振動(dòng)時(shí)效設(shè)備 振動(dòng)時(shí)效技術(shù)在礦用機(jī)械設(shè)備中的應(yīng)用
1 引言
任何一個(gè)機(jī)械產(chǎn)品都必須保證預(yù)期的功能、壽命和安全可靠，并且技術(shù)先進(jìn)，價(jià)格低廉。為 此，機(jī)械產(chǎn)品必須遵循一套完整的生產(chǎn)規(guī)程和科學(xué)質(zhì)量管理。振動(dòng)時(shí)效是近年來(lái)興起的新技 術(shù)，國(guó)際上稱之“VSR”技術(shù)。
振動(dòng)時(shí)效(VSR)就是在激振設(shè)備周期性——激振力的作用下，使構(gòu)件內(nèi)殘余應(yīng)力疊加，產(chǎn)生 局部屈 服，引起微小的塑性變形，使構(gòu)件內(nèi)殘余應(yīng)力降低和重新分布，增強(qiáng)抗外載能力，從而提高 構(gòu)件的尺寸精度穩(wěn)定性。
淮南煤礦機(jī)械廠在收集國(guó)內(nèi)外大量資料及借鑒一些廠家成功經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，針對(duì)本廠中小型 零件較多的情況，開(kāi)展了“振動(dòng)臺(tái)法處理中小型工件”課題研究，逐步完善工藝，積累了一定的經(jīng)驗(yàn)。 先后對(duì)防爆電機(jī) 殼、出線箱、掘進(jìn)機(jī)電控箱殼體、油箱體、真空過(guò)濾機(jī)殼體，液壓破碎機(jī)殼體等2800余件零、部件進(jìn)行振動(dòng)時(shí)效處理。其中絕大部分構(gòu)件都是因半精加工后，發(fā)現(xiàn)構(gòu)件存在夾砂、氣孔、 開(kāi)焊、漏水等缺陷，為不使零件報(bào)廢而進(jìn)行了較大面積補(bǔ)焊，而焊后的構(gòu)件又因其加工余量小不能進(jìn)行傳統(tǒng)的熱時(shí)效處理，而用振動(dòng)時(shí)效來(lái)消除焊后內(nèi)應(yīng)力。
1 關(guān)于振動(dòng)臺(tái)法處理中小型工件的可行性探討
為了闡述“振動(dòng)臺(tái)法”處理中小型構(gòu)件的金屬學(xué)原理，尚須借助大型構(gòu)件振動(dòng)時(shí)效機(jī)理進(jìn)行 分析。
對(duì)工件施加激振力，使工件作簡(jiǎn)諧振動(dòng)，此時(shí)激振力在工件內(nèi)部產(chǎn)生交變動(dòng)應(yīng)力σd ，σd與工件殘余應(yīng)力σr疊加。因?yàn)?span>σ
r在工件內(nèi)部的分布是極不勻的，在某些應(yīng)力集中區(qū)域的σr值往往是非 應(yīng)力集中區(qū)域的若干倍，這就可能出現(xiàn)兩種情況：(1)在應(yīng)力集中區(qū)域σd+σr≥σs(σs為構(gòu)件的屈服極限)，位錯(cuò)開(kāi)始運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生 局部滑移，甚至出現(xiàn)整體滑移。工件發(fā)生塑性變形，變形后變形區(qū)域的σr得以釋放。 由于塑性變形使這個(gè)區(qū)域出現(xiàn)加工硬化現(xiàn)象，結(jié)構(gòu)上趨于穩(wěn)定，極大地減少缺陷。要想在這個(gè)區(qū)域繼續(xù)變形變得相對(duì)困難，變形就會(huì)向其它區(qū)域轉(zhuǎn)移。
(2)當(dāng)變形區(qū)域轉(zhuǎn)移到σr值較小的區(qū)域時(shí)，即σd+σr＜σs時(shí)，由于金屬內(nèi)部大 量位錯(cuò)存在，而位錯(cuò) 本身總是從高能位置向低能位置轉(zhuǎn)移，在附加交變應(yīng)力σd的持續(xù)作用下，欲動(dòng)位錯(cuò)不斷 獲得能 量，使位錯(cuò)開(kāi)始運(yùn)動(dòng)。實(shí)際上在位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中常受到晶界、雜質(zhì)的阻礙，形成位錯(cuò)塞積群 。由于σd的持續(xù)作用，塞積群中位錯(cuò)數(shù)量不斷增加。由于障礙物的阻礙，在塞積群的前 沿形成 新的應(yīng)力集中，致使該區(qū)域的殘余應(yīng)力σr不斷增大，當(dāng)增大到σd+σr≥σs時(shí)， 位錯(cuò)滑移便在這個(gè)區(qū)域內(nèi)發(fā)生，這個(gè)區(qū)域便發(fā)生塑性變形，同樣，該區(qū)域的σr得以釋 放。
