大型薄壁零件制造过程残余应力释放工艺装置及释放方法

摘要

本发明公开了一种飞机大型薄壁零件制造过程的残余应力释放工艺装置以及释放方法，涉及航空航天构件制造领域，包括底座平台、安装支架、支架定位块、工件支撑定位块，夹紧装置、磁力振动装置，实现对飞机大型薄壁零件内部残余应力的释放。通过释放薄壁件内部残余应力减小其加工变形，提高薄壁件的外形精度和加工质量，从而提高装配精度和效率，缩短了工件的质量检验和装配周期，提高了装配效率及产品质量。本发明通过上位机控制磁力振动装置，实现对每个振动位置的振动频率、振动方向和振动力大小的调节，并且磁力振动装置中主动件与被动件无直接接触，二者依靠磁力进行传导，具有振动平稳和过载保护的特性，以避免由于振动过度造成的薄壁件损伤。

说明书

技术领域

本发明涉及航空航天构件制造领域，特别是一种飞机大型薄壁零件制造过程的残 余应力智能释放工装及应力释放方法。

背景技术

飞机机翼构件的形貌及其装配应力直接影响了飞机的可靠性和安全性，因此需要 对其加工制造过程进行严格地质量控制。其中，飞机大型薄壁零件在毛坯制备、淬火、 铣削加工等过程中会产生初始残余应力分布场，并产生初始变形。将具有初始变形的 机翼薄壁件与其他零件进行装配后，残余应力场将发生变化并保留在构件中，影响产 品的服役性能，因此，在构件机械加工完成后，通过释放构件内部的残余应力来减小 构件的初始变形和装配应力，有益于飞机的疲劳强度和寿命的提高。

目前，传统的金属构件残余应力释放方法有自然时效、热处理时效、敲击时效、 振动时效等。自然时效降低的残余应力不大，且生产周期长，占用场地大，不易管理， 不能及时发现构件内的缺陷，已逐渐被淘汰。热时效工艺要求严格，保温时间过长， 会引起石墨化，构件强度降低。升温速度过快，构件在升温中薄壁处升温速度比厚壁 处快的多，构件各部分的温差急剧增大，会造成附加温度应力。降温不当，会使时效 效果大为降低，甚至产生与原残余应力相同的温度应力，并残留在构件中，从而破坏 了已取得的热时效效果。锤击时效主要用于焊接残余应力释放过程，由于锤击的不规 范，锤击力的大小、频率不可控，因此效果难以保证。振动时效是在激振器的周期性 外力(激振力)的作用下，使工件自身产生共振，进而使其内部歪曲的晶格，产生滑 移而恢复平衡，释放内部的残余应力，使其尺寸稳定，在以上几种应力释放方法中效 果较好。但传统振动时效的缺陷是振动力、振动频率以及振动的方向不可调，无法很 好的应用于变截面、变厚度以及带有孔特征的工件。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种大型薄壁零件制造过程残余应力释放工 艺装置及释放方法，消除传统振动时效的缺陷。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明提供了一种飞机大型薄壁零件制造过程的残余应 力智能释放工装，并以期通过此工装在不损伤薄壁件结构的前提下实现对薄壁件内部 残余应力的释放；实现薄壁件在飞机装配中的低应力装配。

本发明提供一种飞机大型薄壁零件制造过程的残余应力智能释放工装，工装特征 在于：包括底座平台、安装支架、支架定位块、工件支撑定位块，夹紧装置、磁力振 动装置。所述底座平台为矩形结构，用于组件在平台上的安装；定义所述底座平台的 长度方向为纵向，宽度方向为横向，垂直于底座平台的方向为竖向；在所述底座平台 上设置有有横向和纵向支架定位块，并且沿平台纵向设置有多个夹紧装置。

优选地，所述支架定位块安装于底座平台上，可分别沿横向和纵向滑动，根据安 装支架所需放置的位置进行调整，起到对安装支架进行空间定位的作用。

优选地，所述横向和纵向定位块通过磁力吸附在底座平台上，底座平台上设计有 刻度，定位块可以在平台上进行位置调整，调整到合适位置时开启磁力开关，使其吸 附在平台上即可。

优选地，所述安装支架在底座平台上完成定位后，固定在底座平台上，用于薄壁 零件和磁力振动装置的安装。

优选地，所述工件支撑定位块设置在安装支架内部底面，可依靠磁力吸附在底面， 定位块高度可以调节，起到对薄壁零件的多点支撑和定位作用，并且可以辅助夹紧装 置，对工件进行夹紧。

优选地，所述夹紧装置固定在底座平台上，沿纵向分布多个，由固定支座、支架 和肘夹构成，用于薄壁件在工装上的夹紧。

优选地，所述固定支座固定于底座平台上，支架可通过螺栓螺母和支座连接，肘 夹安装于支架上，用来实现对薄壁零件边缘处的夹紧。

优选地，所述磁力振动装置由电机、齿轮、齿条、夹紧机构组成。夹紧机构固定 在安装支架上，电机在夹紧机构上可以沿直线移动，调整好安装位置后通过夹紧机构 将电机固定住即可，齿轮由电机带动旋转，旋转过程中提供给齿条侧端面一个循环不 断的动载荷，传递到薄壁件上，便可使薄壁件产生振动。

