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TW201817883A - 簡便應力消除方法及其裝置 - Google Patents

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TW201817883A TW105135909A TW105135909A TW201817883A TW 201817883 A TW201817883 A TW 201817883A TW 105135909 A TW105135909 A TW 105135909A TW 105135909 A TW105135909 A TW 105135909A TW 201817883 A TW201817883 A TW 201817883A
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Abstract

一種簡便應力消除裝置，包含以介於1HZ ~100HZ 的振動頻率相對一個工件傳遞振波的一個激振器、用於感測振幅與振動頻率並輸出一個電壓訊號的一個感測器，及與該感測器電連接的一個頻譜分析儀。該頻譜分析儀根據該電壓訊號中包括的振幅與振動頻率，以傅立葉轉換運算，獲得諧振波的頻譜，及分離出頻率域介於250 HZ~1750HZ的諧振波，而獲得對應該諧振波出現最大振幅時的振動頻率，並作為該激振器的一個額定振動頻率，使該該激振器持續以該額定振動頻率產生振動，進而消除該工件的殘留應力。藉此，本發明是以前述特殊波段的諧振波，提升殘留應力的消除比率，及利用該頻譜分析儀特殊的分析及運算方式，自動計算出最佳的額定振動頻率，進一步提升決定該額定振動頻率的速度及精準度。

