振动时效设备及相关技术研究
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摘要
振动时效技术(Vibratory Stress Relief)是利用振动消除残余应力的技术手段,文章首先分析了研究振动时效技术的现实意义,指出振动时效技术比传统热时效与自然时效的极大优势所在,阐述了国内外振动时效技术的研究现状,并提出了振动时效技术需要进一步解决的问题。
振动时效技术的实质是要消除工件内部的残余应力,提高工件的松弛刚度和尺寸稳定性,文章从残余应力的产生机理出发,建立残余应力的力学模型,运用微观力学的方法分析位错及其塞积群的应力场,研究外力作用下塞积的开通与残余应力释放的关系,得出了释放内部残余应力的宏观激振动应力条件,并分析了振动时效对金属构件疲劳寿命的影响以及振动时效技术的适用性。
振动时效工艺的关键技术在于工艺参数的选择和时效效果的评定。文章分析了振动时效过程中结构动态参数的变化,给出了激振力、激振频率和激振时间——三个最重要的工艺参数的最佳选择原则,并对参数曲线评定振动时效效果的方法做了详细的分析。
针对振动时效技术所要完成的功能,文章指出了振动时效设备的设计要点,并对振动时效控制器做了详细的电路与程序设计分析,并利用Protel软件绘制了相关功能模块的电路原理图,使用虚拟仿真软件KeilC51μVision2和Proteus进行了模拟仿真。最后使用研华公司生产的PCL-818L数据采集卡结合虚拟仪器设计软件LabVIEW设计了一个振动时效控制系统。
最后对本课题做了总结和分析,指出了课题的不足之处和未完成的工作,提出了以后在这些方面深入研究的一些想法和建议。
Vibratory stress relief is a technology method to eliminate residual stress with vibration. This paper analyzes the practical significance of VSR (Vibratory Stress Relief), pointing out the advantage of VSR than the traditional methods, such as heat treating and natural aging. The article also describes current research findings on VSR technology at home and abroad, pointing out the some pending problems of VSR, which will be researched in this paper.
VSR technology, in essence, is to eliminate the work piece internal residual stress, increase relaxation stiffness and dimensional stability of the work piece, so the thesis is started with the conception and production mechanism of residual stress, establishing residual stress mechanical model. The paper obtained dynamic stress condition of making the internal residual stress gain macroscopic release by using the microcosmic mechanics method to analyze the dislocation and stress field of its crowded group and studying the relation between the elimination of crowded group and stress release under the external force. The article also analyzes the influence on metal components' fatigue endurance after VSR and the applicability of VSR technology.
The most important technology of VSR process is the choice of technological parameter and evaluation of effect with VSR. Change of structure dynamic parameters is analyzed under VSR processing. The article also describes the most optimum choice principle of three key parameters in VSR process—vibration force、vibration frequency and vibration duration, and the parameter curve evaluating method is discussed deeply in this thesis.
According to the essential functions of VSR equipment, the paper indicates the design point of VSR equipment, and designs detailed circuit and programs of the VSR control casing. Schematic diagrams of correlative function modules has been drawn in Protel and simulated with KeilC51 and Proteus. A control system of VSR has been designed with PCL-818L in the LabVIEW environment.
In the end, the deficiency of this issue and immature work has been mentioned; some standpoints and suggestions have been given in the future research.
振动时效技术的实质是要消除工件内部的残余应力,提高工件的松弛刚度和尺寸稳定性,文章从残余应力的产生机理出发,建立残余应力的力学模型,运用微观力学的方法分析位错及其塞积群的应力场,研究外力作用下塞积的开通与残余应力释放的关系,得出了释放内部残余应力的宏观激振动应力条件,并分析了振动时效对金属构件疲劳寿命的影响以及振动时效技术的适用性。
振动时效工艺的关键技术在于工艺参数的选择和时效效果的评定。文章分析了振动时效过程中结构动态参数的变化,给出了激振力、激振频率和激振时间——三个最重要的工艺参数的最佳选择原则,并对参数曲线评定振动时效效果的方法做了详细的分析。
针对振动时效技术所要完成的功能,文章指出了振动时效设备的设计要点,并对振动时效控制器做了详细的电路与程序设计分析,并利用Protel软件绘制了相关功能模块的电路原理图,使用虚拟仿真软件KeilC51μVision2和Proteus进行了模拟仿真。最后使用研华公司生产的PCL-818L数据采集卡结合虚拟仪器设计软件LabVIEW设计了一个振动时效控制系统。
最后对本课题做了总结和分析,指出了课题的不足之处和未完成的工作,提出了以后在这些方面深入研究的一些想法和建议。
Vibratory stress relief is a technology method to eliminate residual stress with vibration. This paper analyzes the practical significance of VSR (Vibratory Stress Relief), pointing out the advantage of VSR than the traditional methods, such as heat treating and natural aging. The article also describes current research findings on VSR technology at home and abroad, pointing out the some pending problems of VSR, which will be researched in this paper.
