本實用新型涉及振動時效技術(shù)領(lǐng)域，特指一種多維高頻微觀振動時效系統(tǒng)及方法。

技術(shù)背景

振動時效技術(shù)是機械工程領(lǐng)域中廣泛使用的殘余應(yīng)力消除方法，即對工件施加機械振動載荷，當(dāng)工件內(nèi)部的殘余應(yīng)力與附加的動應(yīng)力之和超過材料的屈服極限時，材料內(nèi)部將會發(fā)生塑性變形，從而使得材料內(nèi)部的殘余應(yīng)力得以釋放。

目前振動時效技術(shù)主要包括低頻振動時效技術(shù)、頻譜諧波振動時效技術(shù)、高頻振動時效技術(shù)以及超聲振動時效技術(shù)，其中低頻振動時效技術(shù)和頻譜諧波振動時效技術(shù)是采用偏心輪式電機作為激振器，通過配置不同質(zhì)量的偏心輪為待處理的構(gòu)件提供不同幅值的離心作用力，即對待處理的構(gòu)件作用了不同幅值的動應(yīng)力，這樣的離心作用力可以分解為兩個正交方向上的動應(yīng)力，所以低頻振動時效技術(shù)和頻譜諧波振動時效技術(shù)的激振方向是二維的，能夠?qū)崿F(xiàn)對工件進行二維振動時效處理，但是這種形式的二維振動時效處理技術(shù)是由激振器本身的特性決定的，因此低頻振動時效技術(shù)和頻譜諧波振動時效技術(shù)并不是真正意義上的多維振動時效技術(shù)。同時低頻振動時效技術(shù)采用偏心輪式電機作為激振器導(dǎo)致其激振頻率通常小于200Hz，這表明低頻振動時效技術(shù)和頻譜諧波振動時效技術(shù)的可選振型非常有限；同時低頻振動時效技術(shù)和頻譜諧波振動時效技術(shù)是通過對構(gòu)件進行整體激振的方式來消除殘余應(yīng)力的，這都導(dǎo)致了低頻振動時效技術(shù)和頻譜諧波振動時效技術(shù)在消除構(gòu)件的局部殘余應(yīng)力或大型復(fù)雜構(gòu)件的殘余應(yīng)力時效果有限。

高頻振動時效技術(shù)和超聲振動時效技術(shù)可以統(tǒng)稱為高頻微觀振動時效技術(shù)，是將激振頻率大于1kHz的高頻振動能量注入到材料內(nèi)部，作用在構(gòu)件上的振動幅值為微米級別，相對于傳統(tǒng)低頻振動時效技術(shù)和頻譜諧波振動時效技術(shù)的大振幅激勵(激振幅值為毫米級別)，可以保護構(gòu)件不受疲勞損傷的危險，適合于消除構(gòu)件的局部殘余應(yīng)力和大型復(fù)雜構(gòu)件的殘余應(yīng)力。然而高頻微觀振動時效技術(shù)的振動方向是軸向振動，屬于單維振動時效技術(shù)。低頻振動時效技術(shù)、頻譜諧波振動時效技術(shù)以及高頻微觀振動時效技術(shù)對構(gòu)件進行振動時效處理時，通常不考慮材料內(nèi)部殘余應(yīng)力的方向而完成激振處理，導(dǎo)致殘余應(yīng)力的消除效果較差。Munsi A.S.M.Y.等人在文獻《Vibratory stress relief-an investigation of the torsional stress effect in welded shafts》中研究發(fā)現(xiàn)對焊接桿件施加扭轉(zhuǎn)振動載荷，可以在作用較小動應(yīng)力的情況下得到較好的時效效果。綜上所述，對待處理的構(gòu)件進行振動時效處理時根據(jù)材料內(nèi)部殘余應(yīng)力的方向選擇適當(dāng)?shù)募ふ穹较?，可以獲得最佳的振動時效效果；在不了解材料內(nèi)部殘余應(yīng)力分布的情況下，采用多維激振是得到較好振動時效效果的有效方法，但是對于多維振動時效技術(shù)的研究卻未曾見到。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了提高振動時效技術(shù)消除工件的局部殘余應(yīng)力和大型復(fù)雜工件的殘余應(yīng)力的效果，本實用新型提出一種多維高頻微觀振動時效系統(tǒng)及方法，所謂“多維高頻微觀振動時效”是指對工件進行多方向的高頻微觀激振，從而達到消除工件各個方向上的殘余應(yīng)力、提高殘余應(yīng)力消除效果的目的。

多維高頻微觀振動時效系統(tǒng)，包括上位機系統(tǒng)、任意波形發(fā)生卡、功率驅(qū)動器、多維高頻激振器、多維傳感器、二次儀表、數(shù)據(jù)采集卡、支撐裝置；多維高頻激振器固定在工件的表面上，工件安裝在具有彈性的支撐裝置上。

