本發(fā)明涉及振動(dòng)時(shí)效技術(shù)領(lǐng)域，特指一種用于消除殘余應(yīng)力的高頻沖擊振動(dòng)系統(tǒng)及方法。

技術(shù)背景

振動(dòng)時(shí)效技術(shù)因?yàn)榫哂性O(shè)備簡(jiǎn)單、節(jié)能環(huán)保、處理時(shí)間短、效果好等特點(diǎn)而成為備受關(guān)注的殘余應(yīng)力消除技術(shù)。目前國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家學(xué)者對(duì)傳統(tǒng)低頻振動(dòng)時(shí)效技術(shù)(激振頻率小于200hz)進(jìn)行了大量的研究，取得了豐富的理論成果并積累了大量成功的應(yīng)用實(shí)例，但是傳統(tǒng)低頻振動(dòng)時(shí)效技術(shù)采用可調(diào)電機(jī)作為激振器，導(dǎo)致其激振頻率通常小于200hz，表明傳統(tǒng)低頻振動(dòng)時(shí)效技術(shù)的可選振型非常有限；同時(shí)傳統(tǒng)低頻振動(dòng)時(shí)效技術(shù)是通過(guò)對(duì)構(gòu)件進(jìn)行整體激振的方式來(lái)消除殘余應(yīng)力的，導(dǎo)致了傳統(tǒng)低頻振動(dòng)時(shí)效技術(shù)在消除構(gòu)件局部殘余應(yīng)力或大型復(fù)雜構(gòu)件殘余應(yīng)力時(shí)效果有限。高頻振動(dòng)時(shí)效技術(shù)(激振頻率大于1khz)與傳統(tǒng)低頻振動(dòng)時(shí)效技術(shù)本質(zhì)上都是對(duì)構(gòu)件進(jìn)行整體激振，從而達(dá)到消除構(gòu)件內(nèi)部殘余應(yīng)力的目的，然而由于高頻激振器的驅(qū)動(dòng)能力有限，因此對(duì)構(gòu)件采用整體激振的方式進(jìn)行高頻振動(dòng)時(shí)效處理，導(dǎo)致高頻振動(dòng)時(shí)效技術(shù)僅適用于消除小尺寸構(gòu)件的殘余應(yīng)力。

針對(duì)振動(dòng)時(shí)效技術(shù)存在的問(wèn)題，本發(fā)明提出一種用于消除殘余應(yīng)力的高頻沖擊振動(dòng)系統(tǒng)及方法。所謂的用于消除殘余應(yīng)力的高頻沖擊振動(dòng)方法指的是采用沖擊振動(dòng)式的高頻振動(dòng)處理方法來(lái)消除構(gòu)件的殘余應(yīng)力。用于消除殘余應(yīng)力的高頻沖擊振動(dòng)方法采用高頻振動(dòng)能量放大裝置和電磁式激振器組成高頻沖擊振動(dòng)系統(tǒng)中的沖擊振動(dòng)產(chǎn)生單元，能夠?qū)⒏哳l振動(dòng)能量直接注入到材料表面的局部區(qū)域，因此本發(fā)明所提出的用于消除殘余應(yīng)力的高頻沖擊振動(dòng)方法不僅能夠消除小尺寸構(gòu)件的殘余應(yīng)力，也能夠消除大型復(fù)雜構(gòu)件的殘余應(yīng)力。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)振動(dòng)時(shí)效技術(shù)存在的問(wèn)題，本發(fā)明提出一種用于消除殘余應(yīng)力的高頻沖擊振動(dòng)系統(tǒng)及方法。所謂的用于消除殘余應(yīng)力的高頻沖擊振動(dòng)方法指的是采用沖擊振動(dòng)式的高頻振動(dòng)處理方法來(lái)消除構(gòu)件的殘余應(yīng)力，即將高頻振動(dòng)能量直接注入到材料表面的局部區(qū)域。因此本發(fā)明提出的用于消除殘余應(yīng)力的高頻沖擊振動(dòng)系統(tǒng)及方法不僅能夠消除小尺寸構(gòu)件的殘余應(yīng)力，也能夠消除大型復(fù)雜構(gòu)件的殘余應(yīng)力。

用于消除殘余應(yīng)力的高頻沖擊振動(dòng)系統(tǒng)，包括上位機(jī)系統(tǒng)、信號(hào)發(fā)生器、功率放大器、電磁式激振器、高頻振動(dòng)能量放大裝置、加速度傳感器、電荷放大器、示波器；上位機(jī)系統(tǒng)控制信號(hào)發(fā)生器輸出幅值和頻率均能夠獨(dú)立且連續(xù)調(diào)節(jié)的正弦激振信號(hào)；正弦激振信號(hào)經(jīng)過(guò)功率放大器放大后輸入電磁式激振器，驅(qū)動(dòng)電磁式激振器產(chǎn)生高頻振動(dòng)；

