振动时效技术在矿用机械设备中的应用

振动时效技术在矿用机械设备中的应用摘要：将振动时效方法引入煤矿机械产品中，充分利用现有测试系统的能力，在不增加任何设备的情况下尽量采用新工艺、新方法，提高煤矿机械中产品的质量。该技术具有理论简单、易于实现的优点，并提供了一条崭新思路。关键词振动时效振动台法工艺分析参数效果验证1引言任何一个机械产品都必须保证预期的功能、寿命和安全可靠，并且技术先进，价格低廉。为此，机械产品必须遵循一套完整的生产规程和科学质量管理。振动时效是近年来兴起的新技术，国际上称之“VSR”技术。振动时效(VSR)就是在激振设备周期性——激振力的作用下，使构件内残余应力叠加，产生局部屈服，引起微小的塑性变形，使构件内残余应力降低和重新分布，增强抗外载能力，从而提高构件的尺寸精度稳定性。淮南煤矿机械厂在收集国内外大量资料及借鉴一些厂家成功经验的基础上，针对本厂中小型零件较多的情况，开展了“振动台法处理中小型工件”课题研究，逐步完善工艺，积累了一定的经验。先后对防爆电机壳、出线箱、掘进机电控箱壳体、油箱体、真空过滤机壳体，液压破碎机壳体等2800余件零、部件进行振动时效处理。其中绝大部分构件都是因半精加工后，发现构件存在夹砂、气孔、开焊、漏水等缺陷，为不使零件报废而进行了较大面积补焊，而焊后的构件又因其加工余量小不能进行传统的热时效处理，而用振动时效来消除焊后内应力。1关于振动台法处理中小型工件的可行性探讨为了阐述“振动台法”处理中小型构件的金属学原理，尚须借助大型构件振动时效机理进行分析。对工件施加激振力，使工件作简谐振动，此时激振力在工件内部产生交变动应力d，σd与工件残余应力σr叠加。因为σr在工件内部的分布是极不匀的，在某些应力集中区域的σr值往往是非应力集中区域的若干倍，这就可能出现两种情况：(1)在应力集中区域d+σr≥σs(s为构件的屈服极限)，位错开始运动，产生局部滑移，甚至出现整体滑移。工件发生塑性变形，变形后变形区域的σr得以释放。由于塑性变形使这个区域出现加工硬化现象，结构上趋于稳定，极大地减少缺陷。要想在这个区域继续变形变得相对困难，变形就会向其它区域转移。(2)当变形区域转移到σr值较小的区域时，即σd+σr＜σs时，由于金属内部大量位错存在，而位错本身总是从高能位置向低能位置转移，在附加交变应力σd的持续作用下，欲动位错不断获得能量，使位错开始运动。实际上在位错运动过程中常受到晶界、杂质的阻碍，形成位错塞积群。由于σd的持续作用，塞积群中位错数量不断增加。由于障碍物的阻碍，在塞积群的前沿形成新的应力集中，致使该区域的残余应力σr不断增大，当增大到σd+σr≥σs时，位错滑移便在这个区域内发生，这个区域便发生塑性变形，同样，该区域的σr得以释放。在交变应力的反复作用下，工件发生循环硬化，松驰刚度得以提高，即工件的抗变形能力得以提高；同时，由于交变应力的作用，工件受到104～106次反复考曲，将出现适应现象；由于非弹性体逐步向弹性体过渡，使得工件在服役期间出现塑性变形的可能性大为降低。对于上述振动时效机理和处理大型工件所具有的效果，已被国内许多制造厂家生产实践证明，是大家已能接受的事实。而采用“振动台法”对中小型工件振动时效处理是否同样满足上述机理及效果呢？图1淮南煤矿机械厂振动台（略）图1为淮南煤矿机械厂处理中小型工件的振动台示意图。其工件6底面与平台7吻合均匀；当螺母3紧固后工件不会弯曲，只是压板4对工件有局部压应力，由于此压应力只属局部存在，不影响我们分析，故可忽略。