高强度金属厚板热塑低应力超声折弯装置及方法

1.本技术涉及折弯残余应力调控技术领域，尤其涉及一种高强度金属厚板热塑低应力超声折弯装置及方法。


背景技术：

2.折弯作为一种机械加工领域常见的加工方式具有广泛的应用，然而，由于材料塑性变形以及不均匀温度场，金属厚板材折弯尤其是热塑折弯后不可避免的产生不均匀分布的残余应力场，应力集中会导致金属厚板折弯处变形甚至开裂，会严重影响构件后续使用过程中的稳定性、力学性能和寿命。传统的调控残余应力方法有自然时效、热处理、机械冲击等方法。自然时效法耗时长、占用大量场地且调控效果不可控；热处理法能耗高、污染严重且难以处理大型管道构件；机械冲击法易造成管道构件表面损伤。传统方法如今已不再是最优方法，利用高能超声波调控残余应力的方法在多个领域中逐渐得到验证，该方法具有耗时短、能耗低、不造成构件损伤等优点，适用于金属厚板折弯残余应力消减与均化。利用高能超声波调控残余应力方法的关键在于夹持高能超声激励器和调控楔块通过耦合介质紧密耦合于金属厚板折弯残余应力集中区域，将高能超声波按照设定要求注入到金属厚板折弯残余应力集中区域，利用高能超声波在构件内产生的弹性波能量消减和均化金属厚板折弯产生的残余应力，以防止金属厚板因折弯残余应力导致的变形甚至开裂。