上位機系統(tǒng)控制任意波形發(fā)生卡輸出幅值和頻率均獨立且連續(xù)可調(diào)的正弦激振信號；任意波形發(fā)生卡輸出的激振信號通過功率驅(qū)動器輸入到多維高頻激振器，驅(qū)動多維高頻激振器產(chǎn)生多維高頻振動，由此將多維高頻振動能量作用在工件上。

多維傳感器安裝在工件的表面上，并將采集到的工件多維振動信號輸入到二次儀表；二次儀表將輸入的多維振動信號進行處理后，輸入到數(shù)據(jù)采集卡；數(shù)據(jù)采集卡的輸出端與上位機系統(tǒng)相互連接；上位機系統(tǒng)通過用戶界面將獲取的多維振動信號顯示給用戶，用于監(jiān)測工件的多維振動響應(yīng)。

具體來說，多維高頻激振器固定在工件的表面上，對工件進行多維高頻激振，即對工件進行多維高頻微觀振動時效處理。多維傳感器的輸出信號用于表征多維高頻激振器輸出的高頻振動能量，即用于表征作用在工件上的高頻振動能量。上位機系統(tǒng)實時顯示多維傳感器的輸出信號，即上位機系統(tǒng)實時顯示多維高頻激振器輸出的高頻振動能量。對工件進行多維高頻微觀振動時效處理，能夠達到消除工件各個方向上的殘余應(yīng)力、提高殘余應(yīng)力消除效果的目的。

多維高頻激振器采用單向高頻激振器合成，用于產(chǎn)生激振頻率大于1kHz的多維高頻微觀振動。

多維傳感器采用單向測振傳感器合成，用于采集工件的多維振動信號，從而實現(xiàn)監(jiān)測工件的多維振動響應(yīng)的目的。

進一步，數(shù)據(jù)采集卡為多通道高速數(shù)據(jù)采集卡。

進一步，任意波形發(fā)生卡為多通道任意波形發(fā)生卡。

進一步，功率驅(qū)動器為多通道功率驅(qū)動器。

進一步，支撐裝置為具有彈性的支撐裝置。

本實用新型的技術(shù)構(gòu)思是：由上位機系統(tǒng)、任意波形發(fā)生卡、功率驅(qū)動器、多維高頻激振器、多維傳感器、二次儀表以及數(shù)據(jù)采集卡構(gòu)成多維高頻微觀振動時效系統(tǒng)；工件與多維高頻激振器相互固定連接；通過支撐裝置對工件進行支撐，以便多維高頻激振器對工件進行多維高頻微觀振動時效處理。

本實用新型的有益效果是：

1、本實用新型采用的多維高頻激振器產(chǎn)生的高頻振動幅值屬于微米級別，能夠?qū)ぜM行安全的時效處理，可以保護工件不受疲勞損傷的危險。

2、本實用新型中多維高頻激振器的激振位置和激振方向是根據(jù)工件內(nèi)部殘余應(yīng)力的分布狀態(tài)來確定的，能夠?qū)崿F(xiàn)對工件內(nèi)部殘余應(yīng)力進行振動定位和定向的消除，即實現(xiàn)對工件內(nèi)部的殘余應(yīng)力進行精確的定位和定向消除。

3、采用本實用新型提出的多維高頻微觀振動時效系統(tǒng)對工件殘余應(yīng)力峰值所在的局部區(qū)域或者大型復(fù)雜工件的殘余應(yīng)力峰值所在的區(qū)域進行多維高頻微觀振動時效處理，能夠消除工件局部區(qū)域各個方向上的殘余應(yīng)力或者大型復(fù)雜工件各個方向上的殘余應(yīng)力，因而本實用新型提出的多維高頻微觀振動時效系統(tǒng)尤其適合于消除工件的局部殘余應(yīng)力和大型復(fù)雜工件的殘余應(yīng)力。

4、多維高頻微觀振動時效能夠?qū)ぜM行多方向的微觀激振，從而達到消除各個方向上的殘余應(yīng)力、提高殘余應(yīng)力均化效果的目的，即工件各個方向上的殘余應(yīng)力數(shù)值更加接近，這樣有利于提高工件各個方向上的性能。