在交變應(yīng)力的反復(fù)作用下，工件發(fā)生循環(huán)硬化，松馳剛度得以提高，即工件的抗變形能力得以提高；同時(shí)，由于交變應(yīng)力的作用，工件受到104～106次反復(fù)考曲，將出現(xiàn)適應(yīng)現(xiàn)象 ；由于非彈性體逐步向彈性體過(guò)渡，使得工件在服役期間出現(xiàn)塑性變形的可能性大為降低。
對(duì)于上述振動(dòng)時(shí)效機(jī)理和處理大型工件所具有的效果，已被國(guó)內(nèi)許多制造廠家生產(chǎn)實(shí)踐證明 ，是大家已能接受的事實(shí)。而采用“振動(dòng)臺(tái)法”對(duì)中小型工件振動(dòng)時(shí)效處理是否同樣滿足上述機(jī)理及效果呢？
圖1 淮南煤礦機(jī)械廠振動(dòng)臺(tái)（略）
圖1為淮南煤礦機(jī)械廠處理中小型工件的振動(dòng)臺(tái)示意圖。其工件6底面與平臺(tái)7吻合均 勻；當(dāng)螺母3緊固后工件不會(huì)彎曲，只是壓板4對(duì)工件有局部壓應(yīng)力，由于此 壓應(yīng)力只屬局部存在，不影響我們分析，故可忽略。
在振動(dòng)時(shí)效開(kāi)始時(shí)，工件的塑性變形尚未形成，此時(shí)工件內(nèi)的應(yīng)力為σd+σr，這種 情況與大件振動(dòng)時(shí)效處理是相同的。隨著時(shí)間的增加，在σd的持續(xù)作用下，金屬晶體 有位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生滑移的趨勢(shì)，即工件有發(fā)生塑性變形的趨勢(shì)。如果是大型工件處理，無(wú)論是采用自由支撐、懸臂支撐還是鉸支撐，工件都可毫無(wú)阻礙發(fā)生塑性變形。而“振動(dòng)臺(tái)法” 卻是將中小型工件剛性地聯(lián)接在平臺(tái)上，工件的變形必須帶動(dòng)平臺(tái)一起變形才能實(shí)現(xiàn)，平臺(tái) 相對(duì)工件又具有足夠的剛度，這就有一個(gè)十分關(guān)鍵的問(wèn)題：裝夾在平臺(tái)上的工件在振動(dòng)時(shí)效 處理時(shí)是不是發(fā)生塑性變形？這正是平臺(tái)振動(dòng)與大型工件振動(dòng)的區(qū)別所在。
激振力對(duì)工件持續(xù)做功，使得晶體中有位錯(cuò)、滑移運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)的小單元（首先在應(yīng)力集中處） 不斷獲得能量，在激振力和激振時(shí)間足夠的情況下，這些不穩(wěn)定的小單元將克服阻力去實(shí)現(xiàn) 位錯(cuò)、滑移運(yùn)動(dòng)。也就是說(shuō)，盡管工件被剛性聯(lián)接在振動(dòng)平臺(tái)上，而平臺(tái)的剛性又足夠大， 工件的塑性變形看來(lái)似乎不能發(fā)生，而事實(shí)上，只要σd+σr≥σs，工件就開(kāi)始 屈服，位錯(cuò)、滑移運(yùn)動(dòng)必然發(fā)生，這正是金屬晶體結(jié)構(gòu)的力學(xué)性質(zhì)所決定的。伴隨著這些運(yùn) 動(dòng)的是工件彈性變形能的儲(chǔ)量不斷增加，或者壓板、螺栓及平臺(tái)裝夾件彈性變形能的儲(chǔ)量不 斷增加，或者是兩者兼有之。