技术实现要素：

3.有鉴于此，本技术提出了一种高强度金属厚板热塑低应力超声折弯装置，用于消减和均化金属厚板折弯产生的残余应力。其具体结构包括：折弯模具，用于折弯金属厚板，所述折弯模具为分体式结构，包括上模具和下模具；支撑夹板，包括卡槽部和连接部，所述卡槽部与所述连接部连接，所述支撑夹板通过所述卡槽部卡合于金属厚板的边缘上，使得连接部紧贴金属厚板，所述连接部上设置有通孔；调控装置，连接在所述连接部上，所述调控装置穿过所述通孔与金属厚板待调控区域接触。
4.采用上述具体结构，金属厚板通过折弯模具折弯成设计角度，其上产生的残余应力能够通过被支撑夹板固定在金属厚板上的调控装置进行消减和均化。
5.作为一个可能的实现方式，所述调控装置包括：调控楔块，连接在所述支撑夹板的所述连接部上，所述调控楔块呈柱状，包括调控端和连接端，所述调控端穿过所述通孔与金属厚板待调控区域接触；超声激励器，固定连接在所述调控楔块的所述连接端。
6.采用上述可能的实现方式，超声激励器能够将超声能量通过调控楔块传递至金属厚板内部。
7.作为一个可能的实现方式，所述通孔的尺寸与所述调控楔块的所述调控端的尺寸相匹配。
8.采用上述可能的实现方式，调控端与通孔的尺寸相匹配，能够保证调控楔块与金属厚板表面充分接触。
9.作为一个可能的实现方式，所述连接部上设置有固定法兰，所述固定法兰上开有连接孔，所述连接孔与所述调控楔块的尺寸相匹配。
10.采用上述可能的实现方式，固定法兰连接在支撑夹板上，调控楔块通过连接孔穿过固定法兰，并与固定法兰固定连接。
11.作为一个可能的实现方式，所述调控楔块的所述连接端与所述超声激励器的接触面涂抹有耦合剂。
12.采用上述可能的实现方式，超声激励器与调控楔块接触面处需涂抹耦合剂以减少超声能量损失。
13.作为一个可能的实现方式，所述调控楔块的所述调控端与金属厚板待调控区域的接触面涂抹有耦合剂。
14.采用上述可能的实现方式，调控楔块与金属厚板的接触面涂抹耦合剂以减少超声能量损失。
15.作为一个可能的实现方式，所述固定法兰与所述连接部通过连接螺栓连接，所述连接螺栓上设置有压缩弹簧。
16.采用上述可能的实现方式，调控楔块通过固定法兰与螺栓、弹簧压紧于支撑夹板的通孔中。
17.作为一个可能的实现方式，还包括超声激励器控制器，所述超声激励器控制器与所述超声激励器电连接。所述超声激励器能够通过所述超声激励器控制器调整不同振幅、不同波形、不同入射角度以适应不同厚度的金属厚板折弯后的残余应力调控。
18.采用上述可能的实现方式，超声激励器控制器能够控制超声激励器。
19.本技术还提供一种高强度金属厚板热塑低应力超声折弯方法，此方法使用权利要求1-9任一项所述的高强度金属厚板热塑低应力超声折弯装置对金属厚板进行折弯，其步骤包括：根据金属厚板待折弯角度选择所述折弯模具，通过冲压机向所述上模具施加压力，从而使金属厚板发生弯折至设计形状；根据金属厚板厚度和金属厚板待调控位置的区域选择所述支撑夹板；将所述调控装置通过所述支撑夹板卡合固定于金属厚板待调控位置；根据金属厚板的残余应力分布设置超声波振幅、波形和入射角度；向金属厚板应力集中区域注入高能超声波，实现对金属厚板残余应力的多轮消减与均化，直至满足残余应力要求；待残余应力调控工作结束后，将权利要求1-9任一项所述的高强度金属厚板热塑低应力超声折弯装置从金属厚板表面取下，完成折弯作业。
20.采用上述方法，能够在金属折弯后立刻进行残余应力的调控，并且操作简单有效。
附图说明
21.下面参照附图来进一步说明本技术的各个技术特征和它们之间的关系。附图为示例性的，一些技术特征并不以实际比例示出，并且一些附图中可能省略了本技术所属技术领域中惯用的且对于理解和实现本技术并非必不可少的技术特征，或是额外示出了对于理解和实现本技术并非必不可少的技术特征，也就是说，附图所示的各个技术特征的组合并不用于限制本技术。另外，在本技术全文中，相同的附图标记所指代的内容也是相同的。具体的附图说明如下：
22.图1为本技术实施例涉及的高强度金属厚板热塑低应力超声折弯装置的示意图；
23.图2为本技术实施例涉及的调控装置示意图；
24.图3为本技术实施例涉及的上模具示意图；
25.图4为本技术实施例涉及的下模具示意图；
26.图5为本技术实施例涉及的支撑夹板示意图。
27.附图标记说明：1-金属厚板；10-折弯模具；11-上模具；12-下模具；20-支撑夹板；21-连接部；22-卡槽部；23-通孔；30-调控装置；31-调控楔块；32-超声激励器；40-固定法兰。
具体实施方式
28.下面对本发明的具体实施方式进行详细说明：
29.本技术提供一种高强度金属厚板热塑低应力超声折弯装置，如图1所示，用于消减和均化金属厚板1折弯产生的残余应力，包括：折弯模具10、支撑夹板20和调控装置30。
30.其中，折弯模具10用于折弯金属厚板1，所述折弯模具10为分体式结构，包括上模具11和下模具12。上模具11为凸模，呈具有一定角度的方向垂直向下的箭头状；下模具12为凹模，呈v字型凹槽装，其角度配合凸模设置。折弯模具10能够根据需求使用不同角度的上模具11及下模具12。
31.在本实施例中，上模具11上端与冲压机接触，通过受到冲压机施加的向下的力将金属厚板1折弯。另外，在其他实施例中，还可以使用其它动力源。
32.在本实施例中，上模具11与下模具12为高硬度合金制成。另外，在其他实施例中，还可以使用其他合适的材料。
33.其中，支撑夹板20包括卡槽部22和连接部21。卡槽部22为板材弯折而成的凹槽，支撑夹板20通过卡槽部22卡合于金属厚板1的边缘上，同时使得连接部21紧贴金属厚板1，二者接触面上涂抹有耦合剂，用于减少超声波传导的能量损失；连接部21与卡槽部22连接，连接部21为开有一通孔23的板材状，且通孔23周围开有螺栓孔。