VSR technology, in essence, is to eliminate the work piece internal residual stress, increase relaxation stiffness and dimensional stability of the work piece, so the thesis is started with the conception and production mechanism of residual stress, establishing residual stress mechanical model. The paper obtained dynamic stress condition of making the internal residual stress gain macroscopic release by using the microcosmic mechanics method to analyze the dislocation and stress field of its crowded group and studying the relation between the elimination of crowded group and stress release under the external force. The article also analyzes the influence on metal components' fatigue endurance after VSR and the applicability of VSR technology.
The most important technology of VSR process is the choice of technological parameter and evaluation of effect with VSR. Change of structure dynamic parameters is analyzed under VSR processing. The article also describes the most optimum choice principle of three key parameters in VSR process—vibration force、vibration frequency and vibration duration, and the parameter curve evaluating method is discussed deeply in this thesis.
According to the essential functions of VSR equipment, the paper indicates the design point of VSR equipment, and designs detailed circuit and programs of the VSR control casing. Schematic diagrams of correlative function modules has been drawn in Protel and simulated with KeilC51 and Proteus. A control system of VSR has been designed with PCL-818L in the LabVIEW environment.
In the end, the deficiency of this issue and immature work has been mentioned; some standpoints and suggestions have been given in the future research.
引文
1.饶德林,陈立功,倪纯珍.振动时效技术的研究状况[J],焊接,2004,11：5-7
2.王珊燕,潘文峰,赵宪军.振动时效技术及发展[J],现代机械,2003,1：36-37
3.马振宇.振动时效机理和装置的研究开发(D),浙江：浙江大学,2003
4.房德馨.金属的残余应力与振动处理技术[M],大连理工出版社,1989
5.王炜.振动时效的理论分析及其应用[J],机械工程与自动化,2004,1：41-45
6.刘杰,李永强,李允公,闻邦春.振动时效机理的动力学研究[J],振动利用技术的若干研究与进展,2004,296-300
7.孙晓燕.振动时效机理分析与试验研究(D),沈阳：沈阳工业大学,2006
8.张建军,段辉.振动时效机理及效果的评定[J],中国铸造装备与技术,2005,4：44-47
9.马振宇,芦亚萍,贾叔仕.振动时效微观机理研究[J],机械工程师,2003,2：30-32
10.高葛,张锁怀.对振动时效三个主要参数的探讨[J],工艺与工艺装备,2004,5：58-60
11.刘峰,朱世根,沈剑.振动时效的机理工艺与设备[J],现代制造工程,2003,1：66-67
12.毛建军.振动时效工艺简介及应用[J],华通技术,2002,1:31-32
13.茹世祥.振动时效技术与工艺研究[J],山西建筑,2008,28(5)：150-151
14.陈家权,沈炜良,童思艺.消除缸体铸造残余应力的时效工艺研究[J],中国铸造装备与技术,2005,2：32-34
15.聂福全,石敏.振动时效工艺的研究[J],山东交通学院学报,2002,10(3)：25-28
16.高葛,张锁环.基于微塑性变形的振动时效激振力的选择[J],工艺装备,2004,31(9)：51-57
17.陈永岭,尹忠俊.振动时效动应力参数选取的探讨[J],机械设计与制造,2006,4：102-103
18.徐秀娟,高葛.振动时效激振力的选择[J],中国制造信息化,2004,33(9)：122-123
