CN112981293B

CN112981293B - 一种结构壁板的振动时效装置及成型振动时效方法

Info

Publication number: CN112981293B
Application number: CN202110513913.3A
Authority: CN
Inventors: 臧金鑫; 陈军洲; 戴圣龙; 伊琳娜
Original assignee: AECC Beijing Institute of Aeronautical Materials
Current assignee: AECC Beijing Institute of Aeronautical Materials
Priority date: 2021-05-12
Filing date: 2021-05-12
Publication date: 2021-08-06
Anticipated expiration: 2041-05-12
Also published as: CN112981293A

Abstract

本发明提供了一种结构壁板的振动时效装置及成型振动时效方法，结构壁板的振动时效装置，包括：工作平台、激振装置和加热器；结构壁板放置在工作平台上，激振装置与结构壁板传动连接，以驱动结构壁板振动，加热器能够与结构壁板连接，以对结构壁板进行加热。本发明具有能够在对结构壁板进行时效振动之前或同时对结构壁板进行加热，进而使振动时效所产生的动能绝大多数都可以被材料所吸收，降低残余应力效果得到了显著的提高的优点。

Description

一种结构壁板的振动时效装置及成型振动时效方法

技术领域

本发明涉及钣金制作技术领域，特别涉及一种结构壁板的振动时效装置及成型振动时效方法。

背景技术

振动时效（vibration stress relief，简称VSR）是一种通过对工件施加循环载荷，从而调整残余应力、稳定工件尺寸精度的时效方式，在不改变材料的组织状态下还可对工件进行多次时效处理。振动时效是继自然时效和人工时效之后出现的一种通过对对应力工件施以循环载荷，使工件内应力释放，从而使工件残余应力降低，尺寸稳定下来而达到时效的方法，其生产周期短、处理地点灵活、设备投资少、生产费用低、无环境污染，在国内外应用已相当普遍。

目前，现有的振动时效均是在室温状态下进行，难以起到最佳的应力叠加效果，残余应力峰值无法得到有效释放，存在消除残余应力的效果差的缺点。

发明内容

本发明的目的是提供一种结构壁板的振动时效装置及成型振动时效方法，能够使振动时效所产生的动能绝大多数都可以被材料所吸收，降低残余应力效果得到了显著的提高。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种结构壁板的振动时效装置，包括：工作平台、激振装置和加热器；所述结构壁板放置在所述工作平台上，所述激振装置与所述结构壁板传动连接，以驱动所述结构壁板振动，所述加热器能够与所述结构壁板连接，以对所述结构壁板进行加；在所述工作平台上设置有缓冲部件；所述工作平台通过所述缓冲部件承托所述结构壁板，以使所述环境部件能够对所述结构壁板的振动进行缓冲；所述结构壁板具有两个相互交叉的边沿，所述激振装置的数量为两个，两个所述激振装置分别传动连接所述结构壁板两个相互交叉的边沿上，以能够从两个方向驱动所述结构壁板振动。

较优地，在所述工作平台上设置有尺寸采集装置，用以采集所述结构壁板的尺寸信息。

较优地，在所述工作平台上设置有与所述结构壁板位置相对应的升降机构，所述尺寸采集装置设置在所述升降机构上，以使所述尺寸采集装置能够通过所述升降机构调整与所述结构壁板之间的距离。

较优地，在所述工作平台上设置有应力测试装置，所述应力测试装置能够对应所述结构壁板，以对所述结构壁板的残余应力进行测试。

较优地，还包括连接部件；所述工作平台具有在水平面内直线延伸的第一边沿，所述连接部件滑动连接在所述第一边沿上，所述应力测试装置与所述连接部件连接，以在所述连接部件的带动下在所述第一边沿移动。

较优地，还包括立柱和横梁；所述立柱竖直设置，所述应力测试装置连接在所述立柱上，所述立柱滑动连接在所述连接部件上，以带动所述应力测试装置在竖直方向运动；所述横梁水平设置，并沿垂直于所述第一边沿的延伸方向，所述横梁固定连接在所述立柱上，所述应力测试装置滑动连接在所述横梁上，以沿所述横梁的延伸方向移动。