优选地，电机和齿轮同轴安装，驱动齿轮旋转，齿轮和齿条均为永磁材料制成， 齿条的侧面贴紧薄壁件背面，齿轮和齿条为非接触式的，二者通过永磁材料产生的磁 力进行相互作用，齿轮转动时由于磁力作用对齿条形成推力，该推力会随着齿轮的转 动呈现有规律的变化。齿轮和齿条上的齿随着齿轮的转动有一个不断接近和远离的过 程，这表现在相互作用力上，就是齿轮对齿条的推力先随着齿的接近不断增大，当达 到极限位置时推力也达到峰值，但当齿轮转过这一极限位置时，齿轮和齿条上的齿相 互远离，齿条上所受到的推力开始不断减小。由于薄壁件背面和齿条侧面贴紧，且齿 条位置固定，故齿条受到的推力可以几乎无损失的作用到薄壁件的背面，这样的动载 荷便会使薄壁件产生振动，一方面起到释放薄壁件内部残余应力的作用，另一方面由 于齿轮齿条非接触，故这种动载荷不会对薄壁件产生过大冲击，起到过载保护的作用。

优选地，所述齿条具有双面齿，两个面上的齿相互垂直，在齿条的两侧均设置了 电机和齿轮，齿条两面齿的不同分布，导致磁力传导时传递到薄壁件上的振动力有横 向和纵向两种方向，这样在实际使用时，可通过上位机实时控制两个电机的启停，从 而控制薄壁件不同位置处的振动方向。

优选地，所述磁力振动装置对薄壁件产生的振动力的大小和振动的频率可以分别 通过调节齿轮齿条之间的最小距离和电机的转速来调节和控制，对于不同的位置，达 到最佳振动效果的振动力大小和振动频率是不同的，这些均可以针对每一个振动位置 通过上位机进行振动装置相应参数的独立调节。

优选地，所述磁力振动装置为阵列式分布，分别在薄壁件横向和竖向的不同位置 形成振动源，进行多点振动，更加有利于薄壁件残余应力的释放。

优选地，所述磁力振动装置、夹紧装置都设有锁紧机构。

优选地，所述磁力振动装置上的齿轮齿条为非接触式，完全依靠磁力的相互作用， 因而具有振动平稳的特性。

优选地，所述底座平台和安装支架的尺寸由所需放置的薄壁件尺寸所决定。

优选地，所述支架定位块、夹紧装置以及磁力振动装置等的数目由薄壁件的尺寸 决定，磁力振动装置呈阵列式分布。

本发明还提供了应用飞机大型薄壁零件制造过程的残余应力智能释放工装的应力 释放方法，残余应力释放过程包括如下步骤：

第一步：对所述薄壁件的残余应力进行检测，获取薄壁件内部的初始残余应力；

第二步：对薄壁件在安装支架上进行多点定位和安装，定位安装完成后使用夹紧 装置夹紧工件；

第三步：将齿条侧面贴紧在薄壁件背面，调节齿轮和齿条的最小间隙值，将磁力 振动装置安装在安装支架的相应位置，通过上位机设置好电机的转速，按下对应电机 的启动开关，驱动齿轮转动，使其对薄壁件产生峰值稳定的动压力，从而通过振动实 现对薄壁件内部残余应力的释放操作，不断调整齿轮齿条之间的最小间距以及电机的 转速，直到达到释放残余应力的最佳振动幅度和频率，通过控制每个齿条两侧电机的 启停，可以实现薄壁件在该位置振动方向的改变。

第四步：在完成一段时间的振动操作后，取下薄壁件，对其再一次进行内部残余 应力检测，得到检测数据并与第一步得到的初始残余应力值进行对比，如果数据没有 明显改善，则表示薄壁件内部残余应力释放效果不理想，返回第三步重新操作，经过 多次振动后仍无明显变化的，则完成检测，输出不合格品；如果数值相比于第一步有 了明显减小，则检测完成，说明残余应力已经得到释放，进入第五步；

第五步：输出合格品。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明通过释放薄壁件内部残余应力减小其加工变形，提高薄壁件的外形精度和 加工质量，从而提高装配精度和效率，缩短了工件的质量检验和装配周期，节约了成 本，提高了装配效率及产品质量；采用磁力振动装置完成对薄壁件内部残余应力的释 放，利用了磁力振动主动件与被动件无刚性连接，具有振动平稳、过载保护的特性， 以避免由于振动力过大造成的薄壁件损伤；本发明具有操作简单，可以快速完成薄壁 件在工装上的装夹及其内部残余应力释放过程的特点。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以 充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、 目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明装置的立体结构示意图；