19.芦亚萍.振动时效判据分析[J],组合机床与自动化加工技术,2001,4：21-24
20.楚建营,陈立功,倪纯珍.振动时效效果评定的几种方法比较[J],焊接学报,2003,24(1)：57-60
21.龚月霞,付建科,游敏.振动时效效果评定方法探讨[J],节能,2004,4：14-17
22.时明朗.机床铸件的振动时效[J],机械工艺师,2001,5：31-32
23.盛继生,戴素江.振动时效法消除应力的应用研究[J],金华职业技术学院学报,2005,5(3)：13-15
24.刘文显.振动时效与热时效应力测试初探[J],机械研究与应用,1999,12(1)：48-49
25.张优云,陈华玲.现代机械测试技术[M],北京：科学出版社,2005,129-170
26.范国伟.微机控制时效处理装置的改进[J],矿业快报,2003,410：46-47
27.刘桂君.智能型振动时效控制装置的研究[J],烟台大学学报,1996,3：57-60
28.王建武.高频激振时效技术及装置的实验研究[D],浙江：浙江大学,2003
29.浦龙梅,李泓.单片机控制的直流PWM调速装置的研究[J],变频器世界,2006,3：48-50
30.任耀新.高频振动时效装置的研究[D],浙江：浙江大学,2003
31.陈锟,危立辉.基于单片机的直流电机调速器控制电路[J],中南民族大学学报,2003,22(3)：43-45
32.贾玉瑛,王臣.基于单片机控制的PWM直流调速系统[J],包头钢铁学院学报,2005,24(4)：334-337
33.李维军,韩小刚,李晋.基于单片机用软件实现直流电机PWM调速系统[J],机电一体化,2004,5：49-51
34.曲和平.用单片机实现振动时效控制[J],自动化与仪表,2001,16(1)：59-61
35.胡庆丰,顾伟生,吴贺龙,朱世根,金属工件的振动时效技术[J],上海工程技术大学学报,2007,21(1)：34-37
36.李强,彭京启.振动时效消除构件残余应力的理论和方法[J],华北工学院学报,2001,22(3)：186-189
37.张加权.振动时效技术的应用研究[J],制造技术与实践,2007,3：54-55
38.马忠梅,籍顺心,马凯,马岩.单片机的C语言应用程序设计[M],北京：北京航空航天大学出版社,2007,41-123
39.张义和,陈敌北等编著.例说8051[M],北京：人民邮电出版社,2006,20-171
40.陈小忠,黄宁,赵小侠.单片机接口技术实用子程序[M],北京：人民邮电出版社,2005,128-446
41.何立民,周立功等编著.单片机实验与实践教程(三)[M],北京：北京航空航天大学出版社,2006
42.覃春芳.基于C语言的直流电机调速系统[J],广西民族学院学报,2005,11(1)：82-85
43.罗小丽,范桂林.直流电机调速系统设计[M],船电技术,2006,26(6)：16-18
44.周润景,袁伟亭,景晓松.Proteus在MCS-51&ARM7系统中的应用百例[M],北京：电子工业出版社,2006
45.林志琦,郎建军等编著.基于Proteus的单片机可视化软硬件仿真[M],北京：北京航空航天大学出版社,2006
46.李维是,郭强.液晶显示器件应用技术[M],北京：北京邮电学院出版社,1993
47.李维是,曹京伟等.EPSON单片系列液晶显示器及其应用[M],北京航空航天大学出版社,2003
48.清华蓬远公司.点阵图形液晶显示模块SED1335控制器使用手册[Z],北京：清华蓬远公司,2000
49.广州致远电子有限公司.内藏T6963C控制器点阵图形液晶显示模块使用手册[M],广州：广州致远电子,2007
50.邓燕妮,常小科,刘辉琴等.基于51单片机控制的液晶显示技术[J],工业控制计算机,2007,20(3)：53-56
51.侯国屏,王坤,叶齐鑫编著.LabVIEW7.1编程与虚拟仪器设计[M],清华大学出版社,2005
52.宋爱国,刘文波,王爱民主编.测试信号分析与处理[M],机械工业出版社,2005
53.王云专,王润秋主编.信号分析与处理[M],石油工业出版社,2006
54.朱奕丹,余文娘.单片机控制的点阵图形液晶显示模块的开发[J],仪表技术,2007,3：13-15
55. Delin Rao, Jingguo Ge, Ligong Chen. Vibratory Stress Relief in Manufacturing the Rails of a Maglev System [J], Journal of Manufacturing Science and Engineering,2004,126 (2):388-391.
56. Claxton, Lupton. Vibratory Stress Relieving of Welded Fabrications [J], Welding & Metal Fabrication, 1991,12:541-544.
57. Weymueller. Stress Relieve Early to Avoid Trouble Later [J], Welding Design & Fabrication,1983,56 (5):31-36.
58. Gnirss. Vibration and vibratory stress relief:History development, theory and practical application [J], Welding in the world,1988,26 (11):284-291.
59. Claxton. Vibratory Stress Relieving-an effective alternative to thermal treatment for component stabilization [J], Heat treatment of metals,1991,10 (2):53-59.
