一种针对大型环轧零件局部残余应力均化的热振复合装置的制造方法
【专利摘要】本发明涉及一种针对大型环轧薄壁零件残余应力均化的局部热振复合的装置，应用于航天领域，以提高零件的可靠性和可回收性，从而减少成本。该装置包括轨道、运载小车、液压机构部分、热振组件、激振结构部分以及各连接件组成。其中的激振结构部分为自制装置，采用的是伺服电机与一个正弦机构的配合。它是通过运载小车带动装置绕大型环轧薄壁零件运动，由顶部的伺服电机带动正弦机构对大型环轧薄壁零件进行激振，由感应线圈对大型环轧薄壁零件进行加热，从而达到热振复合的效果。此外若是针对局部加热效果不好的情况，可采用去除激振结构部分的装置，实现多个装置对大型环轧薄壁零件进行整体的加热。也可以单独进行局部的加热或者激振。本设计拆卸方便，空间占用小，对于航天领域处理大型环轧薄壁零件残余应力有着良好的应用前景。
【专利说明】
一种针对大型环轧零件局部残余应力均化的热振复合装置
技术领域
[0001]本设计是一种残余应力均化装置，主要用于航天领域大型环乳薄壁零件的残余应力均化。通过调整激振力和加热温度，采用热振复合的方式对零件进行局部的加热和振动， 从而达到均化残余应力的目的。【背景技术】
[0002]在各种机械的加工过程中几乎不可避免的都会产生残余应力，而这对于零件的加工或使用或多或少都有所影响，具体体现在其静强度、疲劳强度、脆性破坏、应力腐蚀开裂等，这些其中任意一点都有可能造成巨大的损失。因此对残余应力的正确的处理就显得至关重要，而热处理和振动是目前使用最广泛的两种方法，但也存在着各自的优缺点，热处理能够极大限度的去除残余应力，但对于材料的结构和精度却难以保证;而振动处理可以克服热处理的缺点，但其降低应力的幅度又非常的有限。
[0003]在航天领域，随着各种加工技术的飞速发展，为了减轻整体结构的重量，近年来各种大型的整体零件纷纷现世，但体积的庞大也导致了其后处理非常的困难，作为承担重要航天任务的器件，其作用和成本巨大，而残余应力的处理就成了其降本保质的一个重要环节。若是采用单独的处理方式，除了上述缺点外，还面临着成本高，占地面积大等问题。因此针对这些问题，本设计提供了一种将加热和振动结合起来对零件进行局部处理的方法，以求达到比较好而方便的处理方式。具体实现即是在零件某一处开始，将此局部范围加热至合适温度并保持，并且给予一定的激振力，持续一定时间后，移至另一处，如此反复，直至处理完成。
【发明内容】
[0004]目的:基于上述背景，本设计提供一种针对大型环乳薄壁零件局部残余应力均化的装置。以成本较低，占用空间较小的优点，克服对此类零件残余应力处理困难的问题，达到一个对残余应力均化较好的效果。其中零件尺寸为外径9-10m，厚度20cm，高度20cm的大型环乳薄壁零件。
[0005]技术方案:设计了一种针对大型环乳薄壁零件局部残余应力均化的热振复合的装置，它主要是由轨道、运载小车、液压机构部分、热振组件、激振结构部分以及各连接件组成。
[0006]具体的装配关系是:先将轨道拼接完毕，运载小车将在轨道上运行;液压机构安装在小车与热振组件上，控制热振组件的翻折及整体的上下、左右移动；热振组件分三部分， 分别用螺栓连接;支撑轮安装在热振组件顶部部分的底部两端；隔振装置安装在热振组件顶部部分，正弦机构穿过顶部热振组件的方孔并通过联轴器与电机连接，将伺服电机安装在隔振装置上;伺服电机驱动器与电机连接;感应线圈分布在两边的热振组件中，每边安装 3个线圈；线圈与供电装置连接。具体实物参考附图1。
[0007]所述轨道为环状，材料为普通碳钢，内外直径分别为8400mm、9254mm，主要功能为引导运动轨迹以及工作前对整个装置的支撑；[00〇8] 所述小车长、宽、高分别为400mm*245mm*170mm，材料为普通碳钢，主要功能为提供运动以及热振组件的左右移动，车侧面安装有一挂钩用于在装置未与零件接触时与轨道接触以保持整个装置的平衡；[00〇9] 所述液压机构材料为20号钢管，有:内外径为50mm、42mm，长度130mm，个数为2,各承受压力为〇.〇5MPa，主要功能为支撑整个热振组件，提供热振组件的上下调节；内外径为 38mm、32mm，长度170mm，承受压力0.15MPa，个数为1，主要功能为提供热振组件翻折的动力， 支撑热振组件；内外径为30mm、24mm，长度170mm，个数为1，主要功能为提供热振组件翻折的动力，支撑热振组件；
[0010]所述热振组件分三部分，材料选用为Q235A钢，两边为长方体，尺寸为300mm* 360mm*70mm，其上布置有液压机构的连接部分，厚度方向均有三个圆孔，其中一边有支座， 主要功能为放置感应线圈以及与小车连接;顶部组件为长方体，尺寸为440mm*360mm*80mm， 主要功能为安装隔振弹簧、激振结构部分和液压机构部分；