與大件振動(dòng)時(shí)效處理不同的是：工件的應(yīng)力由σd+σr過(guò)渡到σd+σ′r+σt (σt為剛性裝夾使得塑性變形后的工件 產(chǎn)生的裝夾應(yīng)力；σ′r為剩余殘余應(yīng)力)。由于工件金屬晶體發(fā)生位錯(cuò)、滑移運(yùn)動(dòng)，而 這些運(yùn)動(dòng)又借助于σ′r才發(fā)生的，所以使得σr得以釋放，即｜σ′r｜＜｜σ r｜，尤其是在應(yīng)力集中區(qū)域，｜σ′r｜≤｜σr｜。當(dāng)振動(dòng)完畢，激振器停止工 作，附加動(dòng)應(yīng)力σd＝0；當(dāng)拆除對(duì)工件的裝夾后，工件與裝夾件立即發(fā)生彈性變形，隨之 又有σt＝0，那么工件的應(yīng)力只剩下σ′r。由于｜σ′r｜＜｜σr｜，因 而可以認(rèn)為：應(yīng)用“振動(dòng)臺(tái)法”處理中小型工件，同樣具有降低和均化殘余應(yīng)力的作用，能 夠達(dá)到時(shí)效處理的目的。
此外，“振動(dòng)臺(tái)法”處理工件同樣受到交變應(yīng)力的反復(fù)作用，也將發(fā)生循環(huán)硬化和適應(yīng)現(xiàn)象 ，使工件的抗變形能力和彈性性能得以提高。
綜上所述，我們認(rèn)為：“振動(dòng)臺(tái)法”對(duì)中小型工件的振動(dòng)時(shí)效處理，原則上滿足大型工件振 動(dòng)時(shí)效機(jī)理，從金屬學(xué)原理上能夠圓滿解釋，因此在理論上是可行的。
2 振動(dòng)時(shí)效工藝制定
2.1 設(shè)備
振動(dòng)時(shí)效設(shè)備主要包括6個(gè)部分。
(1)系統(tǒng)控制箱：為系統(tǒng)主機(jī)；
(2)電感箱：為主回路濾平電樞電流；
(3)激振器：包括直流電動(dòng)機(jī)及偏心箱，是被振金屬構(gòu)件的“振動(dòng)源”；
(4)PP40四色打印機(jī)；
(5)加速度傳感器；
(6)橡膠墊及弓形卡。
2.2 操作要點(diǎn)
(1)將工件或平臺(tái)用橡膠墊支撐，使之水平并處于良好的彈性狀態(tài)。
(2)將激振器安裝在被振構(gòu)件的波峰處（即金屬構(gòu)件在自由振動(dòng)情況下振幅最大處）。將激 振器調(diào)整在一檔處。
(3)將加速度傳感器固定在被振構(gòu)件的波峰處。
(4)對(duì)金屬構(gòu)件進(jìn)行振動(dòng)掃頻實(shí)驗(yàn)，畫出振前G1－RPM特性曲線，如圖2，找出諧振頻率。
(5)在適當(dāng)激振力條件下對(duì)金屬構(gòu)件進(jìn)行振動(dòng)時(shí)效處理。畫出時(shí)效處理過(guò)程的加速度—時(shí)間 （G－T）特性曲線，如圖2中實(shí)線所示。
圖2 振動(dòng)特性曲線（略）
(6)在掃頻實(shí)驗(yàn)同等條件下進(jìn)行振后再次掃頻實(shí)驗(yàn)，畫出振后G2—RPM特性曲線，如圖2中 虛線所示。
(7)效果分析。比較振前G1—RPM與振后G2—RPM特性曲線之變化，可以看出振后比振前 峰值 頻率左移，幅值也有增加，另有G—T特性曲線的幅值G隨著振動(dòng)時(shí)間的增加而增長(zhǎng)，最后趨 于穩(wěn)定，由此快速判斷和分析出振動(dòng)時(shí)效處理工藝效果來(lái)。
2.3 參數(shù)選擇
振動(dòng)時(shí)效的參數(shù)選擇的最根本依據(jù)為動(dòng)應(yīng)力，即：σd+σr＞σs。其效果是以消 除內(nèi)應(yīng)力量值大小來(lái)檢查的，但在實(shí)際生產(chǎn)工藝中，對(duì)殘余應(yīng)力測(cè)試是比較困難的，只有以處理過(guò)程中結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)參數(shù)變化作為監(jiān)測(cè)參數(shù)。隨著應(yīng)力變化的進(jìn)行，殘余應(yīng)力變化引起構(gòu)件應(yīng)力的變化，因此參數(shù)選擇的是否合理直接影響到處理效果。
2.3.1 共振頻率、波峰、波節(jié)、支撐點(diǎn)的確定
在第一次掃頻實(shí)驗(yàn)后，從畫出的G1—RPM曲線中便可找出共振頻率，一般說(shuō)，共振時(shí)被振金 屬 構(gòu)件發(fā)出較大的嗡嗡聲，這時(shí)往構(gòu)件上撒一些砂子，砂子產(chǎn)生劇烈地跳動(dòng)，砂子聚攏處為波 節(jié)，反之為波峰。共振頻率是在電流值加速度值呈現(xiàn)最大值處相對(duì)應(yīng)的頻率。 波峰、波節(jié)應(yīng)反復(fù)找二、三次，使支撐位置更加合理，以便減小振動(dòng)能量而獲 得較大的振動(dòng)幅值。