60. G. August. Subresonant vibrations relieve residual stress [J], Metal Progress,1985,7(9):51-55.
61. Klauba. Precise control of vibration stress relief [J], Tooling & Production,1983,49 (8):64-66.
2.王珊燕,潘文峰,赵宪军.振动时效技术及发展[J],现代机械,2003,1：36-37
3.马振宇.振动时效机理和装置的研究开发(D),浙江：浙江大学,2003
4.房德馨.金属的残余应力与振动处理技术[M],大连理工出版社,1989
5.王炜.振动时效的理论分析及其应用[J],机械工程与自动化,2004,1：41-45
6.刘杰,李永强,李允公,闻邦春.振动时效机理的动力学研究[J],振动利用技术的若干研究与进展,2004,296-300
7.孙晓燕.振动时效机理分析与试验研究(D),沈阳：沈阳工业大学,2006
8.张建军,段辉.振动时效机理及效果的评定[J],中国铸造装备与技术,2005,4：44-47
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10.高葛,张锁怀.对振动时效三个主要参数的探讨[J],工艺与工艺装备,2004,5：58-60
11.刘峰,朱世根,沈剑.振动时效的机理工艺与设备[J],现代制造工程,2003,1：66-67
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14.陈家权,沈炜良,童思艺.消除缸体铸造残余应力的时效工艺研究[J],中国铸造装备与技术,2005,2：32-34
15.聂福全,石敏.振动时效工艺的研究[J],山东交通学院学报,2002,10(3)：25-28
16.高葛,张锁环.基于微塑性变形的振动时效激振力的选择[J],工艺装备,2004,31(9)：51-57
17.陈永岭,尹忠俊.振动时效动应力参数选取的探讨[J],机械设计与制造,2006,4：102-103
18.徐秀娟,高葛.振动时效激振力的选择[J],中国制造信息化,2004,33(9)：122-123
19.芦亚萍.振动时效判据分析[J],组合机床与自动化加工技术,2001,4：21-24
20.楚建营,陈立功,倪纯珍.振动时效效果评定的几种方法比较[J],焊接学报,2003,24(1)：57-60
21.龚月霞,付建科,游敏.振动时效效果评定方法探讨[J],节能,2004,4：14-17
22.时明朗.机床铸件的振动时效[J],机械工艺师,2001,5：31-32
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35.胡庆丰,顾伟生,吴贺龙,朱世根,金属工件的振动时效技术[J],上海工程技术大学学报,2007,21(1)：34-37
36.李强,彭京启.振动时效消除构件残余应力的理论和方法[J],华北工学院学报,2001,22(3)：186-189
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38.马忠梅,籍顺心,马凯,马岩.单片机的C语言应用程序设计[M],北京：北京航空航天大学出版社,2007,41-123
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40.陈小忠,黄宁,赵小侠.单片机接口技术实用子程序[M],北京：人民邮电出版社,2005,128-446
41.何立民,周立功等编著.单片机实验与实践教程(三)[M],北京：北京航空航天大学出版社,2006
42.覃春芳.基于C语言的直流电机调速系统[J],广西民族学院学报,2005,11(1)：82-85
43.罗小丽,范桂林.直流电机调速系统设计[M],船电技术,2006,26(6)：16-18
44.周润景,袁伟亭,景晓松.Proteus在MCS-51&ARM7系统中的应用百例[M],北京：电子工业出版社,2006
45.林志琦,郎建军等编著.基于Proteus的单片机可视化软硬件仿真[M],北京：北京航空航天大学出版社,2006
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47.李维是,曹京伟等.EPSON单片系列液晶显示器及其应用[M],北京航空航天大学出版社,2003
48.清华蓬远公司.点阵图形液晶显示模块SED1335控制器使用手册[Z],北京：清华蓬远公司,2000
49.广州致远电子有限公司.内藏T6963C控制器点阵图形液晶显示模块使用手册[M],广州：广州致远电子,2007
50.邓燕妮,常小科,刘辉琴等.基于51单片机控制的液晶显示技术[J],工业控制计算机,2007,20(3)：53-56
51.侯国屏,王坤,叶齐鑫编著.LabVIEW7.1编程与虚拟仪器设计[M],清华大学出版社,2005
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53.王云专,王润秋主编.信号分析与处理[M],石油工业出版社,2006
54.朱奕丹,余文娘.单片机控制的点阵图形液晶显示模块的开发[J],仪表技术,2007,3：13-15
55. Delin Rao, Jingguo Ge, Ligong Chen. Vibratory Stress Relief in Manufacturing the Rails of a Maglev System [J], Journal of Manufacturing Science and Engineering,2004,126 (2):388-391.
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