Description

簡便應力消除方法及其裝置
本發明是有關於一種應力消除方法，特別是指一種以振動消除殘留應力的簡便應力消除方法及其裝置。
經由鑄造、輥壓、冷加工、熱處理、銲接等不同加工程序的工件，均普遍存在有殘留應力，惟，此一殘留應力易造成工件缺陷及破壞，是提昇品質必須相當重視的課題。傳統消除工件殘留應力的方法眾多，概略可分成熱處理與機械處理兩種。
而利用機械方式消除殘留應力的方法，以錘擊(Peening)為代表，主要是對銲件的銲道進行錘擊，使銲道表面產生壓應力，以消除殘留在銲道上之拉伸應力。惟，此方法的實作經驗多於科學的數據，有控制不易、精確度無法掌控的缺失。
另有一種以振動消除工件殘留應力的方法，如中華民國專利第I281502號案、第I287042號案、第I314489號案、第I418636號案、申請號第201235486號案，都是在工件發生振動時，驅動差排(dislocation)移動，達到消除殘留應力的目的。
其中，在振動時，部分的能量會消耗於工件的跳動，另外一部分的能量則用於工件內部的波動，而波動越大也越大，對應力消除也最有貢獻。惟，由於波動的能量直接影響消除殘留應力的效果，而前述先前技術主要是以人工透過示波器找出需求之振波的振幅與頻率，因此，在人工判讀有誤差的情形下，如何配合不同的工件，精準地獲得適當的振幅與頻率，而更進一步提升應力消除的效果，便成為本案發明人極思克服的目的。
因此，本發明的目的，即在提供一種能夠以簡易的方式，提升殘留應力消除效果的簡便應力消除方法及其裝置。
於是，本明發的簡便應力消除方法，以一個應力消除裝置為工具，該應力消除裝置包含以介於1HZ ~100HZ 的振動頻率相對一個工件傳遞振波的一個激振器，與該工件連接且感測振幅與振動頻率的一個感測器，及與該感測器電連接的一個頻譜分析儀，該簡便應力消除方法包含下列步驟：
步驟a：該頻譜分析儀接收來自該感測器的一個電壓訊號，該電壓訊號包括感測的振幅與振動頻率；
步驟b：該頻譜分析儀根據前述電壓訊號中的振幅與振動頻率，以傅立葉轉換(Fast Fourier Transform, FFT)運算，獲得諧振波的頻譜；
步驟c：該頻譜分析儀分離出頻率域介於250 HZ~1750HZ的諧振波；
步驟d：該頻譜分析儀獲得對應該諧振波出現最大振幅時的振動頻率；及
步驟e：該頻譜分析儀以步驟d的振動頻率為該激振器的一個額定振動頻率，使該該激振器持續以該額定振動頻率產生振動，並傳遞振波至該工件。
一種簡便應力消除裝置，包含一個激振器、一個感測器，及一個頻譜分析儀。
該激振器以介於1HZ~100HZ的振動頻率相對一個工件傳遞振波。
該感測器與該工件連接，且用於感測振幅與振動頻率，而輸出包括振幅與振動頻率的一個電壓訊號。
該頻譜分析儀與該感測器電連接，並根據接收的電壓訊號，以傅立葉轉換(Fast Fourier Transform, FFT)運算，獲得諧振波的頻譜，及分離出頻率域介於250 HZ~1750HZ的諧振波，而獲得對應該諧振波出現最大振幅時的振動頻率，並作為該激振器的一個額定振動頻率，使該該激振器持續以該額定振動頻率產生振動，並傳遞振波至該工件。
本發明的功效在於：以前述特殊波段的諧振波，提升殘留應力的消除比率，及利用該頻譜分析儀特殊的分析及運算方式，自動計算出最佳的額定振動頻率，進一步提升決定該額定振動頻率的速度及精準度。
參閱圖1，本發明簡便應力消除裝置1的一個實施例，包含：一個激振器11、一個感測器12，及一個頻譜分析儀13。
該激振器11以介於1HZ~100HZ的振動頻率相對一個工件2傳遞振波。
該感測器12與該工件2連接，且用於感測振幅與振動頻率，而輸出包括振幅與振動頻率的一個電壓訊號V。該感測器12在本實施例為一個加速度計。
該頻譜分析儀13在本實施例與該激振器11、該感測器12電連接。
值得說明的是，在本實施例中，該激振器11、該感測器12是直接設置在該工件2上，而與該工件2接觸。且本實施例所採用的工件2為S45C中碳鋼板材，該工件2的尺寸為1000mm×300 mm×20mm，且表面以弱酸酸洗，去除表面銹皮後，進行殘留應力的量測。
參閱圖1、圖2與圖3，以下即針對該簡便應力消除結合實施例步驟，說明如下：
步驟31：該頻譜分析儀13接收來自該感測器12的電壓訊號V，獲取該工件2內部波動時的振幅與振動頻率。
步驟32：該頻譜分析儀13去除該感測器12的自體共振。
步驟33：該頻譜分析儀13根據接收的電壓訊號V，以傅立葉轉換(Fast Fourier Transform, FFT)運算，轉換電壓訊號V為頻率域訊號，並計算出頻率響應函數，而獲得諧振波的頻譜。
步驟34：該頻譜分析儀13針對前述頻率響應函數所獲得的頻譜分離出頻率域低於100Hz 的主振波，及頻率域介於250-1750Hz 的諧振波 ，而檢知主振波、諧振波之振幅的波峰值。值得說明的是，前述分離的諧振波，較佳的頻率域為介於450-1050Hz 的諧振波。
值得說明的是，該頻譜分析儀13進行頻譜分析時，是分析振動頻率與振幅，參閱圖4，可以觀察到，該頻譜分析儀13接收電壓訊號V後所測量之時域波形圖，經步驟34之轉換後，獲得如圖5之頻譜圖，由圖5可以發現，左側振動頻率100HZ 內的峰值為該激振器11輸入之主振波的振動頻率，而右側振動頻率800HZ 左右的峰值為該工件2內部之諧振波的振動頻率。
步驟35：該頻譜分析儀13根據前述諧振波之振幅的波峰值，獲得對應該諧振波出現最大振幅時的振動頻率。
步驟36：該頻譜分析儀13以步驟35中對應最大振幅的振動頻率為該激振器11的額定振動頻率。
如圖5所示，由頻率域介於450-1050Hz 間之諧振波的波形，可以清楚的看出振幅的變化，其最大振幅所對應之激振器11(主振波)的振動頻率(0~100HZ )，即為消除殘留應力時所施作的額定振動頻率。
由圖4、圖5可以找出，頻率域介於450-1050Hz 間之諧振波所產生的最大振幅，其所對應之額定振動頻率為47HZ ，而主振波所產生的最大振幅即為共振點，其所對應的振動頻率為50HZ 。
步驟37：該頻譜分析儀13還輸出一個電控訊號S，控制該激振動11以該額定振動頻率產生振動，使振波持續傳遞至該工件2，而有效地消除該工件2大部分的殘留應力。
藉此，以相同條件的工件2為試片，且該激振器11分別使用47HZ 的額定振動頻率為實驗組，使用50HZ 的振動頻率為第1對照組、使用39HZ 的振動頻率為第2對照組、使用43HZ 的振動頻率為第3對照組，及以中華民國專利第201235486號之振動模式B為第4對照組。
當分別以47HZ 、50HZ 、39HZ 、43HZ 之振動頻率對各別之工件2傳遞振波20分鐘後，即可分離出頻率域介於450HZ -1050HZ 間的諧振波，並進行殘留應力的測量。本實施例殘留應力之量測採用cosα法-殘留應力量測技術(Cr靶XRD)量測。
參閱圖6，可以清楚的看出，第1對照組之諧振波的振幅為0.112 V，殘留應力消除比率為36.2％；第2對照組之諧振波的振幅為0.128V，殘留應力消除比率為38.5％；第3對照組之諧振波的振幅為0.36 V，殘留應力消除比率為42.3％；第4對照組之諧振波的振幅為0.62V(第201235468號案沒有揭示)，殘留應力消除比率為39.3％。
而本發明的實驗組，在額定振動頻率47HZ 時諧振波的振福達到1.01 mV，且殘留應力消除比率達到46.1％為最佳。顯然，在頻率域介於450HZ -1050HZ 間之諧振波的振幅越大其應力消除效果越佳。
另外，值得說明的是，本發明之頻譜分析儀13也可以不與該激振器11電連接，而省略步驟37，並在獲得額定振動頻率後，手動調整該激振器11以以該額定振動頻率產生振動。藉此，同樣可以使振波持續傳遞至該工件2，而有效地消除該工件2大部分的殘留應力。由於本領域中具有通常知識者根據以上說明可以推知擴充細節，因此不多加說明。
經由以上的說明，可將前述實施例的優點歸納如下：
1、相較於熱處理，本發明能夠大幅減少能源的浪費，且不受到施工場地的限制，而能簡化程序、降低成本。
2、由於該激振器1使用的振動頻率介於1HZ ~100HZ ，屬於低頻，而分離之諧振波所對應的額定振動頻率會低於共振點的振動頻率，所以，相較於共振點之振動頻率所產生之振動較小，能大幅降低對工件2損壞和疲勞。
3、且本發明可藉由訊號處理及快速傅立葉分析，精確而及時找出諧振波的最大振幅，在不需要人工判讀的情形下，進一步提升決定該額定振動頻率的速度及精準度，且使用相當簡易，而能夠提升使用上的方便性與實用性。
惟以上所述者，僅為本發明的實施例而已，當不能以此限定本發明實施的範圍，凡是依本發明申請專利範圍及專利說明書內容所作的簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋的範圍內。
1‧‧‧應力消除裝置
11‧‧‧激振器
12‧‧‧感測器
13‧‧‧頻譜分析儀
2‧‧‧工件
31~37‧‧‧步驟流程
V‧‧‧電壓訊號
S‧‧‧電控訊號
本發明的其他的特徵及功效，將於參照圖式的實施方式中清楚地呈現，其中： 圖1是一個示意圖，說明本發明簡便應力消除方法及其裝置的一實施例； 圖2是一個示意圖，說明該實施例中以傅利葉運算分離出主振波與諧振波； 圖3是該實施例的一個流程圖； 圖4是該實施例的一個時域波型圖；及 圖5是該實施例的一個頻譜圖；及 圖6是該實施例與4個對照組的一個比較表。