34.在本实施例中，针对不同厚度及待调控位置的金属厚板1提供了多种配套的支撑夹板20。通过改变卡槽部22的凹槽厚度、连接部21的长度以及通孔23在连接部21的设置位置来对支撑夹板20进行设计加工。
35.在本实施例中，支撑夹板20为高硬度合金制成。另外，在其他实施例中，还可以使用其他合适的材料。
36.其中，调控装置30连接在所述支撑夹板20上，包括调控楔块31和超声激励器32。调控楔块31呈柱状，包括调控端和连接端，调控端穿过支撑夹板20连接部21的通孔23与金属厚板1待调控区域接触；超声激励器32固定连接在调控楔块31的连接端。在二者的接触面上涂抹有耦合剂，用于减少超声波传导的能量损失。
37.在本实施例中，支撑夹板20上的通孔23的尺寸是和调控楔块31的调控端的尺寸相配合的。
38.在本实施例中，超声激励器32中心与调控楔块31连接一侧开有内螺纹孔，调控楔块31中心处有与超声激励器32形状匹配的螺纹杆，通过螺纹杆与内螺纹孔的配合使调控楔块31与超声激励器32紧密连接。另外，在其他实施例中可以不是，例如是：使用法兰连接。
39.在本实施例中，调控装置30通过固定法兰40与支撑夹板20连接。固定法兰40包括
与通孔23周围螺栓孔相匹配的螺栓孔，并通过连接螺栓依次穿过两处的螺栓孔将固定法兰40固定在支撑夹板20上。另外，在其他实施例中可以不是，例如是：在支撑夹板20上预留接插机构，直接将调控楔块31插入并固定的方式。
40.其中，超声激励器32可同时发射横波和纵波，工作参数可调。超声激励器32由信号线与超声激励器32控制器相连，可以根据金属厚板1的材料和壁厚进行不同波形、频率、振幅及相位的残余应力超声调控处理。
41.高强度金属厚板热塑低应力超声折弯装置在使用时，根据金属厚板1待折弯角度选择折弯模具10；根据待调控金属厚板1的尺寸和应力分布选择合适的支撑夹板20；在需要调控的位置涂抹耦合剂，确保金属厚板1应力集中区域与调控楔块31和超声激励器32通过耦合介质紧密贴合；通过超声换能器产生高能的超声波经过耦合介质注入到调控楔块31内部；调控楔块31将高能超声波经过耦合介质输入至金属厚板1折弯处进行残余应力的消减和均化工作。
42.相应的，本技术还提供一种高强度金属厚板热塑低应力超声折弯方法，包括下列步骤：
43.步骤一：根据金属厚板1待折弯角度选择折弯模具10，通过冲压机向上模具11施加压力，从而使金属厚板1发生弯折至设计形状；
44.步骤二：在调控工作进行前通过外部设备检测残余应力，根据检测结果确定金属厚板1应力集中区域，并根据待调控金属厚板1厚度选择合适的支撑夹板20；
45.步骤三：将调控装置30通过支撑夹板20固定于金属厚板1折弯应力集中区域上，调节螺栓和弹簧，将所述超声激励器32与所述调控楔块31以一定预紧力压紧在金属厚板1调控区域表面，实现装置整体的稳定装夹；
46.步骤四：根据金属厚板1材料和壁厚确定工作参数，通过上位机发出调控指令，超声激励器32控制器接收指令向超声激励器32发出调控信号，超声激励器32根据调控信号进行不同波形、频率、振幅及相位的残余应力超声调控处理；
47.步骤五：通过所述超声激励器32产生高能超声波经过耦合介质注入到所述调控楔块31内部，所述调控楔块31将高能超声波经过耦合介质输入至金属厚板1折弯应力集中区域内部；
48.步骤六：通过外部设备检测折弯残余应力判断残余应力是否满足要求，如果已经满足要求，则完成金属厚板1残余应力消减与均化；如果不满足要求，则重复步骤二到步骤五直至满足要求。待残余应力调控工作结束后，将高强度金属厚板热塑低应力超声折弯装置从金属厚板1表面取下，完成折弯作业。
49.其中，高能超声波消减及均化折弯残余应力是依据材料的弹塑性超声诱导理论和弹性波的粒子属性，已有研究和实践表明，依据弹性波的粒子能量特性，当高能超声波在材料内以质点往复振动的形式传播时，超声波聚焦能量达到一定程度，对材料内晶格或质点间的约束力也会起到消减和耗散作用，从而改变材料内晶格间的残余应力约束状态，从而达到定向和量化消减及均化折弯残余应力的目的。
50.进一步地，高能超声波具有一定的声束聚焦指向特性，本发明调控方法可同时布置多个所述装置利用多个超声激励器32在一定范围内实现多束高能超声波的聚焦，通过有效调控纵波、横波、表面波和导波等高能超声波的频率、幅度、声束入射方向、以及聚焦区域
内的能量，将高能超声波聚焦区域调控在构件材料内的指定位置，以实现在不改变原有材料晶格织构和机械物理特性前提下，达到消减和均化残余应力的目的，同时，防止聚焦区域能量过大(或过调控)而导致的材料性能下降问题。
51.综上所述，本技术提供的高强度金属厚板热塑低应力超声折弯装置及方法能够通过调控装置30与金属厚板1待调控区域的充分接触，在金属厚板1完成折弯后，及时的利用高能超声波在金属厚板1内产生的弹性波能量消减和均化金属厚板1折弯产生的残余应力，以防止金属厚板1因折弯残余应力导致的变形甚至开裂。
52.在本技术的全文中使用的术语“包括”不应解释为限制于其后列出的内容；它不排除其它的结构要素或步骤。
53.可以理解，本领域技术人员可以将本技术全文中提到的一个或多个实施例中提到的特征，以任何适当的方式与其他实施例中的特征进行组合来实施本技术。
54.注意，上述仅为本技术的较佳实施例及所运用的技术原理。本领域技术人员会理解，本技术不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本技术的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本技术进行了较为详细的说明，但是本技术不仅仅限于以上实施例，在不脱离本技术的技术构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，均属于本技术的保护范畴。

