一种热振-喷丸一体化复合工艺应力调控装置的制作方法

本发明涉及一种热振-喷丸一体化复合工艺应力调控装置，属于机械制造工艺领域。

背景技术：

随着新一代航空航天产品的发展，对各种结构件减重需求提高，对零件的性能要求越来越高。其部分关键件在高温和振动条件下服役，因此在零件制造过程中需要进行必要的应力调控。航空航天零件制造过程中需要进行大量材料去除，受到零件内部初始残余应力和切削应力的耦合，经过机械加工后零件容易产生变形，材料内大量残余应力的积累，将会导致零件表面裂纹的扩展。热时效方法通过对零件的加热实现材料内部的应力松弛，振动时效对零件加载动应力实现残余应力的降低与均化，热振复合时效是受热作用影响提高振动载荷的作用效果，其残余应力均化效果具有明显的优点。喷丸作用通过对零件喷射大量弹丸，通过引入表面压残余应力大幅度提升零件的疲劳强度、耐磨性等使用性能。各工艺阶段均需要分步进行处理，但是面临着工序复杂，成本高昂，所占面积大等一系列问题。针对这些问题，本发明设计了一种热振-喷丸一体化复合工艺应力调控装置，通过发明装置实现热作用、振动作用与喷丸作用的独立工艺与相互耦合的工艺过程，进行零件残余应力的调控，解决分步应力调控工艺过程复杂和应力分布状态差等难题。

技术实现要素：

基于上述背景，本发明涉及一种热振-喷丸一体化复合工艺应力调控装置，通过将温度部分、振动部分、喷丸部分的一体化设计，实现热振复合残余应力均化和喷丸残余应力强化的复合应力调控，达到零件表层残余应力强化内部残余应力均化的应力分布效果。

本装置具体包括五大部分，温度部分、振动部分、喷丸部分、控制部分和其他部分，如图1所示。温度部分主要由保温夹层3，电热丝11组成。振动部分主要由电磁激振器13，激振器夹具14，装夹平台15，振动配重20组成。温度部分和振动部分共同构成热振复合残余应力均化系统，利用该系统热载荷和振动载荷的独立或耦合作用可以实现零件残余应力的均化。喷丸部分主要由减速器4，弹丸储箱支架5，弹丸储箱6，电机7，喷丸管支架8，喷丸管9，喷丸管夹具10，高压储气罐18，高压气管19，弹丸回收仓21。喷丸部分构成该装置的喷丸残余应力强化系统，利用该系统可以实现零件表层残余应力的强化。控制部分主要由集成数显控制箱12组成，该部分可以实现相关工艺参数的集成控制。其他部分主要由箱体1，箱门2，零件16，零件夹具17组成，该部分主要起到装置连接与工艺辅助的作用。

如图2所示，热振-喷丸一体化复合工艺应力调控装置组成说明图，装置由温度部分、振动部分、喷丸部分、控制部分和其他部分组成。温度部分通过加热丝实现箱体内温度的提升，涉及温度值、升温速度、保温时间等相关工艺参数设定。振动部分通过电磁式激振器将动载荷作用于装夹平台上，通过动应力与内部残余应力的耦合，实现残余应力的降低与均化，主要涉及振动频率、最大动应力、振动时间等相关工艺参数。温度部分和振动部分可以相互独立作用或耦合作用，实现零件整体残余应力的均化。喷丸部分对残余应力均化后的零件进行喷丸应力强化，高速弹丸作用于零件表面引入压缩残余应力，实现对零件表层疲劳裂纹的抑制，主要涉及喷丸距离、喷丸强度、喷丸时间、覆盖率、弹丸等相关参数。控制部分实现工艺过程的参数化控制。其他部分对整个装置主要起连接作用，其中零件的装夹方式和装夹力对零件应力调控具有显著影响，需要在工艺实施阶段特别考虑。