在振动时效开始时，工件的塑性变形尚未形成，此时工件内的应力为d+σr，这种情况与大件振动时效处理是相同的。随着时间的增加，在σd的持续作用下，金属晶体有位错运动，产生滑移的趋势，即工件有发生塑性变形的趋势。如果是大型工件处理，无论是采用自由支撑、悬臂支撑还是铰支撑，工件都可毫无阻碍发生塑性变形。而“振动台法”却是将中小型工件刚性地联接在平台上，工件的变形必须带动平台一起变形才能实现，平台相对工件又具有足够的刚度，这就有一个十分关键的问题：装夹在平台上的工件在振动时效处理时是不是发生塑性变形？这正是平台振动与大型工件振动的区别所在。激振力对工件持续做功，使得晶体中有位错、滑移运动趋势的小单元（首先在应力集中处）不断获得能量，在激振力和激振时间足够的情况下，这些不稳定的小单元将克服阻力去实现位错、滑移运动。也就是说，尽管工件被刚性联接在振动平台上，而平台的刚性又足够大，工件的塑性变形看来似乎不能发生，而事实上，只要σd+σr≥σs，工件就开始屈服，位错、滑移运动必然发生，这正是金属晶体结构的力学性质所决定的。伴随着这些运动的是工件弹性变形能的储量不断增加，或者压板、螺栓及平台装夹件弹性变形能的储量不断增加，或者是两者兼有之。与大件振动时效处理不同的是：工件的应力由d+σr过渡到σd+σ′r+σt(σt为刚性装夹使得塑性变形后的工件产生的装夹应力；σ′r为剩余残余应力)。由于工件金属晶体发生位错、滑移运动，而这些运动又借助于σ′r才发生的，所以使得σr得以释放，即｜σ′r｜＜｜σr｜，尤其是在应力集中区域，｜σ′r｜≤｜σr｜。当振动完毕，激振器停止工作，附加动应力σd＝0；当拆除对工件的装夹后，工件与装夹件立即发生弹性变形，随之又有σt＝0，那么工件的应力只剩下σ′r。由于｜σ′r｜＜｜σr｜，因而可以认为：应用“振动台法”处理中小型工件，同样具有降低和均化残余应力的作用，能够达到时效处理的目的。此外，“振动台法”处理工件同样受到交变应力的反复作用，也将发生循环硬化和适应现象，使工件的抗变形能力和弹性性能得以提高。综上所述，我们认为：“振动台法”对中小型工件的振动时效处理，原则上满足大型工件振动时效机理，从金属学原理上能够圆满解释，因此在理论上是可行的。2振动时效工艺制定2.1设备振动时效设备主要包括6个部分。(1)系统控制箱：为系统主机；(2)电感箱：为主回路滤平电枢电流；(3)激振器：包括直流电动机及偏心箱，是被振金属构件的“振动源”；(4)PP40四色打印机；(5)加速度传感器；(6)橡胶垫及弓形卡。2.2操作要点(1)将工件或平台用橡胶垫支撑，使之水平并处于良好的弹性状态。(2)将激振器安装在被振构件的波峰处（即金属构件在自由振动情况下振幅最大处）。将激振器调整在一档处。(3)将加速度传感器固定在被振构件的波峰处。(4)对金属构件进行振动扫频实验，画出振前G1－RPM特性曲线，如图2，找出谐振频率。(5)在适当激振力条件下对金属构件进行振动时效处理。画出时效处理过程的加速度—时间（G－T）特性曲线，如图2中实线所示。图2振动特性曲线（略）(6)在扫频实验同等条件下进行振后再次扫频实验，画出振后G2—RPM特性曲线，如图2中虚线所示。(7)效果分析。比较振前G1—RPM与振后G2—RPM特性曲线之变化，可以看出振后比振前峰值频率左移，幅值也有增加，另有G—T特性曲线的幅值G随着振动时间的增加而增长，最后趋于稳定，由此快速判断和分析出振动时效处理工艺效果来。2.3参数选择振动时效的参数选择的最根本依据为动应力，即：d+r＞σs。