一種履帶梁振動(dòng)時(shí)效工藝應(yīng)用

摘 要:介紹了焊接結(jié)構(gòu)件中殘余應(yīng)力的產(chǎn)生原因、危害以及振動(dòng)時(shí)效的工作原理和工藝方案，對(duì)振動(dòng)時(shí)效工藝與熱時(shí)效工藝進(jìn)行了技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析，以振動(dòng)時(shí)效工藝在一種履帶梁(焊接結(jié)構(gòu)件)上的應(yīng)用及試驗(yàn)效果驗(yàn)證，論述了振動(dòng)時(shí)效對(duì)降低、均化金屬結(jié)構(gòu)件的殘余應(yīng)力，提高抗變形能力，穩(wěn)定尺寸精度和防止裂紋有好的效果，可取代熱時(shí)效。

關(guān)鍵詞:振動(dòng)時(shí)效熱時(shí)效退火殘余應(yīng)力工藝改進(jìn)履帶梁

中圖分類(lèi)號(hào):TG44文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1674-098X(2011)06(a)-0075-03

1 現(xiàn)狀

焊接結(jié)構(gòu)件由于內(nèi)部焊接殘余應(yīng)力的存在，致使工件處于不穩(wěn)定狀態(tài)，降低了工件的尺寸穩(wěn)定性和機(jī)械物理性能，使工件在使用過(guò)程中因殘余應(yīng)力的釋放而產(chǎn)生變形，導(dǎo)致機(jī)械設(shè)備出現(xiàn)不穩(wěn)定、性能降低，因此有必要對(duì)這類(lèi)工件進(jìn)行消除殘余應(yīng)力的處理。公司采用的削除焊接殘余應(yīng)力、提高焊接結(jié)構(gòu)件尺寸穩(wěn)定性的工藝為熱時(shí)效(退火)及自然時(shí)效。因該種履帶梁對(duì)結(jié)構(gòu)尺寸穩(wěn)定性有較高的要求，工藝上采用了常用的熱時(shí)效(退火)工藝消除焊接殘余應(yīng)力、提高其尺寸穩(wěn)定性，保證質(zhì)量要求。熱時(shí)效工藝過(guò)程為:將金屬結(jié)構(gòu)件加熱到一定溫度，保溫后隨爐冷卻，達(dá)到消除殘余應(yīng)力的目的，并保證工件尺寸的穩(wěn)定性和防止裂紋產(chǎn)生。履帶梁工藝路線為:下料—焊接—熱時(shí)效(退火)—機(jī)加工，工件結(jié)構(gòu)如圖1所示，工件重量430kg，因工件長(zhǎng)度達(dá)3.2m，需采用1臺(tái)320kW電阻爐，電阻爐的用電量很大，其綜合熱時(shí)效成本為500元/噸。

履帶梁生產(chǎn)周期長(zhǎng)達(dá)8天，為產(chǎn)品中生產(chǎn)周期最長(zhǎng)的焊接結(jié)構(gòu)件，其中熱時(shí)效(退火)工序周期1天(24小時(shí))，嚴(yán)重阻礙了生產(chǎn)流程的優(yōu)化和產(chǎn)能的提升，熱時(shí)效(退火)因周期過(guò)長(zhǎng)成為制約生產(chǎn)的瓶頸。為提高滿爐率，履帶梁熱時(shí)效工序庫(kù)存多，且工件爐內(nèi)多層擺放，熱時(shí)效中下層工件受重壓變形大。隨著公司精益制造的深入，產(chǎn)能的擴(kuò)大，降低工序庫(kù)存、縮短生產(chǎn)周期已刻不容緩。

2 工藝改進(jìn)

由于履帶梁熱時(shí)效(退火)工序周期長(zhǎng)、成本高，為了縮短生產(chǎn)周期，改善工序瓶頸，提升產(chǎn)能，公司工藝裝備研究院經(jīng)考察、研究及試驗(yàn)，采用振動(dòng)時(shí)效技術(shù)取代熱時(shí)效(退火)，并成功應(yīng)用于生產(chǎn)。

2.1 振動(dòng)時(shí)效的工作原理

振動(dòng)時(shí)效是給被時(shí)效處理的工件，施加一個(gè)與固有諧振頻率相一致的周期激振力，使其產(chǎn)生振動(dòng)，從而使工件獲得一定的振動(dòng)能量，使工件內(nèi)部產(chǎn)生微觀的塑性變形，從而使造成殘余應(yīng)力的晶格被漸漸地恢復(fù)平衡狀態(tài)，晶粒內(nèi)部的位錯(cuò)逐漸滑移并重新纏繞釘扎，從而使工件內(nèi)部的殘余應(yīng)力得以消除和均化，并使其尺寸精度達(dá)到穩(wěn)定，防止工件在加工和使用過(guò)程中變形和開(kāi)裂。