[0011]所述支撑轮材料为碳钢，外部包裹橡胶，直径为30mm，厚度为15mm，共4个，安装时2 个一组安装在一条直线上，主要功能为在工作时起到支撑装置的作用，防止装置侧翻；[〇〇12] 所述隔振弹簧，个数为4，圈数为4，钢丝直径5mm，弹簧直径20mm，材料为65号锰钢， 主要功能为减小激振力的反作用力带给装置的振动，使装置处于稳定的状态；[〇〇13]所述正弦机构由摇杆和滑动杆组成，摇杆长度40mm，材料选用为碳钢;滑动杆呈T 形，材料选用为碳钢，顶部开有方槽，底部开有螺纹孔可与通过连接杆与提供激振接触位置的装置连接，滑动范围为0_40mm，主要功能为提供激振频率，提供激振力；激振频率为0-50Hz，激振力最大为500N;[〇〇14]所述伺服电机型号为90STM02430,主要功能是为激振器提供动力；[〇〇15] 所述感应线圈长度为350mm，直径为48mm，匝数为15圈，材料为铜，主要功能是对零件进行感应加热，加热温度维持在150-200 °C。
[0016]工作原理:振动时效消除应力的原理是给时效处理的工件施加一个与其固有频率相一致的周期激振力，使其产生共振，从而使工件获得一定的振动能量，使工件内部产生微观的塑性变形，从而使造成残余应力的歪曲晶格被渐渐地恢复平衡状态，晶粒内部的位错逐渐滑移并重新缠绕钉扎，使得残余应力得以消除和化。热处理是使物体在温度场的影响下改变材料的微观性能和可逆的屈服强度，使材料达到减小残余应力、均匀组织等目的。通过借鉴张以都老师等人申请的专利《一种热振复合时效残余应力均化装置》得知，二者的结合比单独使用有着更好的效果，由此将其改为局部热振的方式运用在这种大型零件上。感应加热是利用电磁感应定律，在线圈中通过所需频率的交流电，使其产生的磁场在零件上产生同频率的感应电流，使得零件的温度达到所要的值。本装置的激振力通过自制的激振结构产生，可产生最大500N的力；本装置加热由感应线圈完成，可通过温度传感器以及调节电流频率将温度控制在200 °C左右。
[0017]优点及功效:本设计是一种热振复合的时效残余应力均化装置，针对大型环乳薄壁零件可以实现局部应力均化，通过同时施加激振和温度，达到更好的应力均化效果。此装置占用空间小，成本较低，结构简单，有较实用的使用价值，达到所需要求，同时也可以单独进行局部的加热或者振动。【附图说明】[0〇18]图1为本设计结构不意图:
[0019]图2为激振结构示意图；
[0020]图3为温度调节流程框图；[0021 ]图中符号说明如下:1为轨道;2为平衡挂钩;3为运载小车;4为液压缸1; 5为液压缸 2;6为电机座;7为隔振弹簧;8为伺服电机;9为联轴器;10为正弦机构摇杆;11为正弦机构滑动杆;12为液压缸3; 13为热振组件；14为感应线圈；15为支撑轮;16为连接杆;17为激振辅助平板;18为目标大型环乳薄壁零件;19为目标大型环乳薄壁零件支撑结构。【具体实施方式】
[0022]下面详细描述本发明的实施例，所述实施例附图中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
[0023]在本发明的描述中，术语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
[0024]如图1及图2所示，一种针对大型环乳零件局部残余应力均化的热振复合装置主要是由轨道1、运载小车3、液压机构部分、热振组件13、激振结构部分以及各连接件组成。液压机构部分包括液压缸4、液压缸5、液压缸12;激振结构部分包括电机座6、隔振弹簧7、伺服电机8、联轴器9、正弦机构摇杆10、正弦机构滑动杆11、感应线圈14、连接杆16、激振辅助平板 17以及各连接件。装置整体由运载小车3带动工作。[〇〇25] 如图1所示，该装置的外形为拱门状，尺寸为440mm*360mm*300mm，厚度为两边 70_，顶部 80_。[〇〇26]本装置的具体工况是:
[0027](1)开始时热振组件13依靠液压系统作用处于竖直拉伸的状态，运载小车3的平衡挂钩2放下勾住轨道1以保持装置的平衡；
[0028](2)待目标大型环乳薄壁零件18安放完成，依然依靠液压缸4、液压缸5、液压缸12 使热振组件13翻折将目标大型环乳薄壁零件18包围；[〇〇29](3)此时激振与加热同时进行，通过调节激振力至500N，通过温度传感器的作用对零件温度进行反馈，调节频率使零件加热部分温度在20(TC左右；
[0030](4)持续一段时间后，激振停止，运载小车3移动到下一个激振点，激振开始，继续进行热振复合，如此反复，直至完成整个零件的热振处理，从而实现整个零件的残余应力均化。