5、多維高頻微觀振動時效能夠?qū)ぜM行多方向的微觀激振，從而達到消除各個方向上的殘余應(yīng)力、提高殘余應(yīng)力消除效果的目的。

6、多維高頻微觀振動時效系統(tǒng)對工件進行多維高頻微觀振動時效處理的過程由上位機系統(tǒng)進行控制，無需手動操作，減少了工作量，提高了工作的效率。

附圖說明

圖1多維高頻微觀振動時效系統(tǒng)示意圖

圖2 AISI 1045鋼試樣尺寸示意圖

圖3脈沖激光表面輻射示意圖

圖4 AISI 1045鋼試樣多維高頻微觀振動時效處理示意圖

圖5a單維高頻微觀振動時效處理前后的殘余應(yīng)力測試結(jié)果

圖5b多維高頻微觀振動時效處理前后的殘余應(yīng)力測試結(jié)果

具體實施方式

參照附圖，進一步說明本實用新型：

多維高頻微觀振動時效系統(tǒng)，包括上位機系統(tǒng)、任意波形發(fā)生卡、功率驅(qū)動器、多維高頻激振器、多維傳感器、二次儀表、數(shù)據(jù)采集卡、支撐裝置1；多維高頻激振器固定在工件2的表面上，工件2安裝在具有彈性的支撐裝置1上。

上位機系統(tǒng)控制任意波形發(fā)生卡輸出幅值和頻率均獨立且連續(xù)可調(diào)的正弦激振信號；任意波形發(fā)生卡輸出的激振信號通過功率驅(qū)動器輸入到多維高頻激振器，驅(qū)動多維高頻激振器產(chǎn)生多維高頻振動，由此將多維高頻振動能量作用在工件2上。

多維傳感器安裝在工件2的表面上，并將采集到的工件2多維振動信號輸入到二次儀表；二次儀表將輸入的多維振動信號進行處理后，輸入到數(shù)據(jù)采集卡；數(shù)據(jù)采集卡的輸出端與上位機系統(tǒng)相互連接；上位機系統(tǒng)通過用戶界面將獲取的多維振動信號顯示給用戶，用于監(jiān)測工件2的多維振動響應(yīng)。

具體來說，多維高頻激振器固定在工件2的表面上，對工件2進行多維高頻激振，即對工件2進行多維高頻微觀振動時效處理。多維傳感器的輸出信號用于表征多維高頻激振器輸出的高頻振動能量，即用于表征作用在工件2上的高頻振動能量。上位機系統(tǒng)實時顯示多維傳感器的輸出信號，即上位機系統(tǒng)實時顯示多維高頻激振器輸出的高頻振動能量。對工件2進行多維高頻微觀振動時效處理，能夠達到消除工件2各個方向上的殘余應(yīng)力、提高殘余應(yīng)力消除效果的目的。

多維高頻激振器采用單向高頻激振器合成，用于產(chǎn)生激振頻率大于1kHz的多維高頻微觀振動。

多維傳感器采用單向測振傳感器合成，用于采集工件2的多維振動信號，從而實現(xiàn)監(jiān)測工件2的多維振動響應(yīng)的目的。

進一步，數(shù)據(jù)采集卡為多通道高速數(shù)據(jù)采集卡。

進一步，任意波形發(fā)生卡為多通道任意波形發(fā)生卡。

進一步，功率驅(qū)動器為多通道功率驅(qū)動器。

進一步，支撐裝置1為具有彈性的支撐裝置1。

使用多維高頻微觀振動時效系統(tǒng)消除工件2殘余應(yīng)力的方法包括以下步驟：

(1)通過X射線衍射法獲取工件2表面的殘余應(yīng)力分布狀態(tài)，確定峰值殘余應(yīng)力在工件2的具體位置，以及主應(yīng)力的方向。

(2)在工件2的殘余應(yīng)力峰值處安裝多維高頻激振器，多維高頻激振器的激振方向與主應(yīng)力的方向保持一致。

(3)在工件2的表面安裝多維傳感器，多維傳感器的測振方向與主應(yīng)力的方向保持一致。

(4)通過支撐裝置1對工件2進行支撐，以便多維高頻激振器對工件2進行激振；接通信號連線，接通電源。

(5)上位機系統(tǒng)控制任意波形發(fā)生卡對工件2進行掃頻振動，從而自動確定任意波形發(fā)生卡輸出的多維高頻微觀振動時效的激振頻率f_i(i＝1，…,N,N為正整數(shù)，并且N＝3)。

(6)緩慢調(diào)節(jié)功率驅(qū)動器的增益旋鈕使得功率驅(qū)動器輸出恒定的電流I_i(i＝1,…,N,N為正整數(shù)，并且N＝3)，驅(qū)動多維高頻激振器對工件進行多維高頻微觀振動時效處理，直至上位機系統(tǒng)中顯示的多維傳感器采集回來的多維振動信號的幅值穩(wěn)定為止。

