超聲波應(yīng)力消除方法及系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ]本發(fā)明涉及超聲波振動(dòng)領(lǐng)域，尤其涉及一種超聲波應(yīng)力消除方法及系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]金屬構(gòu)件經(jīng)過焊接、鑄造、鍛造、機(jī)械加工等工藝過程，引起內(nèi)部晶格形變，必然會(huì)產(chǎn)生殘余應(yīng)力，極大地降低構(gòu)件的極限強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度，甚至?xí)a(chǎn)生裂紋和脆性斷裂，而且在加工及使用中由于殘余應(yīng)力的松弛，使零件產(chǎn)生變形，大大地影響了構(gòu)件的尺寸、位置精度和整機(jī)性能。降低這種內(nèi)應(yīng)力目前主要通過時(shí)效的方法。時(shí)效處理工藝目前已廣泛應(yīng)用于造船、冶金、機(jī)床、礦山、化工、電力等各行業(yè)，并收到了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。
[0003]首先，本文提到的術(shù)語的定義如下:
[0004]時(shí)效處理:時(shí)效處理是工程材料常用的一種消除其內(nèi)部殘余內(nèi)應(yīng)力的方法。
[0005]超聲波:頻率高于20000赫茲(20kHz)的聲波。
[0006]導(dǎo)波桿:超聲波振動(dòng)系統(tǒng)中的主要作用是把機(jī)械振動(dòng)的質(zhì)點(diǎn)位移或速度傳導(dǎo)到被激勵(lì)對(duì)象上，并根據(jù)需要將超聲振幅放大或縮小。
[0007]超聲波換能器:是超聲波設(shè)備的核心器件，實(shí)現(xiàn)電能、機(jī)械能或聲能從一種形式的能量轉(zhuǎn)換為另一種形式的能量的裝置。
[0008]目前在使用的有四種時(shí)效處理工藝，即自然時(shí)效、熱時(shí)效、振動(dòng)時(shí)效和超聲波沖擊時(shí)效。其中，超聲波沖擊時(shí)效為目前最新的應(yīng)力消除方法，其技術(shù)路線與本發(fā)明最為接近，如申請(qǐng)?zhí)枮镃N200810162683.5的中國發(fā)明專利“一種用于焊縫應(yīng)力消除的高效超聲波沖擊頭”所公開的。此方法主要用于焊接構(gòu)件的焊縫處局部應(yīng)力的處理，無法對(duì)整個(gè)構(gòu)件的內(nèi)部應(yīng)力進(jìn)行消除。
[0009]超聲波振動(dòng)系統(tǒng)包括超聲波驅(qū)動(dòng)電源、超聲波換能器、導(dǎo)波桿、沖擊頭。利用超聲波驅(qū)動(dòng)電源來驅(qū)動(dòng)超聲波換能器，產(chǎn)生高頻超聲振動(dòng)，經(jīng)導(dǎo)波桿振幅放大后，振動(dòng)能量傳遞到?jīng)_擊頭上。沖擊頭與導(dǎo)波桿為分體結(jié)構(gòu)，在導(dǎo)波桿端部沖擊下，沖擊頭在導(dǎo)波桿與被處理構(gòu)件之間往復(fù)發(fā)生撞擊，被沖擊的局部區(qū)域隨沖擊頭做小幅振動(dòng)，使作用區(qū)域內(nèi)晶格發(fā)生形變，達(dá)到消除應(yīng)力的效果，其作用原理與噴丸工藝類似。
[0010]然而，上述超聲波沖擊時(shí)效設(shè)備具有以下局限性:
[0011]1.不能激勵(lì)被處理構(gòu)件的整體共振，而僅在被沖擊區(qū)域附近激勵(lì)局部振動(dòng)以消除附近殘余應(yīng)力；而且作用層的深度有限，一般為l-10mm，無法消除整個(gè)構(gòu)件內(nèi)部的殘余應(yīng)力。
[0012]2.超聲波振動(dòng)系統(tǒng)不直接與被處理構(gòu)件連接，沖擊頭與被處理構(gòu)件為單點(diǎn)非固定接觸或多點(diǎn)不連續(xù)的且非固定的接觸，需要移動(dòng)沖擊頭才能對(duì)不同部位進(jìn)行處理，效率低下。
[0013]3.沖擊頭會(huì)對(duì)被處理構(gòu)件的表面造成凹坑、凹槽等損害，影響所述構(gòu)件表面質(zhì)量，不適合對(duì)表面精度及尺寸要求高的構(gòu)件。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0014]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，本申請(qǐng)?zhí)峁┮环N超聲波應(yīng)力消除方法，旨在對(duì)被處理構(gòu)件的應(yīng)力進(jìn)行整體消除，達(dá)到更深的作用深度，并且避免對(duì)被處理構(gòu)件的表面造成凹坑、凹槽等損害。從而提高被處理構(gòu)件的表面精度及尺寸要求。
[0015]本申請(qǐng)的超聲波應(yīng)力消除方法，與被處理構(gòu)件形成常規(guī)的固定連接，而非不固定連接。其中，固定連接的方式可以是直接焊接、壓板等多種形式;非固定連接是指沖擊頭抵靠在被處理構(gòu)件上，在實(shí)時(shí)的振動(dòng)中會(huì)隨時(shí)接觸構(gòu)件以及離開構(gòu)件。連接的各種方式均為現(xiàn)有技術(shù)，在此不再贅述。
[0016]本發(fā)明提供一種超聲波應(yīng)力消除方法，包括如下步驟:
[0017]超聲波換能器連接到導(dǎo)波桿，導(dǎo)波桿固定連接到被處理構(gòu)件，其中，順序連接的超聲波換能器、導(dǎo)波桿、被處理構(gòu)件組成振動(dòng)系統(tǒng)；