一种结构壁板的振动时效方法，使用以上任意技术特征的结构壁板的振动时效装置，包括步骤：S200、通过激振装置向结构壁板施加激振力F,以驱动结构壁板振动；或者，在步骤S200之前包括：步骤S100、通过加热器结构壁板对结构壁板进行加热；F=(Q/G)ω2rsin(ωt)，式中：F为激振力；Q为偏心环重； G为重力加速度；ω为角速度；r为偏心距； t为时间。

较优地，在工作平台上设置有尺寸采集装置，用以采集结构壁板的尺寸信息。

步骤S200之后包括:步骤S300、通过尺寸采集装置测量结构壁板的大小。

较优地，在工作平台上设置有应力测试装置，应力测试装置能够对应结构壁板，以对结构壁板的残余应力进行测试；步骤S200之后包括:步骤S400、通过应力测试装置测量结构壁板的残余应力。

较优地，还包括连接部件、立柱和横梁；工作平台具有在水平面内直线延伸的第一边沿，连接部件滑动连接在第一边沿上，立柱竖直设置，并连接在连接部件上，横梁水平设置，并沿垂直于第一边沿的延伸方向，横梁固定连接在立柱上，应力测试装置滑动连接在横梁上，以沿横梁的延伸方向移动；在步骤S400中包括调整应力测试装置的位置，以对结构壁板的不同位置的残余应力进行测量。

本发明的结构壁板的振动时效装置通过采用，加热器能够与结构壁板连接，以对结构壁板进行加热的技术方案，能够在对结构壁板进行时效振动之前或同时对结构壁板进行加热，进而使振动时效所产生的动能绝大多数都可以被材料所吸收，降低残余应力效果得到了显著的提高。

附图说明

图1为实施例一中的结构壁板的振动时效装置的结构示意图。

图2为图1的主视图。

图3为图2的左视图。

图4为实施例二中的结构壁板的振动时效方法流程图。

图5为7075铝合金壁板在室温振动时效前后的长度方向残余应力对比图。

图6为7075铝合金壁板在室温振动时效前后的宽度方向残余应力对比图。

图7为7085铝合金壁板在热态振动时效前后的长度方向残余应力对比图。

图8为7085铝合金壁板在热态振动时效前后的宽度方向残余应力对比图。

图中：1-结构壁板；2-工作平台；21-缓冲部件；22-连接杆；23-弹性部件；24-支撑杆；3-激振装置；31-激振电机；32-电机支架；4-加热器；41-加热装夹装置；5-尺寸采集装置；51-升降装置；6-应力测试装置；61-连接部件；62-立柱；67-横梁；7-控制装置。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例对本发明的结构壁板的振动时效装置及成型振动时效方法进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例一

如图1、2、3所示，一种结构壁板的振动时效装置，包括：工作平台2、激振装置3和加热器4。结构壁板1放置在工作平台2上，激振装置3与结构壁板1传动连接，以驱动结构壁板1振动，加热器4能够与结构壁板1连接，以对结构壁板1进行加热。