所述信號連線包括上位機系統(tǒng)與任意波形發(fā)生卡之間的信號連線；任意波形發(fā)生卡與功率驅(qū)動器之間的信號連線；功率驅(qū)動器與多維高頻激振器之間的信號連線；多維傳感器與二次儀表之間的信號連線；二次儀表與數(shù)據(jù)采集卡之間的信號連線；數(shù)據(jù)采集卡與上位機系統(tǒng)之間的信號連線；所述電源包括上位機系統(tǒng)、任意波形發(fā)生卡、功率驅(qū)動器、多維高頻激振器、二次儀表和數(shù)據(jù)采集卡。

如圖1多維高頻微觀振動時效系統(tǒng)示意圖所示，在步驟(2)中，多維高頻激振器的激振方向與主應(yīng)力的方向保持一致指的是：x軸向的高頻激振器的激振方向F_x與第一主應(yīng)力的方向保持一致，y軸向的高頻激振器的激振方向F_y與第二主應(yīng)力的方向保持一致，z軸向的高頻激振器的激振方向F_z與第三主應(yīng)力的方向保持一致。

如圖1多維高頻微觀振動時效系統(tǒng)示意圖所示，在步驟(3)中，多維傳感器的測振方向與主應(yīng)力的方向保持一致指的是：測試x軸向振動信號的傳感器(測振方向為a_x)與第一主應(yīng)力的方向保持一致，測試y軸向振動信號的傳感器(測振方向為a_y)與第二主應(yīng)力的方向保持一致，測試z軸向振動信號的傳感器(測振方向為a_z)與第三主應(yīng)力的方向保持一致。

在步驟(5)中，多維高頻微觀振動時效的激振頻率f_i(i＝1,…,N,N為正整數(shù)，并且N＝3)主要包括：激振頻率f₁為x軸向高頻激振器的激振頻率，激振頻率f₂為y軸向高頻激振器的激振頻率，激振頻率f₃為z軸向高頻激振器的激振頻率。

在步驟(6)中，電流I_i(i＝1,…,N，N為正整數(shù)，并且N＝3)主要包括：電流I₁為輸入x軸向高頻激振器的電流，電流I₂為輸入y軸向高頻激振器的電流，電流I₃為輸入z軸向高頻激振器的電流。

對圖2中的AISI 1045鋼試樣分別進行單維高頻微觀振動消除殘余應(yīng)力的處理和多維高頻微觀振動消除殘余應(yīng)力的處理。該試樣的長度為300mm，寬度為40mm，厚度為6mm。為了在試樣的表層產(chǎn)生初始殘余應(yīng)力，本實用新型中采用圖3所示的脈沖激光表面輻射工藝對試樣表面進行脈沖激光表面輻射處理。在脈沖激光輻射的區(qū)域，試樣表面溫度快速升高，材料表面發(fā)生微觀組織的轉(zhuǎn)變，即試樣表面產(chǎn)生圖3所示的熱損傷區(qū)域，在該熱損傷區(qū)域內(nèi)材料表層產(chǎn)生了較大的拉伸殘余應(yīng)力，經(jīng)過X射線衍射法分析發(fā)現(xiàn)試樣x軸向和y軸向的殘余應(yīng)力最大，結(jié)果見圖5。

若采用傳統(tǒng)的高頻微觀振動時效工藝對試樣進行處理，僅僅作用圖4所示的z軸向的高頻微觀振動，即對試樣進行單維高頻微觀振動時效處理，高頻微觀振動時效的條件為：激振頻率為20kHz，高頻微觀振動的功率為800W，高頻微觀振動的時間為5min，此時試樣單維高頻微觀振動時效處理前后的殘余應(yīng)力結(jié)果見圖5a。采用本實用新型中的多維高頻微觀振動時效工藝對試樣進行處理，對試樣作用圖4所示的x軸向的高頻微觀振動，y軸向的高頻微觀振動和z軸向的高頻微觀振動，三個方向上的高頻微觀振動時效的條件為：激振頻率為20kHz，高頻微觀振動的功率為800W，高頻微觀振動的時間為5min，此時試樣多維高頻微觀振動時效處理前后的殘余應(yīng)力結(jié)果見圖5b。

通過圖5a和圖5b的殘余應(yīng)力測試結(jié)果表明，多維高頻微觀振動時效能夠提高殘余應(yīng)力的消除效果。對比圖5a和圖5b殘余應(yīng)力測試結(jié)果表明，試樣經(jīng)過多維高頻微觀振動時效處理后，其x軸向和y軸向的殘余應(yīng)力數(shù)值更加接近，表明多維高頻微觀振動時效具有較好的殘余應(yīng)力均化效果，有利于提高試樣各個方向上的性能。

說明書實施例所述的內(nèi)容僅僅是對實用新型構(gòu)思的實現(xiàn)形式的列舉，本實用新型的保護范圍不應(yīng)當(dāng)被視為僅限于實施例所陳述的具體形式，本實用新型的保護范圍也及于本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本實用新型構(gòu)思所能夠想到的等同技術(shù)手段。