Claims (9)

  1. 一種簡便應力消除方法，以一個應力消除裝置為工具，該應力消除裝置包含以介於1HZ ~100HZ 的振動頻率相對一個工件傳遞振波的一個激振器，與該工件連接且感測振幅與振動頻率的一個感測器，及與該感測器電連接的一個頻譜分析儀，該簡便應力消除方法包含下列步驟： 步驟a：該頻譜分析儀接收來自該感測器的一個電壓訊號，該電壓訊號包括感測的振幅與振動頻率； 步驟b：該頻譜分析儀根據前述電壓訊號中的振幅與振動頻率，以傅立葉轉換(Fast Fourier Transform, FFT)運算，獲得諧振波的頻譜； 步驟c：該頻譜分析儀分離出頻率域介於250HZ -1750HZ 的諧振波； 步驟d：該頻譜分析儀獲得對應該諧振波出現最大振幅時的振動頻率；及 步驟e：該頻譜分析儀以步驟d的振動頻率為該激振器的一個額定振動頻率，使該該激振器持續以該額定振動頻率產生振動，並傳遞振波至該工件。
  2. 如請求項1所述的簡便應力消除方法，該頻譜分析儀還與該激振動電連接，其中，步驟e的頻譜分析儀還輸出一個電控訊號，控制該激振動以該額定振動頻率產生振動。
  3. 如請求項2所述的簡便應力消除方法，其中，步驟b的頻譜分析儀是以傅立葉轉換(Fast Fourier Transform, FFT)運算，計算出頻率響應函數後，進一步在步驟c中，使該頻譜分析儀針對前述頻率響應函數分離出頻率域介於0~100Hz 的主振波，及頻率域介於250HZ -1750HZ 的諧振波 ，而檢知主振波、諧振波之振幅的波峰值。
  4. 如請求項1所述的簡便應力消除方法，還包含在步驟a後步驟b前的步驟f：該頻譜分析儀去除該感測器的自體共振。
  5. 如請求項1所述的簡便應力消除方法，其中，前述分離的諧振波，較佳的頻率域為介於450-1050Hz 的諧振波。
  6. 一種簡便應力消除裝置，包含： 一個激振器，以介於1HZ ~100HZ 的振動頻率相對一個工件傳遞振波； 一個感測器，與該工件連接，且用於感測振幅與振動頻率，而輸出包括振幅與振動頻率的一個電壓訊號；及 一個頻譜分析儀，與該感測器電連接，並根據接收的電壓訊號，以傅立葉轉換(Fast Fourier Transform, FFT)運算，獲得諧振波的頻譜，及分離出頻率域介於250HZ -1750HZ 的諧振波，而獲得對應該諧振波出現最大振幅時的振動頻率，並作為該激振器的一個額定振動頻率，使該該激振器持續以該額定振動頻率產生振動，並傳遞振波至該工件。
  7. 如請求項6所述的簡便應力消除裝置，其中，該頻譜分析儀還與該激振動電連接，且該頻譜分析儀還輸出一個電控訊號，控制該激振動以該額定振動頻率產生振動。
  8. 如請求項6所述的簡便應力消除裝置，其中，該激振器、該感測器設置在該工件上。
  9. 如請求項6所述的簡便應力消除裝置，其中，前述分離的諧振波，較佳的頻率域為介於450-1050Hz 的諧振波。
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