在实际工作中工作平台2是水平设置的，此时结构壁板1也是水平设置在工作平台2上，其中结构壁板1可以是7000系铝合金壁板。激振装置3可以如图1所示包括激振电机31和电机支架32，并安装时，将电机支架32安装在将激装夹在激振电机31的定位孔上，然后采用紧固螺杆锁紧电机支架32，并将激振电机31放置在结构壁板1上，以实现通过激振电机31驱动结构壁板1振动。加热器4与结构壁板1之间的连接可如图1、2、3所示，通过加热装夹装置41夹持结构壁板1，将加热器4连接在加热装夹装置41上，加热器4释放的热量通过热传导传递给加热装夹装置41, 加热装夹装置41将接收到的热量传递给结构壁板1，以对其进行升温。可选地，如图1、2中所示，在工作平台上设置控制装置7，控制装置7包括PLC控制柜（图未示出）和工业微型计算机（图未示出），PLC控制柜分别与激振电机31和加热器4电连接，工业微型计算机与PLC控制柜电连接，激振电机31的工艺参数由PLC控制柜通过无线电进行传输和控制，振动时效工艺参数的传输与控制由工业微型计算机完成。加热器4信号输入和控制由PLC控制柜完成。在实际使用时可以分为室温振动时效和热态振动时效两种工作方式，室温振动时效工作方式中，加热器4不工作，即加热器4不对结构壁板1进行加热，直接由激振装置3驱动结构壁板1振动，此时激振装置3的振动时效作用时间范围可以为25min之内，并且振动时效的振型加速度选择范围为60m.s^-2。热态振动时效工作中，加热器4工作，即对结构壁板1进行加热后或者在对结构壁板1进行加热的同时，由激振装置3驱动结构壁板1振动，结构壁板1的加热保温温度范围为100℃，加热保温时间为45min，激振力F选择范围是0.45σ_p0.2，σ_p0.2为结构壁板1的T6态室温屈服强度。通过采用这样的技术方案，使本发明的结构壁板的振动时效装置能够实现室温振动时效和热态振动时效两种工作方式，增加热态振动时效处理工艺后，结构壁板1吸收热量后，材料强度上升，且此时材料为非过饱和固溶状态，吸能效果随之衰减，振动时效所产生的动能绝大多数都可以被材料所吸收，叠加振动时效动态激振力后，有助于消除材料内部的热拉、热压残余应力峰值，起到良好的降低残余应力效果。

进一步地，如图1、2、3所示，在工作平台2上设置有缓冲部件21，工作平台2通过缓冲部件21承托结构壁板1，以使环境部件能够对结构壁板1的振动进行缓冲。其中缓冲部件21的数量可以是多个，这样工作平台2可以通过多个缓冲部件21承托结构壁板1。这样可通过缓冲部件21吸收部分振动能量，保持结构壁板1的固有共振频率基本保持不变，因此激振频率可以选择为工件的一阶和二阶固有共振频率，激振能量高，振动时效处理效果更加明显，结构壁板1内部的残余应力消除效果更为显著。

具体地，如图2所示，缓冲部件21包括连接杆22、弹性部件23和支撑杆24，连接杆22竖直设置在工作平台2上，支撑杆24通过弹性部件23连接在连接杆21的顶端，缓冲部件21通过支撑杆24抵接在结构壁板1的下表面上，连接杆22和支撑杆24的材质可以为45号钢，工作平台2材质为ZT40，作调质处理；弹性部件23可以是压力弹簧。

优选地，如图1所示，结构壁板1具有两个相互交叉的边沿，激振装置3的数量为两个，两个激振装置3分别传动连接结构壁板1两个相互交叉的边沿上，以能够从两个方向驱动结构壁板1振动。具体工作中，结构壁板1的形状为矩形，此时两个激振装置3分别对应连接在结构壁板1相互垂直的两个侧边上，并且二者的连接位置与其所对应侧边中点距离不超过80mm。这样可同时在结构壁板1的长度、宽度方向施加激振能量，激振波在相遇时会发生相互干涉，能量相互叠加，残余应力消除和降低的效果会更加明显。

作为一种可实施方式，如图1、2所示，在工作平台2上设置有尺寸采集装置5，用以采集结构壁板1的尺寸信息。其中尺寸采集装置5可以是蓝光尺寸扫描仪，但并不仅限于此。进一步地如图中所示，在工作平台2上设置有与结构壁板1位置相对应的升降机构51，尺寸采集装置5设置在升降机构51上，以使尺寸采集装置5能够通过升降机构51调整与结构壁板1之间的距离。当室温振动时效、热态振动时效完成后，启动升降机构51，将尺寸采集装置5升降至合适的位置，开启尺寸采集装置5，对结构壁板1进行尺寸扫描，振动时效前后结构壁板1的尺寸变化云图尺寸采集装置5的数据处理器计算完成。当尺寸采集装置5是蓝光尺寸扫描仪时，蓝光扫描仪的单幅扫描范围可以为4000×3000，扫描速度可以为0.4s，采样点距可以为0.15mm，单幅测量精度可以为0.05mm。