2.3.2 激振力的選擇
應(yīng)根據(jù)金屬構(gòu)件的不同材質(zhì)、幾何形狀以及重量等因素來(lái)確定所需要的激振力大小。 根據(jù)大量資料及實(shí)驗(yàn)證明：鑄鐵件動(dòng)應(yīng)力在2～3.5kg/mm2之間，焊接構(gòu)件動(dòng)應(yīng)力 大小 可用動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變儀來(lái)確定，若無(wú)此儀器時(shí)，也可根據(jù)被振金屬構(gòu)件形態(tài)，依材料力學(xué)介紹 的 “理想體”來(lái)進(jìn)行估算，一般在7kg/mm2左右。動(dòng)應(yīng)力大小的調(diào)整通過(guò)改變激振力大小 來(lái)完 成，改變激振力可以通過(guò)改變激振器上的偏心距來(lái)實(shí)現(xiàn)，激振力大小按公式來(lái)計(jì)算。PJ =0.01097n2pe/g
其中：PJ——激振力，kgf；
p——偏心輪重，kgf；
n——轉(zhuǎn)速，r/min；
e——偏心距，cm；
g——重力加速度，cm/s2。
淮南煤機(jī)廠使用的WZ—96A型設(shè)備，電機(jī)調(diào)速范圍為2000～10000r/min，各檔參考激振力如 表1所示。
根據(jù)被振金屬構(gòu)件的形狀、材質(zhì)及重量，經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)及國(guó)內(nèi)廠家的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，一般情況下 振動(dòng)時(shí)間為：金屬構(gòu)件重量＜1 t時(shí)，處理時(shí)間10～20min； 1～4.5t時(shí)，20～30 min；＞4. 5t時(shí)，30～35min。
采用“振動(dòng)臺(tái)法”處理時(shí)，其重量應(yīng)包括平臺(tái)、緊固夾具及工件的全部重量。
3 效果驗(yàn)證
為檢驗(yàn)振動(dòng)時(shí)效工藝效果，我們?cè)鴮?duì)熱處理時(shí)效與振動(dòng)時(shí)效兩種工藝方 法進(jìn)行過(guò)尺寸精度穩(wěn)定性對(duì)比檢驗(yàn)。
工件為JBQ3—11.4電動(dòng)機(jī)機(jī)座，其形狀如圖3所示。工件材料均為Q235—A，鋼板組焊 成形，其毛重為49.2kg，加工后重量為37.8kg。
試驗(yàn)方法。對(duì)18只焊接后毛坯，熱時(shí)效處理6只，振動(dòng)時(shí)效處理6只，未時(shí)效處理6只。對(duì)18 只零件均 按圖3所示尺寸加工，其中未時(shí)效處理6只放余量1mm，防止零件報(bào)廢（圖中A－A、B－B為測(cè) 量尺寸分布點(diǎn)）。零件加工后進(jìn)行分類編號(hào)測(cè)試記錄，并將其呈自由狀態(tài)放置水泥平臺(tái)上用 三點(diǎn)支撐，靜止3個(gè)月后再進(jìn)行尺寸測(cè)試，其結(jié)果見(jiàn)表2。
表1 不同轉(zhuǎn)速下的激振力（略）
表2 不同處理方法的變形比較（略）
圖3 電動(dòng)機(jī)機(jī)座（略）
本工件時(shí)效處理目的在于提高工件的精度穩(wěn)定性，通過(guò)驗(yàn)證可以看出：振動(dòng)時(shí)效處理對(duì)零件 精度穩(wěn)定性較理想。
我們通過(guò)多年來(lái)對(duì)振動(dòng)時(shí)效技術(shù)的探討及應(yīng)用，認(rèn)為它是一項(xiàng)高效節(jié)能、工藝簡(jiǎn)單、方便適 用、具有顯著經(jīng)濟(jì)效益的新技術(shù)，但也有許多不足，如：施工中噪聲很大，不能改善工件的 切削性能，特別是對(duì)焊接件，它不能改善焊縫及熱影響區(qū)的組織和性能。所以它不能完全取代熱時(shí)效處理，這就要求我們?cè)趯?shí)踐中不斷地去完善它，使之能發(fā)揮更大的效益。