图2为本发明的安装支架结构示意图；

图3为本发明装置去除安装支架后的整体效果图；

图4为本发明的夹紧装置结构示意图；

图5为本发明的磁力振动器结构示意图；

图6为本发明的薄壁件定位及装配示意图；

图7为本发明的残余应力释放的流程图；

图中:1为整体工装,2为底座平台,3为安装支架，4为支架定位块,5为夹紧装 置,51为底部支座,52为转动支架,53为连接板,54为肘夹,6为磁力振动装置，61为 夹紧装置，62为电机，63为齿轮，64为齿条，7为薄壁零件-飞机壁板，8为工件支 撑定位块。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术 人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普 通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些 都属于本发明的保护范围。

参见图1和图6所示，工装1的底座平台2为矩形结构，定义底座平台2的宽度 方向为迪卡尔坐标系的X方向，长度方向为Y方向，垂直底座平台2的垂直方向为Z 方向。将X方向定义为横向，Y方向定义为纵向，Z方向定义为竖向，底座平台2以及 安装支架3的尺寸由所装配的薄壁件7的尺寸所决定，本实施例中，如图3所示，薄 壁件长约1.2米，宽约1米，将底座平台设计为2×1.6米。在底座平台2上设置有支 架定位块4，在底座平台2上定位安装支架3的位置。沿纵向设置有夹紧装置5，还分 布有若干磁力振动装置6，具体数目由薄壁件7的尺寸决定，本实施例中夹紧装置设 置了5个，分布在底座平台2沿纵向的两侧，磁力振动装置6分布在安装支架3上， 为3×3的阵列式分布，如图2所示。支架定位块4安装于底座平台2上，底座平台2 上沿横向和纵向刻有刻度，定位块可根据刻度线进行位置调整。工件支撑定位快8依 靠磁力吸附在安装支架3的底部，可进行横向和纵向调整，用于定位、支撑薄壁件7， 并且可以辅助夹紧装置对薄壁件7进行定位后的夹紧操作。如图4所示，夹紧装置5 固定在底座平台2上，沿纵向分布多个，由底部支座51、转动支架52、连接板53和 肘夹54构成，底部支座51固定于底座平台2上，转动支架52通过螺栓螺母和支座 51连接，将支架51调至竖直位置后固定，再将肘夹54安装于连接板53上，用于实 现对薄壁件7的夹紧操作。如图5所示，磁力振动装置6由夹紧装置61、电机62、齿 轮63、齿条64组成。夹紧装置61安装在安装支架3上，电机62在夹紧装置61上可 以沿直线移动，调整好安装位置后通过夹紧装置61将电机62固定住即可，齿轮63 由电机62带动旋转，旋转过程中提供给齿条64侧端面一个循环不断的动载荷，传递 到薄壁件7上，便可使薄壁件7产生振动，齿条64具有双面齿，两个面上的齿相互垂 直，在齿条65的两侧均设置了电机62和齿轮63，齿条64两面齿的不同分布，导致 磁力传导时传递到薄壁件7上的振动力有竖向和纵向两种方向，这样在实际使用时， 可通过上位机实时控制两个电机62的启停，从而控制薄壁件7不同位置处的振动方向。 磁力振动装置6振动的幅度和频率可以分别通过调节齿轮63和齿条64之间的最小距 离和电机62的转速来控制。

参见图7，在工装1上对飞机大型薄壁零件7进行残余应力释放的过程如下：

第一步：对所述薄壁件7的残余应力进行检测，获取其内部的初始残余应力；

第二步：将薄壁件7置于安装支架3的工件支撑定位块8上，对其进行定位后， 使用夹紧装置5夹紧薄壁件7；

第三步：将齿条64贴紧在薄壁件7背面，调整磁力振动装置中齿轮63和齿条64 的最小间隙值，将磁力振动装置6安装在安装支架3的相应位置，设置好电机62的转 速，按下启动开关，驱动齿轮63转动，依靠磁力传导使齿条64侧端对薄壁件7产生 峰值稳定的动压力，从而实现对薄壁件7内部残余应力的释放操作，不断调整齿轮63 和齿条64之间的最小间距以及电机62的转速，直到达到释放残余应力的最佳振动幅 度和频率。通过上位机控制电机62-1和62-2的启停，可实现振动方向的改变，单独 启动电机62-1时，产生的是竖向振动，单独启动电机62-2时，产生的是纵向振动， 同时启动时，产生双向振动。

第四步：在完成一段时间的振动操作后，取下薄壁件7，对其再一次进行内部残 余应力检测，得到检测数据并与第一步得到的初始残余应力值进行对比，如果数据没 有明显改善，则表示薄壁件7内部残余应力释放效果不理想，返回第三步重新操作， 经过多次振动后仍无明显变化的，则完成检测，输出不合格品；如果数值相比于第一 步有了明显减小，则检测完成，说明残余应力已经得到释放，进入第五步；

第五步：输出合格品。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创 造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术 人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得 到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。