[0018]超聲波驅(qū)動(dòng)電源對(duì)振動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行頻率掃描，選擇出距離超聲波換能器的共振頻率最近的且振幅最高的振動(dòng)系統(tǒng)共振頻率作為激振頻率，對(duì)被處理構(gòu)件進(jìn)行超聲波激振處理；
[0019]對(duì)振動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行頻率跟蹤，維持振動(dòng)系統(tǒng)的共振狀態(tài)；
[0020]對(duì)超聲波驅(qū)動(dòng)電源輸出的激振頻率進(jìn)行調(diào)頻，由此激發(fā)與該振動(dòng)系統(tǒng)共振頻率所對(duì)應(yīng)的模態(tài)有耦合關(guān)系的至少一個(gè)共振模態(tài)，實(shí)現(xiàn)多個(gè)共振模態(tài)同時(shí)激振。
[0021]在一個(gè)方面，超聲波驅(qū)動(dòng)電源對(duì)振動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行頻率掃描進(jìn)一步包括:超聲波驅(qū)動(dòng)電源在超聲波換能器的共振頻率附近進(jìn)行頻率掃描，找到一個(gè)或多個(gè)振動(dòng)系統(tǒng)共振頻率；將超聲波驅(qū)動(dòng)電源輸出的激振頻率設(shè)置為高于所找到的振動(dòng)系統(tǒng)共振頻率的0%-10%的頻率，從而進(jìn)行亞共振激勵(lì)。
[0022]在一個(gè)方面，對(duì)振動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行頻率跟蹤進(jìn)一步包括:實(shí)時(shí)檢測(cè)超聲波驅(qū)動(dòng)電源的電流和電壓，通過調(diào)整激振頻率來保證電流與電壓間的相位差保持不變，從而維持振動(dòng)系統(tǒng)的共振狀態(tài)。
[0023]在一個(gè)方面，對(duì)超聲波驅(qū)動(dòng)電源輸出的激振頻率進(jìn)行調(diào)頻進(jìn)一步包括:在激振頻率的正負(fù)10-500HZ的范圍內(nèi)往復(fù)掃描，掃描速度為每秒1 -1000次。
[0024]在一個(gè)方面，導(dǎo)波桿的長度方向的共振頻率與所選超聲波換能器的共振頻率相同。
[0025]在一個(gè)方面，如果被處理構(gòu)件是一個(gè)，則該被處理構(gòu)件固定連接到導(dǎo)波桿;如果被處理構(gòu)件是多個(gè)，則多個(gè)被處理構(gòu)件固定連接到激振底座，激振底座固定連接到導(dǎo)波桿。
[0026]在一個(gè)方面，激振底座在各個(gè)方向上開有并列的多個(gè)通孔，通過控制孔徑和孔間距來調(diào)節(jié)激振底座的共振頻率的分布。
[0027]在一個(gè)方面，激振底座上設(shè)置有用于固定被處理構(gòu)件的夾緊機(jī)構(gòu)。
[0028]在一個(gè)方面，如果被處理構(gòu)件是一個(gè)，則該被處理構(gòu)件被放置在柔性墊層上;如果被處理構(gòu)件是多個(gè)，則多個(gè)被處理構(gòu)件固定連接到激振底座，激振底座被放置在柔性墊層上。
[0029]本發(fā)明還提供一種超聲波應(yīng)力消除系統(tǒng)，包括:順序連接的超聲波驅(qū)動(dòng)電源、超聲波換能器、導(dǎo)波桿、被處理構(gòu)件，其中，超聲波換能器、導(dǎo)波桿、被處理構(gòu)件組成振動(dòng)系統(tǒng)，其中，超聲波驅(qū)動(dòng)電源調(diào)整自身的輸出頻率，對(duì)振動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行頻率掃描和頻率跟蹤;導(dǎo)波桿固定連接到被處理構(gòu)件。
[0030]本發(fā)明又提供一種超聲波應(yīng)力消除系統(tǒng)，包括:順序連接的超聲波驅(qū)動(dòng)電源、超聲波換能器、導(dǎo)波桿、激振底座、多個(gè)被處理構(gòu)件，其中，超聲波換能器、導(dǎo)波桿、激振底座、多個(gè)被處理構(gòu)件組成振動(dòng)系統(tǒng)，其中，超聲波驅(qū)動(dòng)電源調(diào)整自身的激振頻率，對(duì)振動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行頻率掃描和頻率跟蹤;導(dǎo)波桿固定連接到激振底座，激振底座固定連接到被處理構(gòu)件。
[0031]在一個(gè)方面，激振底座在各個(gè)方向上開有并列的多個(gè)通孔，通過控制孔徑和孔間距來調(diào)節(jié)激振底座的共振頻率的分布。
[0032]在一個(gè)方面，激振底座上設(shè)置有用于固定被處理構(gòu)件的夾緊機(jī)構(gòu)。
[0033]在一個(gè)方面，超聲波驅(qū)動(dòng)電源包括控制器和功率放大器，控制器能夠進(jìn)行頻率自動(dòng)掃描，掃描范圍為超聲波換能器的共振頻率的正負(fù)5kHz。
[0034]在一個(gè)方面，導(dǎo)波桿在徑向上開有多個(gè)用于機(jī)械濾波、防止被處理構(gòu)件中的振動(dòng)反射回超聲波換能器對(duì)超聲波換能器造成損傷的通孔。
[0035]通過本發(fā)明的技術(shù)方案，相比于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了至少如下的優(yōu)點(diǎn):