高頻振動(dòng)能量放大裝置固定于電磁式激振器運(yùn)動(dòng)部件的激振臺(tái)面上，高頻振動(dòng)能量放大裝置包括上托臺(tái)，固定在激振臺(tái)面上的下底盤(pán)和連接上托臺(tái)與下底盤(pán)的連桿；連桿的截面面積小于上托臺(tái)的截面面積，同時(shí)連桿的截面面積小于下底盤(pán)的截面面積；

加速度傳感器安裝于上托臺(tái)的下表面，加速度傳感器的輸出端與電荷放大器的輸入通道連接，電荷放大器的輸出通道與示波器的輸入通道連接，示波器的輸出通道與上位機(jī)系統(tǒng)連接。

具體來(lái)說(shuō)，由上位機(jī)系統(tǒng)、信號(hào)發(fā)生器、功率放大器、電磁式激振器、高頻振動(dòng)能量放大裝置、加速度傳感器、電荷放大器以及示波器組成高頻沖擊振動(dòng)系統(tǒng)，能夠?qū)⒏哳l振動(dòng)能量直接注入到構(gòu)件表面的局部區(qū)域，對(duì)構(gòu)件進(jìn)行局部高頻沖擊振動(dòng)消除殘余應(yīng)力的處理。加速度傳感器的輸出信號(hào)表征高頻振動(dòng)能量放大裝置的輸出振級(jí)a，高頻振動(dòng)能量放大裝置的輸出振級(jí)a即為作用在構(gòu)件表面局部區(qū)域上的振級(jí)。上位機(jī)系統(tǒng)實(shí)時(shí)顯示高頻振動(dòng)能量放大裝置的輸出振級(jí)a。在高頻沖擊振動(dòng)系統(tǒng)的共振頻率下對(duì)構(gòu)件進(jìn)行激振處理時(shí)，能夠提高注入到構(gòu)件表面局部區(qū)域的高頻振動(dòng)能量，從而提高高頻沖擊振動(dòng)消除構(gòu)件殘余應(yīng)力的效果。

電磁式激振器用于產(chǎn)生激振頻率大于1khz的高頻振動(dòng)，其最高激振頻率可以達(dá)到10khz以上。

進(jìn)一步，加速度傳感器為壓電式加速度傳感器。

使用高頻沖擊振動(dòng)系統(tǒng)消除殘余應(yīng)力的方法包括以下步驟：

(1)、制造高頻振動(dòng)能量放大裝置，高頻振動(dòng)能量放大裝置包括上托臺(tái)，固定在激振臺(tái)面上的下底盤(pán)和連接上托臺(tái)與下底盤(pán)的連桿；連桿的截面面積小于上托臺(tái)的截面面積，同時(shí)連桿的截面面積小于下底盤(pán)的截面面積；

(2)、將上托臺(tái)上表面與構(gòu)件緊密接觸；將加速度傳感器安裝在上托臺(tái)下表面；下底盤(pán)固定在電磁式激振器的激振臺(tái)面上；下底盤(pán)與上托臺(tái)通過(guò)連桿連接；接通上位機(jī)系統(tǒng)與信號(hào)發(fā)生器之間的信號(hào)連線；接通上位機(jī)系統(tǒng)與示波器之間的信號(hào)連線；接通信號(hào)發(fā)生器與功率放大器之間的信號(hào)連線；接通功率放大器與電磁式激振器之間的信號(hào)連線；接通加速度傳感器與電荷放大器之間的信號(hào)連線；接通電荷放大器與示波器之間的信號(hào)連線；接通上位機(jī)系統(tǒng)、功率放大器、信號(hào)發(fā)生器、電荷放大器、示波器、電磁式激振器的電源；

(3)、確定信號(hào)發(fā)生器輸出的高頻沖擊振動(dòng)處理消除殘余應(yīng)力的激振頻率f。

(4)、緩慢調(diào)節(jié)功率放大器的增益旋鈕使得功率放大器輸出恒定的電流i，驅(qū)動(dòng)電磁式激振器對(duì)構(gòu)件進(jìn)行高頻沖擊振動(dòng)處理。

