部件的装配位置和装置刚度的要求确定，材料为45钢，起安放其他部件和与上模具配合来使板料发生弹性弯曲变形的作用。在下模具4安装夹具6处，开有300mm×40mm×60mm的矩形槽以保证夹具6的顺利安装与拆卸。在下模具4两侧平面处有上模具2的安装孔。 

所述激振器5选择ZS1000K1型，其参数如下，额定激振力为10KN，额定功率为0.6KW，额定转速为10000r/min，额定输人电流1.5A，静力常数0.5kg/A，动圈直流电阻约6Ω，最大位移2mm，线圈可动部分质量40g±10％，外型尺寸Φ75×150mm，重量约3.5kg。 

所述上模具2呈内凹型，底部具有圆弧形内凹槽，内凹圆弧面曲率与铝合金工件的外凸圆弧面曲率一致，上模具2的尺寸由下模具外形尺寸及装置刚度的要求确定，材料为45钢，与下模配合来使板料发生弹性弯曲变形的作用，两端开有圆孔用来安装螺栓与下模具4配合。 

所述的激振器底座7呈内凹型，其尺寸由所需成形工件和激振器的外形尺寸及成形装置刚度的要求确定，材料为45钢，起安放激振器的作用的作用，激振器底座7的内凹圆弧面曲率与铝合金工件的外凸圆弧面曲率一致，保证两者充分接触，使用过程中为保证效果与激振器5的底部通过焊接的方式进行连接。 

所述第一橡胶垫1和第二橡胶垫10均为矩形块状，由于激振器5安装在所述铝合金板料3的上表面，激振器底座7的内凹圆弧面与铝合金工件的外凸圆弧面贴合，需要留出安装空间，第一橡胶垫1的尺寸小于第二橡胶垫10的尺寸，可以防止铝合金工件直接与上、下模具接触引起的接触表面的摩擦，影响工件表面质量，另外，避免激振器的振动能量传递给上、下模具，造成振动能量的大量损失，有利于节能环保。 

所述夹具6呈“C”型，将激振器5紧固到铝合金板料3的上表面，夹具6的下端位于下模具4端面的的矩形槽内，上端位于激振器5的底部上表面上方，夹具6上端螺栓底部端面与激振器5的底部上表面贴合。 

Claims (5)

1.一种弹性变形条件下的振动时效成形方法，其特征在于，具体步骤是：

第一步，安装待成形工件的板料；

第二步，确定工件的共振频率；激振器进行扫频,扫频频率为0-400Hz、扫频功率为400W，扫频时间为6min；记录工件的振幅频率(A-f)曲线，得到扫频曲线；若得到的扫频曲线有一个振幅峰，形成一阶共振峰，则以该一阶共振峰对应的频率作为工件的共振频率；若得到的扫频曲线有多个振幅峰，则以多个振幅峰中频率最低的峰作为一阶共振峰，以该一阶共振峰对应的频率作为工件的共振频率，后续振幅峰对应的频率作为高次谐振频率；

第三步，振动成形；振动成形中，调整激振器的工作频率与工件的共振频率一致，设定振动时效时间为30min；调节激振器的偏心距，使工件的弯曲成形中应力最集中部位的动应力峰值介于该部位工件预应力值的1/3～2/3之间进行振动时效；激振器的输出功率为该激振器额定功率的80%；第四步，振动时效结束后，测量工件的弯曲半径，若工件的弯曲半径满足设计要求，完成对工件的弯曲成形；若超出误差范围，重新装夹工件，重复步骤3进行补振，直至工件的曲率半径满足设计要求。

2.如权利要求1所述弹性变形条件下的振动时效成形方法，其特征在于，补振中，若得到的扫频曲线有一个振幅峰，则以步骤2得到的工件共振频率附近取频率值作为激振器工作频率进行补振；若得到的扫频曲线有多个振幅峰，以步骤2得到的工件的高次谐振频率作为激振器工作频率进行补振。

3.一种用于实现权利要求1所述弹性变形条件下的振动时效成形方法的装置，其特征在于，包括上模具、下模具、激振器、夹具、激振器底座、传感器和控制器；激振器位于工件的一端，通过激振器底座安装在工件的上表面；激振器底座的上表面与激振器的底板配合；通过夹具将激振器、激振器底座与下模具固紧；下模具的上表面为成形工件所需的弧面；上模具有多个，均为条形；所述上模具的下表面为成形工件所需的凹面；使用时，将工件安放在下模具的上表面；将上模具从位于工件一端的激振器内侧至工件的另一端之间均布，并且相邻两个上模具侧表面之间的间距为150～250mm；传感器安放在工件另一端的上表面；并通过数据线与控制器连通；激振器和传感器均与控制器连通。

4.如权利要求3所述一种弹性变形条件下的振动时效成形装置，其特征在于，在安放工件时，在工件与下模具上表面之间安放有第二橡胶垫，在工件与上模具之间亦安放有第一橡胶垫。

5.如权利要求3所述一种弹性变形条件下的振动时效成形装置，其特征在于，在所述下模具安装激振器一端的端面有卡装夹具的矩形槽。

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