本发明的有益效果是：

1、发明了一种热振-喷丸一体化复合工艺应力调控装置，实现了应力调控工艺的装置集成。

2、通过振动配重、弹簧、阻尼器以及零件夹具的共同作用，振动平台实现最大动应力作用于零件上，提高残余应力均化效果。

3、一体化集成装置有效提高了应力调控效率。

附图说明

图1是热振-喷丸一体化复合工艺应力调控装置示意图；

图中1为箱体，2为箱门，3为保温夹层，4为减速器，5为弹丸储箱支架，6为弹丸储箱，7为电机，8为喷丸管支架，9为喷丸管，10为喷丸管夹具，11为电热丝，12为集成数显控制箱，13为电磁激振器，14为激振器夹具，15为装夹平台，16为零件，17为零件夹具，18为高压储气罐，19为高压气管，20为振动配重，21为弹丸回收仓。

图2是热振-喷丸一体化复合工艺应力调控装置组成说明图；

图3是温度部分示意图；

图中1为保温夹层，2为装夹平台，3为电热丝，4为温度传感器，5为零件，6为零件夹具(由t型螺栓m10、螺母m10和装夹板组成)。

图4是振动部分示意图；

图中1为阻尼器，2为弹簧，3为装夹平台，4为振动配重，5为装夹板，6为零件，7为t型螺栓螺母组件m10，8为激振器紧固螺钉m35，9为激振器固定架，10为电磁激振器，11为垫片，12为激振器装夹螺栓螺母组件m30。

图5是喷丸部分示意图；

图中1为箱体，2为装夹平台，3为零件，4为喷丸管支架，5为喷丸管，6为减速器，7为弹丸储箱支架，8为弹丸储箱，9为高压气管，10为电机，11为高压储气罐，12为弹丸回收仓。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。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。

本发明涉及一种热振-喷丸一体化复合工艺应力调控装置，通过将温度部分、振动部分、喷丸部分的一体化设计，实现热振复合残余应力均化和喷丸残余应力强化的复合应力调控，达到零件表层残余应力强化内部残余应力均化的应力分布效果。

如图1所示，本装置整体为垂直结构分布，装置总体高度为2000mm，长度为2700mm，宽度为2000mm，装置内部最大工作空间为800mm×800mm×900mm，占地与工作面积不少于8平方米。装置可具体分为五大部分，包括温度部分、振动部分、喷丸部分、控制部分和其他部分。温度部分主要由保温夹层3，电热丝11组成。振动部分主要由电磁激振器13，激振器夹具14，装夹平台15，振动配重20组成。温度部分和振动部分共同构成热振复合残余应力均化系统，利用该系统热载荷和振动载荷的独立或耦合作用可以实现零件残余应力的均化。喷丸部分主要由减速器4，弹丸储箱支架5，弹丸储箱6，电机7，喷丸管支架8，喷丸管9，喷丸管夹具10，高压储气罐18，高压气管19，弹丸回收仓21。喷丸部分构成该装置的喷丸残余应力强化系统，利用该系统可以实现零件表层残余应力的强化。控制部分主要由集成数显控制箱12组成，该部分可以实现相关工艺参数的集成控制。其他部分主要由箱体1，箱门2，零件16，零件夹具17组成，该部分主要起到装置连接与工艺辅助的作用。

如图2所示，热振-喷丸一体化复合工艺应力调控装置组成说明图，装置由温度部分、振动部分、喷丸部分、控制部分和其他部分组成。温度部分通过加热丝实现箱体内温度的提升，涉及温度值、升温速度、保温时间等相关工艺参数设定。振动部分通过电磁式激振器将动载荷作用于装夹平台上，通过动应力与内部残余应力的耦合，实现残余应力的降低与均化，主要涉及振动频率、最大动应力、振动时间等相关工艺参数。温度部分和振动部分可以相互独立作用或耦合作用，实现零件整体残余应力的均化。喷丸部分对残余应力均化后的零件进行喷丸应力强化，高速弹丸作用于零件表面引入压缩残余应力，实现对零件表层疲劳裂纹的抑制，主要涉及喷丸距离、喷丸强度、喷丸时间、覆盖率、弹丸等相关参数。控制部分实现工艺过程的参数化控制。其他部分对整个装置主要起连接作用，其中零件的装夹方式和装夹力对零件应力调控具有显著影响，需要在工艺实施阶段特别考虑。