進(jìn)一步，步驟(3)中，確定信號(hào)發(fā)生器輸出的高頻沖擊振動(dòng)處理消除殘余應(yīng)力的激振頻率f包括以下步驟：

(3.1)、信號(hào)發(fā)生器的初始激振頻率f0設(shè)置為1000hz，然后以100hz為步長(zhǎng)逐步增加信號(hào)發(fā)生器輸出的激振頻率；緩慢調(diào)節(jié)功率放大器的增益旋鈕使得功率放大器輸出恒定的電流i；上位機(jī)系統(tǒng)分別記錄下每一激振頻率時(shí)高頻振動(dòng)能量放大裝置的輸出振級(jí)a；上位機(jī)系統(tǒng)得到高頻振動(dòng)能量放大裝置輸出振級(jí)a最大時(shí)的激振頻率；上位機(jī)系統(tǒng)記錄下該激振頻率，并記為f1；

(3.2)、信號(hào)發(fā)生器的初始激振頻率設(shè)置為(f1-100)hz，以10hz為步長(zhǎng)逐步增加信號(hào)發(fā)生器輸出的激振頻率，然后重復(fù)步驟(3.1)的過(guò)程，得到高頻振動(dòng)能量放大裝置輸出振級(jí)a最大時(shí)的激振頻率；上位機(jī)系統(tǒng)記錄下該激振頻率，并記為f2；

(3.3)、信號(hào)發(fā)生器的初始激振頻率設(shè)置為(f2-10)hz，以1hz為步長(zhǎng)逐步增加信號(hào)發(fā)生器輸出的激振頻率，然后重復(fù)步驟(3.1)的過(guò)程，得到高頻振動(dòng)能量放大裝置輸出振級(jí)a最大時(shí)的激振頻率；上位機(jī)系統(tǒng)記錄下該激振頻率，并記為f3，即為高頻沖擊振動(dòng)處理消除殘余應(yīng)力的激振頻率f。

本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思是：由上位機(jī)系統(tǒng)、信號(hào)發(fā)生器、功率放大器、電磁式激振器、高頻振動(dòng)能量放大裝置、加速度傳感器、電荷放大器以及示波器組成高頻沖擊振動(dòng)系統(tǒng)；上托臺(tái)上表面與構(gòu)件緊密接觸；上位機(jī)系統(tǒng)自動(dòng)確定信號(hào)發(fā)生器輸出的高頻沖擊振動(dòng)處理消除殘余應(yīng)力的激振頻率f；緩慢調(diào)節(jié)功率放大器的增益旋鈕使得功率放大器輸出恒定的電流i，驅(qū)動(dòng)電磁式激振器對(duì)構(gòu)件進(jìn)行高頻沖擊振動(dòng)處理。

本發(fā)明的有益效果如下：

1、本發(fā)明采用電磁式激振器和高頻振動(dòng)能量放大裝置組成高頻沖擊振動(dòng)產(chǎn)生單元，所產(chǎn)生的高頻沖擊振動(dòng)幅值屬于微米級(jí)別，能夠?qū)?gòu)件進(jìn)行安全的時(shí)效處理，可以保護(hù)構(gòu)件不受疲勞損傷的危險(xiǎn)。

2、本發(fā)明采用的高頻沖擊振動(dòng)處理方法突破了高頻振動(dòng)時(shí)效技術(shù)消除殘余應(yīng)力時(shí)，將構(gòu)件裝夾在電磁式激振器上進(jìn)行整體激振的技術(shù)思路，而是采用高頻振動(dòng)能量放大裝置將電磁式激振器輸出的高頻振動(dòng)能量放大后，直接注入到構(gòu)件的表面局部區(qū)域，這樣的方法能夠?qū)⒏哳l振動(dòng)能量有效的輸入到待消除殘余應(yīng)力的表面局部區(qū)域，因此本發(fā)明提出的用于消除殘余應(yīng)力的高頻沖擊振動(dòng)方法不僅能夠消除小尺寸構(gòu)件的殘余應(yīng)力，同時(shí)也能夠消除大型復(fù)雜構(gòu)件的殘余應(yīng)力。

3、在高頻沖擊振動(dòng)系統(tǒng)的共振頻率下對(duì)構(gòu)件進(jìn)行激振處理時(shí)，能夠放大電磁式激振器輸出的高頻振動(dòng)能量，即提高了注入構(gòu)件表面局部區(qū)域的高頻振動(dòng)能量，具有能夠顯著的提高高頻沖擊振動(dòng)消除構(gòu)件殘余應(yīng)力的效果的優(yōu)點(diǎn)。

4、用于消除殘余應(yīng)力的高頻沖擊振動(dòng)系統(tǒng)對(duì)構(gòu)件進(jìn)行高頻沖擊振動(dòng)處理的過(guò)程由上位機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行控制，無(wú)需手動(dòng)操作，減少了工作量，提高了工作的效率。