技术特征：
1.一种高强度金属厚板热塑低应力超声折弯装置，其特征在于，包括：折弯模具，用于折弯金属厚板，所述折弯模具为分体式结构，包括上模具和下模具；支撑夹板，包括卡槽部和连接部，所述卡槽部与所述连接部连接，所述支撑夹板通过所述卡槽部卡合于金属厚板的边缘上，使得连接部紧贴金属厚板，所述连接部上设置有通孔；调控装置，连接在所述连接部上，所述调控装置穿过所述通孔与金属厚板待调控区域接触。2.根据权利要求1所述的高强度金属厚板热塑低应力超声折弯装置，其特征在于，所述调控装置包括：调控楔块，连接在所述支撑夹板的所述连接部上，所述调控楔块呈柱状，包括调控端和连接端，所述调控端穿过所述通孔与金属厚板待调控区域接触；超声激励器，固定连接在所述调控楔块的所述连接端。3.根据权利要求2所述的高强度金属厚板热塑低应力超声折弯装置，其特征在于，所述通孔的尺寸与所述调控楔块的所述调控端的尺寸相匹配。4.根据权利要求2所述的高强度金属厚板热塑低应力超声折弯装置，其特征在于，所述连接部上设置有固定法兰，所述固定法兰上开有连接孔，所述连接孔与所述调控楔块的尺寸相匹配。5.根据权利要求2所述的高强度金属厚板热塑低应力超声折弯装置，其特征在于，所述调控楔块的所述连接端与所述超声激励器的接触面涂抹有耦合剂。6.根据权利要求2所述的高强度金属厚板热塑低应力超声折弯装置，其特征在于，所述调控楔块的所述调控端与金属厚板待调控区域的接触面涂抹有耦合剂。7.根据权利要求4所述的高强度金属厚板热塑低应力超声折弯装置，其特征在于，所述固定法兰与所述连接部通过连接螺栓连接，所述连接螺栓上设置有压缩弹簧。8.根据权利要求2所述的高强度金属厚板热塑低应力超声折弯装置，其特征在于，还包括超声激励器控制器，所述超声激励器控制器与所述超声激励器电连接，所述超声激励器能够通过所述超声激励器控制器调整不同振幅、不同波形、不同入射角度，以适应不同厚度的金属厚板折弯后的残余应力调控。9.一种高强度金属厚板热塑低应力超声折弯方法，其特征在于，使用权利要求1-8任一项所述的高强度金属厚板热塑低应力超声折弯装置对金属厚板进行折弯，其步骤包括：根据金属厚板待折弯角度选择所述折弯模具，通过冲压机向所述上模具施加压力，从而使金属厚板发生弯折至设计形状；根据金属厚板厚度和金属厚板待调控位置的区域选择所述支撑夹板；将所述调控装置通过所述支撑夹板卡合固定于金属厚板待调控位置；根据金属厚板的残余应力分布设置超声波振幅、波形和入射角度；向金属厚板应力集中区域注入高能超声波，实现对金属厚板残余应力的多轮消减与均化，直至满足残余应力要求；待残余应力调控工作结束后，将权利要求1-8任一项所述的高强度金属厚板热塑低应力超声折弯装置从金属厚板表面取下，完成折弯作业。

技术总结
本申请涉及一种高强度金属厚板热塑低应力超声折弯装置，其包括：折弯模具，用于折弯金属厚板，所述折弯模具为分体式结构，包括上模具和下模具；支撑夹板，包括卡槽部和连接部，所述支撑夹板通过所述卡槽部卡合于金属厚板的边缘上，使得连接部紧贴金属厚板，所述连接部上设置有通孔；调控装置，连接在所述支撑夹板上，所述调控装置穿过所述通孔与金属厚板待调控区域接触。用于折弯金属厚板，并利用高能超声波在金属厚板内产生的弹性波能量消减和均化金属厚板折弯产生的残余应力，以防止金属厚板因折弯残余应力导致的变形甚至开裂。板因折弯残余应力导致的变形甚至开裂。板因折弯残余应力导致的变形甚至开裂。


技术研发人员：徐春广 赵文政 杨光粲 靳聪 马永江
受保护的技术使用者：北京理工大学
技术研发日：2023.07.13
技术公布日：2023/10/11