[0031]以上对本发明所提出的一种针对大型环乳零件局部残余应力均化的热振复合装置进行了详细的介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
【主权项】
1.一种针对大型环乳零件局部残余应力均化的热振复合装置，其特征在于:它主要是 由轨道1、运载小车3、液压机构部分、热振组件13、激振结构部分以及各连接件组成。液压机 构部分包括液压缸4、液压缸5、液压缸12;激振结构部分包括电机座6、隔振弹簧7、伺服电机 8、联轴器9、正弦机构摇杆10、正弦机构滑动杆11、感应线圈14、连接杆16、激振辅助平板17 以及各连接件。2.如权利要求1所述的一种针对大型环乳零件局部残余应力均化的热振复合装置，其 特征在于:该装置的外形为拱门状，尺寸为440mm*360mm*300mm，厚度为两边70mm，顶部 80mm，由运载小车3带动工作。3.如权利要求1所述的一种针对大型环乳零件局部残余应力均化的热振复合装置，其 特征在于:轨道1为环状，内外直径分别为8400mm、9254mm，主要功能为引导运动轨迹以及工 作前对整个装置的支撑;运载小车3主要功能为提供运动以及热振组件13的左右移动，车侧 面安装有一平衡挂钩2用于在装置未与零件接触时与轨道1接触以保持整个装置的平衡。4.如权利要求1所述的一种针对大型环乳零件局部残余应力均化的热振复合装置，其 特征在于:液压机构4内外径为50mm、42mm，长度130mm，个数为2，各承受压力为0.05MPa，主 要功能为支撑整个热振组件13,提供热振组件13的上下调节；液压机构5内外径为38mm、 32mm，长度170mm，承受压力0.15MPa，主要功能为提供热振组件13翻折的动力，支撑热振组 件13 ;液压机构12内外径为30mm、24mm，长度170mm，主要功能为提供热振组件13翻折的动 力，支撑热振组件13。5.如权利要求1所述的一种针对大型环乳零件局部残余应力均化的热振复合装置，其 特征在于:热振组件13分三部分，两边为长方体，尺寸为300mm*360mm*70mm，其上布置有液 压机构4、5、12的连接部分，厚度方向均有三个圆孔，其中一边有支座，主要功能为放置感应 线圈14以及与小车3连接;顶部组件为长方体，尺寸为440mm*360mm*80mm，主要功能为安装 隔振装置与激振装置，安装液压机构。6.如权利要求1所述的一种针对大型环乳零件局部残余应力均化的热振复合装置，其 特征在于:支撑轮15直径为30mm，厚度为15mm，共4个，安装时2个一组安装在一条直线上，主 要功能为在工作是起到支撑装置的作用，防止装置侧翻。7.如权利要求1所述的一种针对大型环乳零件局部残余应力均化的热振复合装置，其 特征在于:隔振弹簧7，个数为4，圈数为4，钢丝直径5mm，弹簧直径20mm，主要功能为减小激 振力的反作用力带给装置的振动，使装置处于稳定的状态。8.如权利要求1所述的一种针对大型环乳零件局部残余应力均化的热振复合装置，其 特征在于:正弦机构由摇杆11和滑动杆10组成，摇杆11长度40mm，材料选用为碳钢;滑动杆 10呈T形，顶部开有方槽，底部开有螺纹孔可与通过连接杆16与提供激振接触位置的装置17 连接，滑动范围为0_40mm，主要功能为提供激振频率，提供激振力;激振频率为0-50Hz，激振 力最大为500N。9.如权利要求1所述的一种针对大型环乳零件局部残余应力均化的热振复合装置，其 特征在于:伺服电机8型号为.90STM02430，主要功能是为激振结构部分提供动力;感应线圈 14匝数为15圈，主要功能是对零件进行感应加热，加热温度维持在.150-200°C。10.如权利要求1所述的一种针对大型环乳零件局部残余应力均化的热振复合装置，其 特征在于:具体的装配关系是先将轨道1拼接完毕，运载小车3将在轨道1上运行;液压机构.4、5、12安装在小车3与热振组件13上，控制热振组件13的翻折及整体的上下、左右移动；热 振组件13分三部分，分别用螺栓连接;支撑轮15安装在热振组件13顶部部分的底部两端;隔 振装置6安装在热振组件13顶部部分，正弦机构10、11穿过顶部热振组件.13的方孔并通过联 轴器9与电机8连接，将伺服电机8通过电机座7安装在隔振弹簧6上;伺服电机驱动器与伺服 电机8连接;感应线圈14分布在两边的热振组件13中，每边安装3个线圈；线圈14与供电装置 连接。
【文档编号】C21D9/50GK105950856SQ201610479358
【公开日】2016年9月21日
【申请日】2016年6月27日
【发明人】吴琼, 司宇, 张以都, 李磊
【申请人】北京航空航天大学