如图3所示，为装置的温度部分示意图。在该部分，电热丝3固定于保温夹层1上，电热丝的热以热对流和热辐射的方式传递到零件5上，固定于平台上的温度传感器4可以实现箱体内温度的闭环控制，保证环境温度的稳定，零件5通过零件夹具6安装于装夹平台2上，装夹平台2开有t型槽，通过与t型螺栓、螺母和装夹板的组合，实现零件的位置固定。保温夹层选用硅酸铝棉保温材料，材料安装于箱体和箱门处，减少箱内热量的散失。加热丝为直径20mm的铁铬铝电热合金，电压为220/380v，单只加热丝功率为2.5kw，共计3组，分别安装于箱体侧面和箱体后面，采用u型回路设计，扩大加热面积。加热部分最高温度可达800摄氏度。温度部分，通过对零件施加适当的温度，使得零件的屈服强度降低，材料微观组织活跃，材料内部残余应力松弛释放，达到零件整体残余应力降低的目的。

如图4所示，为装置的振动部分示意图。在该部分，装夹平台3由阻尼器1和弹簧2支撑，零件6受到装夹板5作用由m10的t型螺栓螺母组件连接于装夹平台上，装夹平台一侧安装电磁激振器10，一侧安装振动配重4，激振器通过激振器固定支架9使用m30的螺栓螺母组件8连接于装夹平台上，利用m35激振器紧固螺钉实现激振器轴向固定。通过阻尼器、弹簧、配重和零件装夹方式/力调整激振器的动应力位置，使得最大激振器最大动载荷作用于零件装夹位置，动载荷作用于零件上，有效提升零件残余应力的降低和均化效果。激振器型号为jzq-50，额定出力(峰值)500n(50kg)，力常数17n/a，最大振幅±12mm，最大输入电流≤30arms，频率范围10～2khz，动圈直流电阻0.4ω，可动部件质量0.8kg，外形尺寸φ250×350mm，重量40kg，适用于长期使用，具有风扇自降温。振动部分，以共振的形式给零件施加附加动应力，残余应力与附加动应力叠加后的总应力超过材料的屈服极限时，工件内部发生微观塑性变形，从而降低和均化零件中的残余应力。

该装置的温度部分和振动部分，两者可以相互独立作用或耦合共同作用，实现零件整体残余应力的降低与均化，其工艺过程受到集成数显控制箱参数化设定作用。

如图5所示，为装置的喷丸部分示意图。在该部分，弹丸储箱8的弹丸受到高压气管9中高压气体的作用，经过喷丸管5直接作用于零件3上，弹丸透过装夹平台2由设计的底面的斜坡面流回弹丸回收仓12。喷丸管通过管夹固定于喷丸管支架4上，支架设计通槽，实现喷丸管的径向和轴向的尺寸固定。高压气体存储于高压储气罐11中。弹丸储箱支架7安装于1箱体上侧，弹丸储箱安装于储箱支架上。电机10带动减速器6实现喷丸管支架的轴向旋转，旋转角度为±180度，两个喷丸管可以实现零件一周圈的喷丸过程。喷丸部分，使用高速丸粒轰击零件表面，引入残余压应力，改变工件表面残余应力的分布，能提升工件的机械强度、耐磨性和抗疲劳及耐腐蚀性。

控制部分主要由集成数显控制箱组成，控制箱可通过支撑臂实现位置调整。

其他部分主要设计箱门以及工艺夹具等。箱体整体采用30mm×30mm型材焊接成型，外部附着蒙皮。

以上所述实施方式仅为本发明的优选实施例，而并非本发明可行实施的穷举。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和精神的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰都应当被认为包含在本发明的权利要求保护范围之内。