作为一种可实施方式，如图1、2、3所示，在工作平台2上设置有应力测试装置6，应力测试装置6能够对应结构壁板1，以对结构壁板1的残余应力进行测试。其中应力测试装置6可以是XRD衍射应力测试仪，但并不仅限于此。

具体地，如图1、2、3所示，还包括连接部件61，工作平台2具有在水平面内直线延伸的第一边沿，连接部件61滑动连接在第一边沿上，应力测试装置6与连接部件61连接，以在连接部件61的带动下在第一边沿移动。较优地，还包括立柱62，立柱62竖直设置，应力测试装置6连接在立柱62上，立柱62滑动连接在连接部件61上，以带动应力测试装置6在竖直方向运动。更优地，还包括横梁63，横梁63水平设置，并沿垂直于第一边沿的延伸方向，横梁63固定连接在立柱62上，应力测试装置6滑动连接在横梁63上，以沿横梁63的延伸方向移动。在实际工作中，当结构壁板1的振动时效和尺寸烧苗完成后，在三个维度对应力测试装置6的位置进行调整，已通过应力测试装置6对结构壁板1上不同位置进行残余应力测试，当包括控制装置7时，应力测试装置6与控制装置7电连接，此时应力测试装置6的位置调整可以通过控制装置7控制完成，测试得到的残余应力数据由应力测试装置6的数据采集器计算完成。当应力测试装置6是XRD衍射应力测试仪时，XRD衍射应力测试仪测试精度范围为±10MPa，采用同倾法测量，辐射线为Cr-kα，波长范围为2.02A,X射线管电压范围为21kV,管电流范围为4mA，衍射晶面范围为140°，采用高斯函数法定峰，准直管直径为3.5mm，X射线弹性常数为7.82×10^-6，ψ取值范围为16。采用这样的技术方案，可在室温和热态振动时效完成后，可以实时将尺寸采集装置5采集的结构壁板1的尺寸和残余应力测试分析，制造周期短、生产成本低、测试精度高、生产效率高，振动时效处理设备集成化程度高，可显著提高结构壁板1的尺寸稳定性，为后续机械加工奠定工艺制备基础。

实施例二

一种结构壁板的振动时效方法，使用实施例一中所描述的结构壁板的振动时效装置，如图4所示，包括步骤：S100、通过加热器结构壁板对结构壁板进行加热；S200、通过激振装置向结构壁板施加激振力F,以驱动结构壁板振动。需要说明的时在进行室温振动时效时，不进行步骤S100操作，只需进行步骤S200操作即可。而在热态振动时效时，步骤S100可以在步骤S200之前进行，也可以是步骤S100和步骤S200同时进行。采用这样的方式，相对于现有技术，增加热态振动时效处理工艺，结构壁板1吸收热量后，材料强度上升，且此时材料为非过饱和固溶状态，吸能效果随之衰减，振动时效所产生的动能绝大多数都可以被材料所吸收，叠加振动时效动态激振力后，有助于消除材料内部的热拉、热压残余应力峰值，起到良好的降低残余应力效果。需要说明的是，当不包括步骤S100时，即工作状态为室温振动时效， F=(Q/G)ω2rsin(ωt)，式中：F为激振力；Q为偏心环重； G为重力加速度；ω为角速度；r为偏心距； t为时间。

作为一种可实施方式，在工作平台上设置有尺寸采集装置，用以采集结构壁板的尺寸信息。如图4所示，步骤S200之后包括:步骤S300、通过尺寸采集装置测量结构壁板的大小。以在对结构壁板进行振动时效过程中，实时对结构壁板的尺寸进行测量。具体地，在工作平台上设置有与结构壁板位置相对应的升降机构，尺寸采集装置设置在升降机构上，以使尺寸采集装置能够通过升降机构调整与结构壁板之间的距离。此时，步骤S300中包括通过升降机构调整尺寸采集装置的位置上，也就是调整尺寸采集装置和结构壁板之间的相对位置，进而保证对结构壁板尺寸测量的精确性。