附圖說(shuō)明

圖1用于消除殘余應(yīng)力的高頻沖擊振動(dòng)系統(tǒng)示意圖。

圖2高頻振動(dòng)能量放大裝置示意圖。

圖3aisi1045鋼構(gòu)件尺寸示意圖。

圖4脈沖激光表面輻射示意圖。

圖5a高頻沖擊振動(dòng)處理前的殘余應(yīng)力測(cè)試結(jié)果。

圖5b高頻沖擊振動(dòng)處理后的殘余應(yīng)力測(cè)試結(jié)果。

具體實(shí)施方式

參照附圖，進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明：

用于消除殘余應(yīng)力的高頻沖擊振動(dòng)系統(tǒng)，包括上位機(jī)系統(tǒng)、信號(hào)發(fā)生器、功率放大器、電磁式激振器、高頻振動(dòng)能量放大裝置2、加速度傳感器5、電荷放大器、示波器；上位機(jī)系統(tǒng)控制信號(hào)發(fā)生器輸出幅值和頻率均能夠獨(dú)立且連續(xù)調(diào)節(jié)的正弦激振信號(hào)；正弦激振信號(hào)經(jīng)過(guò)功率放大器放大后輸入電磁式激振器，驅(qū)動(dòng)電磁式激振器產(chǎn)生高頻振動(dòng)；

高頻振動(dòng)能量放大裝置2固定于電磁式激振器運(yùn)動(dòng)部件3的激振臺(tái)面4上，高頻振動(dòng)能量放大裝置2包括上托臺(tái)21，固定在激振臺(tái)面4上的下底盤(pán)22和連接上托臺(tái)21與下底盤(pán)22的連桿23；連桿23的截面面積小于上托臺(tái)21的截面面積，同時(shí)連桿23的截面面積小于下底盤(pán)22的截面面積；

加速度傳感器5安裝于上托臺(tái)21的下表面，加速度傳感器5的輸出端與電荷放大器的輸入通道連接，電荷放大器的輸出通道與示波器的輸入通道連接，示波器的輸出通道與上位機(jī)系統(tǒng)連接。

具體來(lái)說(shuō)，由上位機(jī)系統(tǒng)、信號(hào)發(fā)生器、功率放大器、電磁式激振器、高頻振動(dòng)能量放大裝置2、加速度傳感器5、電荷放大器以及示波器組成高頻沖擊振動(dòng)系統(tǒng)，能夠?qū)⒏哳l振動(dòng)能量直接注入到構(gòu)件1表面的局部區(qū)域，對(duì)構(gòu)件1進(jìn)行局部高頻沖擊振動(dòng)消除殘余應(yīng)力的處理。加速度傳感器5的輸出信號(hào)表征高頻振動(dòng)能量放大裝置2的輸出振級(jí)a，高頻振動(dòng)能量放大裝置2的輸出振級(jí)a即為作用在構(gòu)件1表面局部區(qū)域上的振級(jí)。上位機(jī)系統(tǒng)實(shí)時(shí)顯示高頻振動(dòng)能量放大裝置2的輸出振級(jí)a。在高頻沖擊振動(dòng)系統(tǒng)的共振頻率下對(duì)構(gòu)件1進(jìn)行激振處理時(shí)，能夠提高注入到構(gòu)件1表面局部區(qū)域的高頻振動(dòng)能量，從而提高高頻沖擊振動(dòng)消除構(gòu)件1殘余應(yīng)力的效果。

電磁式激振器用于產(chǎn)生激振頻率大于1khz的高頻振動(dòng)，其最高激振頻率可以達(dá)到10khz以上。

進(jìn)一步，加速度傳感器5為壓電式加速度傳感器。

使用高頻沖擊振動(dòng)系統(tǒng)消除殘余應(yīng)力的方法包括以下步驟：

(1)、制造高頻振動(dòng)能量放大裝置2，高頻振動(dòng)能量放大裝置2包括上托臺(tái)21，固定在激振臺(tái)面4上的下底盤(pán)22和連接上托臺(tái)21與下底盤(pán)22的連桿23；連桿23的截面面積小于上托臺(tái)21的截面面積，同時(shí)連桿23的截面面積小于下底盤(pán)22的截面面積；