其效果是以消除内应力量值大小来检查的，但在实际生产工艺中，对残余应力测试是比较困难的，只有以处理过程中结构动态参数变化作为监测参数。随着应力变化的进行，残余应力变化引起构件应力的变化，因此参数选择的是否合理直接影响到处理效果。2.3.1共振频率、波峰、波节、支撑点的确定在第一次扫频实验后，从画出的G1—RPM曲线中便可找出共振频率，一般说，共振时被振金属构件发出较大的嗡嗡声，这时往构件上撒一些砂子，砂子产生剧烈地跳动，砂子聚拢处为波节，反之为波峰。共振频率是在电流值加速度值呈现最大值处相对应的频率。波峰、波节应反复找二、三次，使支撑位置更加合理，以便减小振动能量而获得较大的振动幅值。2.3.2激振力的选择应根据金属构件的不同材质、几何形状以及重量等因素来确定所需要的激振力大小。根据大量资料及实验证明：铸铁件动应力在2～3.5kg/mm2之间，焊接构件动应力大小可用动态电阻应变仪来确定，若无此仪器时，也可根据被振金属构件形态，依材料力学介绍的“理想体”来进行估算，一般在7kg/mm2左右。动应力大小的调整通过改变激振力大小来完成，改变激振力可以通过改变激振器上的偏心距来实现，激振力大小按公式来计算。PJ=0.01097n2pe/g其中：PJ——激振力，kgf；p——偏心轮重，kgf；n——转速，r/min；e——偏心距，cm；g——重力加速度，cm/s2。淮南煤机厂使用的WZ—96A型设备，电机调速范围为2000～10000r/min，各档参考激振力如表1所示。根据被振金属构件的形状、材质及重量，经过反复试验及国内厂家的实践经验，一般情况下振动时间为：金属构件重量＜1t时，处理时间10～20min；1～4.5t时，20～30min；＞4.5t时，30～35min。采用“振动台法”处理时，其重量应包括平台、紧固夹具及工件的全部重量。3效果验证为检验振动时效工艺效果，我们曾对热处理时效与振动时效两种工艺方法进行过尺寸精度稳定性对比检验。工件为JBQ3—11.4电动机机座，其形状如图3所示。工件材料均为Q235—A，钢板组焊成形，其毛重为49.2kg，加工后重量为37.8kg。试验方法。对18只焊接后毛坯，热时效处理6只，振动时效处理6只，未时效处理6只。对18只零件均按图3所示尺寸加工，其中未时效处理6只放余量1mm，防止零件报废（图中A－A、B－B为测量尺寸分布点）。零件加工后进行分类编号测试记录，并将其呈自由状态放置水泥平台上用三点支撑，静止3个月后再进行尺寸测试，其结果见表2。表1不同转速下的激振力（略）表2不同处理方法的变形比较（略）图3电动机机座（略）本工件时效处理目的在于提高工件的精度稳定性，通过验证可以看出：振动时效处理对零件精度稳定性较理想。我们通过多年来对振动时效技术的探讨及应用，认为它是一项高效节能、工艺简单、方便适用、具有显著经济效益的新技术，但也有许多不足，如：施工中噪声很大，不能改善工件的切削性能，特别是对焊接件，它不能改善焊缝及热影响区的组织和性能。所以它不能完全取代热时效处理，这就要求我们在实践中不断地去完善它，使之能发挥更大的效益。参考文献1陈大宣，机械设计手册.北京.化学工业出版社20022黄长兴，卢文祥.机械制造中的测试技术.北京.机械工业出版社19813朱敦伦，周汉民，强颖怀.机械零件失效分析.北京.中国矿业大学出版社.19934涂铭旌，鄢文彬.机械零件失效分析与预防.北京.高等教育出版社.19935赵家礼.电动机修理手册.机械工业出版社.19926张思.振动测试与分析技术.北京.清华大学出版社.1992摘自《中国煤炭》杂志