作为一种可实施方式，在工作平台上设置有应力测试装置，应力测试装置能够对应结构壁板，以对结构壁板的残余应力进行测试。如图4所示，步骤S200之后包括:步骤S400、通过应力测试装置测量结构壁板的残余应力，以在对结构壁板进行振动时效之后，对结构壁板的残余应力进行测量。具体地，还包括连接部件、立柱和横梁，工作平台具有在水平面内直线延伸的第一边沿，连接部件滑动连接在第一边沿上，立柱竖直设置，并连接在连接部件上，横梁水平设置，并沿垂直于第一边沿的延伸方向，横梁固定连接在立柱上，应力测试装置滑动连接在横梁上，以沿横梁的延伸方向移动。在步骤S400中包括调整应力测试装置的位置，以对结构壁板的不同位置的残余应力进行测量。发明人分别对7075铝合金壁板和7085铝合金壁板进行的测试如下。

一、7075铝合金壁板

首先在7075铝合金壁板未进行时效处理时，对其的长度和宽度方向的残余应力进行测试，本次测试通过XRD衍射应力测试仪对残余应力进行测试，其中XRD衍射应力测试仪测试精度范围为±10MPa，采用同倾法测量，辐射线为Cr-kα，波长范围为2.02A,X射线管电压范围为21kV,管电流范围为4mA，衍射晶面范围为140°，采用高斯函数法定峰，准直管直径为3.5mm，X射线弹性常数为7.82×10-6，ψ取值范围为16。

然后通过对7075铝合金壁板进行室温时效处理，也就是不通过步骤S100,直接通过步骤S200对7075铝合金壁板进行时效处理，具体做法是步骤S200通过两个激振装置3，同时沿壁板的长度和宽度方向进行振动时效，两个激振装置3的振动时效作用时间为25min，并且振型加速度为60m.s^-2 。在步骤S400中还是通过XRD衍射应力测试仪对残余应力进行测试，其中XRD衍射应力测试仪测试精度范围为±10MPa，采用同倾法测量，辐射线为Cr-kα，波长范围为2.02A,X射线管电压范围为21kV,管电流范围为4mA，衍射晶面范围为140°，采用高斯函数法定峰，准直管直径为3.5mm，X射线弹性常数为7.82×10-6，ψ取值范围为16。经测试获得如图5所示的7075铝合金壁板在长度方向测试前和测试后的残余应力对比结果，以及如图6所示的7075铝合金壁板在宽度方向测试前和测试后的残余应力对比结果。

二、7085铝合金壁板

首先在7085铝合金壁板未进行时效处理时，对其的长度和宽度方向的残余应力进行测试，测试方式与7075铝合金壁板的测试方式相同。

然后对7085铝合金壁板进行热态振动时效时效处理，具体做法是通过步骤S100对7085铝合金壁板进行加热, 步骤S200通过两个激振装置3，同时沿壁板的长度和宽度方向进行振动时效，两个激振装置3的振动时效作用时间为25min，并且振型加速度为60m.s^-2 ，步骤S400中的测试方式与7075铝合金壁板的测试方式相同。经测试获得如图7所示的7085铝合金壁板在长度方向测试前和测试后的残余应力对比结果，以及如图8所示的7085铝合金壁板在宽度方向测试前和测试后的残余应力对比结果。

以上实施例使本发明具有能够在对结构壁板进行时效振动之前或同时对结构壁板进行加热，进而使振动时效所产生的动能绝大多数都可以被材料所吸收，降低残余应力效果得到了显著的提高的优点。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims

1.一种结构壁板的振动时效装置，其特征在于：

包括：工作平台(2)、激振装置(3)和加热器(4)；

所述结构壁板(1)放置在所述工作平台(2)上，所述激振装置(3)与所述结构壁板(1)传动连接，以驱动所述结构壁板(1)振动，所述加热器(4)能够与所述结构壁板(1)连接，以对所述结构壁板(1)进行加热；