(2)、將上托臺(tái)21上表面與構(gòu)件1緊密接觸；將加速度傳感器5安裝在上托臺(tái)21下表面；下底盤(pán)22固定在電磁式激振器的激振臺(tái)面4上；下底盤(pán)22與上托臺(tái)21通過(guò)連桿23連接；接通上位機(jī)系統(tǒng)與信號(hào)發(fā)生器之間的信號(hào)連線；接通上位機(jī)系統(tǒng)與示波器之間的信號(hào)連線；接通信號(hào)發(fā)生器與功率放大器之間的信號(hào)連線；接通功率放大器與電磁式激振器之間的信號(hào)連線；接通加速度傳感器5與電荷放大器之間的信號(hào)連線；接通電荷放大器與示波器之間的信號(hào)連線；接通上位機(jī)系統(tǒng)、功率放大器、信號(hào)發(fā)生器、電荷放大器、示波器、電磁式激振器的電源；

(3)、確定信號(hào)發(fā)生器輸出的高頻沖擊振動(dòng)處理消除殘余應(yīng)力的激振頻率f。

(4)、緩慢調(diào)節(jié)功率放大器的增益旋鈕使得功率放大器輸出恒定的電流i，驅(qū)動(dòng)電磁式激振器對(duì)構(gòu)件1進(jìn)行高頻沖擊振動(dòng)處理。

進(jìn)一步，步驟(3)中，確定信號(hào)發(fā)生器輸出的高頻沖擊振動(dòng)處理消除殘余應(yīng)力的激振頻率f包括以下步驟：

(3.1)、信號(hào)發(fā)生器的初始激振頻率f0設(shè)置為1000hz，然后以100hz為步長(zhǎng)逐步增加信號(hào)發(fā)生器輸出的激振頻率；緩慢調(diào)節(jié)功率放大器的增益旋鈕使得功率放大器輸出恒定的電流i；上位機(jī)系統(tǒng)分別記錄下每一激振頻率時(shí)高頻振動(dòng)能量放大裝置2的輸出振級(jí)a；上位機(jī)系統(tǒng)得到高頻振動(dòng)能量放大裝置2輸出振級(jí)a最大時(shí)的激振頻率；上位機(jī)系統(tǒng)記錄下該激振頻率，并記為f1；

(3.2)、信號(hào)發(fā)生器的初始激振頻率設(shè)置為(f1-100)hz，以10hz為步長(zhǎng)逐步增加信號(hào)發(fā)生器輸出的激振頻率，然后重復(fù)步驟(3.1)的過(guò)程，得到高頻振動(dòng)能量放大裝置2輸出振級(jí)a最大時(shí)的激振頻率；上位機(jī)系統(tǒng)記錄下該激振頻率，并記為f2；

(3.3)、信號(hào)發(fā)生器的初始激振頻率設(shè)置為(f2-10)hz，以1hz為步長(zhǎng)逐步增加信號(hào)發(fā)生器輸出的激振頻率，然后重復(fù)步驟(3.1)的過(guò)程，得到高頻振動(dòng)能量放大裝置2輸出振級(jí)a最大時(shí)的激振頻率；上位機(jī)系統(tǒng)記錄下該激振頻率，并記為f3，即為高頻沖擊振動(dòng)處理消除殘余應(yīng)力的激振頻率f。

對(duì)圖3中的aisi1045鋼構(gòu)件1進(jìn)行高頻沖擊振動(dòng)處理。該構(gòu)件1的長(zhǎng)度為300mm，寬度為40mm，厚度為6mm。為了在構(gòu)件1的表層產(chǎn)生初始?xì)堄鄳?yīng)力，本發(fā)明中采用圖4所示的脈沖激光表面輻射工藝對(duì)構(gòu)件1表面進(jìn)行脈沖激光表面輻射處理。在脈沖激光輻射的區(qū)域，構(gòu)件1表面溫度快速升高，材料表面發(fā)生微觀組織的轉(zhuǎn)變，從而在構(gòu)件1表層產(chǎn)生了較大的拉伸殘余應(yīng)力。高頻沖擊振動(dòng)處理前的殘余應(yīng)力測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖5a，高頻沖擊振動(dòng)處理后的殘余應(yīng)力測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖5b，表明本發(fā)明所提出的用于消除殘余應(yīng)力的高頻沖擊振動(dòng)方法能夠有效的消除構(gòu)件1的殘余應(yīng)力。

本說(shuō)明書(shū)實(shí)施例所述的內(nèi)容僅僅是對(duì)發(fā)明構(gòu)思的實(shí)現(xiàn)形式的列舉，本發(fā)明的保護(hù)范圍不應(yīng)當(dāng)被視為僅限于實(shí)施例所陳述的具體形式，本發(fā)明的保護(hù)范圍也及于本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思所能夠想到的等同技術(shù)手段。