在所述工作平台(2)上设置有缓冲部件(21)；

所述工作平台(2)通过所述缓冲部件(21)承托所述结构壁板(1)，以使环境部件能够对所述结构壁板(1)的振动进行缓冲；

所述结构壁板(1)具有两个相互交叉的边沿，所述激振装置(3)的数量为两个，两个所述激振装置(3)分别传动连接所述结构壁板(1)两个相互交叉的边沿上，以能够从两个方向驱动所述结构壁板(1)振动；

在所述工作平台(2)上设置有应力测试装置(6)，所述应力测试装置(6)能够对应所述结构壁板(1)，以对所述结构壁板(1)的残余应力进行测试。

2.根据权利要求1所述的结构壁板的振动时效装置，其特征在于：

在所述工作平台(2)上设置有尺寸采集装置(5)，用以采集所述结构壁板(1)的尺寸信息。

3.根据权利要求2所述的结构壁板的振动时效装置，其特征在于：

在所述工作平台(2)上设置有与所述结构壁板(1)位置相对应的升降机构(51)，所述尺寸采集装置(5)设置在所述升降机构(51)上，以使所述尺寸采集装置(5)能够通过所述升降机构(51)调整与所述结构壁板(1)之间的距离。

4.根据权利要求1所述的结构壁板的振动时效装置，其特征在于：

还包括连接部件(61)；

所述工作平台(2)具有在水平面内直线延伸的第一边沿，所述连接部件(61)滑动连接在所述第一边沿上，所述应力测试装置(6)与所述连接部件(61)连接，以在所述连接部件(61)的带动下在所述第一边沿移动。

5.根据权利要求4所述的结构壁板的振动时效装置，其特征在于：

还包括立柱(62)和横梁(63)；

所述立柱(62)竖直设置，所述应力测试装置(6)连接在所述立柱(62)上，所述立柱(62)滑动连接在所述连接部件(61)上，以带动所述应力测试装置(6)在竖直方向运动；

所述横梁(63)水平设置，并沿垂直于所述第一边沿的延伸方向，所述横梁(63)固定连接在所述立柱(62)上，所述应力测试装置(6)滑动连接在所述横梁(63)上，以沿所述横梁(63)的延伸方向移动。

6.一种结构壁板的振动时效方法，使用如权利要求1至5任意一项的结构壁板的振动时效装置，其特征在于：

包括步骤：

S200、通过激振装置向结构壁板施加激振力F,以驱动结构壁板振动；

或者，在步骤S200之前包括：步骤S100、通过加热器结构壁板对结构壁板进行加热；

F＝(Q/G)ω2rsin(ωt)，式中：F为激振力；Q为偏心环重；G为重力加速度；ω为角速度；r为偏心距；t为时间。

7.根据权利要求6的结构壁板的振动时效方法，其特征在于：

在工作平台上设置有尺寸采集装置，用以采集结构壁板的尺寸信息；

步骤S200之后包括:

步骤S300、通过尺寸采集装置测量结构壁板的大小。

8.根据权利要求6的结构壁板的振动时效方法，其特征在于：

在工作平台上设置有应力测试装置，应力测试装置能够对应结构壁板，以对结构壁板的残余应力进行测试；

步骤S200之后包括:

步骤S400、通过应力测试装置测量结构壁板的残余应力。

9.根据权利要求8的结构壁板的振动时效方法，其特征在于：

还包括连接部件、立柱和横梁；

工作平台具有在水平面内直线延伸的第一边沿，连接部件滑动连接在第一边沿上，立柱竖直设置，并连接在连接部件上，横梁水平设置，并沿垂直于第一边沿的延伸方向，横梁固定连接在立柱上，应力测试装置滑动连接在横梁上，以沿横梁的延伸方向移动；

在步骤S400中包括调整应力测试装置的位置，以对结构壁板的不同位置的残余应力进行测量。