2.2 振動(dòng)時(shí)效工藝方案

公司選用HK2009B1交流變頻振動(dòng)時(shí)效設(shè)備，振動(dòng)時(shí)效工藝過(guò)程簡(jiǎn)便，其安裝示意見(jiàn)圖2，根據(jù)振動(dòng)時(shí)效的工件形狀，確定進(jìn)行時(shí)效工件的橡膠減振墊支撐位置、激振器的裝夾位置和傳感器的放置位置，并按下列步驟進(jìn)入運(yùn)行準(zhǔn)備過(guò)程:

(1)選擇工件振動(dòng)時(shí)效時(shí)振幅最小處(稱為節(jié)點(diǎn))為支撐點(diǎn)，將工件放置在橡膠減振墊上，橡膠減振墊的數(shù)目以工件外形尺寸及重量來(lái)確定，支撐點(diǎn)越少越好，盡量采用3點(diǎn)支撐，但要保證工件平穩(wěn)。

(2)選擇好激振器的放置位置后，將激振器用兩個(gè)弓形卡具夾緊，裝夾位置應(yīng)盡量靠近工件共振時(shí)的波峰處。之后，調(diào)整激振器的偏心，偏心的調(diào)整以工件能夠順利起振，達(dá)到設(shè)備要求的振動(dòng)強(qiáng)度范圍即可。若需要進(jìn)行振動(dòng)時(shí)效的工件是安裝在夾具或振動(dòng)平臺(tái)上的，可適當(dāng)增大偏心。

(3)將傳感器用磁座吸緊在工件共振時(shí)的波峰處，因工件共振時(shí)有多個(gè)波峰，所以傳感器和激振器盡量不要放在工件的同一個(gè)波峰處。若工件為非磁性的，需采用粘合劑將傳感器粘貼在工件上。

(4)連接好激振器電纜、傳感器電纜及控制器電源電纜線。

完成以上工作后啟動(dòng)控制器進(jìn)入工作狀態(tài)，HK2009B1交流變頻振動(dòng)時(shí)效系統(tǒng)具有亞共振時(shí)效功能，即系統(tǒng)在頻譜諧波分析到最佳頻率后，自動(dòng)掃描得到一個(gè)滿足處理?xiàng)l件的最佳共振峰值，根據(jù)工件的材料特性將自動(dòng)在亞共振區(qū)選擇一個(gè)合適的振動(dòng)點(diǎn)進(jìn)行時(shí)效處理，自動(dòng)按穩(wěn)幅工藝判斷處理時(shí)間，處理完畢后，振動(dòng)時(shí)效設(shè)備自動(dòng)對(duì)被時(shí)效處理工件的參數(shù)進(jìn)行再一次檢測(cè)，以便依據(jù)JB/T5926-2005或JB/T10375-2002標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)振動(dòng)時(shí)效進(jìn)行定性判定，并記錄振前振后數(shù)據(jù)的變化，然后自動(dòng)停機(jī)，整個(gè)時(shí)效處理結(jié)束。

以上方式在頻譜諧波分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行，準(zhǔn)確分析到工件的殘余應(yīng)力釋放點(diǎn)，整個(gè)過(guò)程始終保持低頻處理，保證了被處理工件在可承受的疲勞加載次數(shù)的前提下進(jìn)行時(shí)效處理，既保證工件殘余應(yīng)力得到最大程度的釋放，又保證了工件安全完好。

根據(jù)履帶梁的形狀、結(jié)構(gòu)、重量，經(jīng)試驗(yàn)，橡膠減振墊支撐位置間距700mm、激振器與相鄰橡膠減振墊間距300mm、傳感器放置于工件末端，如圖3，激振器偏心位置調(diào)到30°，時(shí)效時(shí)間確定在40分鐘，時(shí)效處理效果最佳。

3 工藝實(shí)施及效果

3.1 振動(dòng)時(shí)效效果判定

振動(dòng)時(shí)效效果評(píng)定方法有參數(shù)曲線觀測(cè)法、殘余應(yīng)力測(cè)試法、尺寸精度穩(wěn)定性測(cè)試法。履帶梁為以尺寸穩(wěn)定性為主要目的而進(jìn)行振動(dòng)時(shí)效處理的焊接構(gòu)件，試驗(yàn)采用尺寸精度穩(wěn)定性測(cè)試法進(jìn)行效果評(píng)定，具體方法如下:對(duì)履帶梁進(jìn)行振后精度穩(wěn)定性檢驗(yàn)，精加工后檢驗(yàn)，長(zhǎng)期放置檢驗(yàn)靜尺寸穩(wěn)定性，在放置15天時(shí)第一次檢驗(yàn)，以后每隔30天檢一次，對(duì)比履帶梁加工面(支重輪安裝面)平面度平均變化量。

履帶梁熱時(shí)效、振動(dòng)時(shí)效對(duì)比試驗(yàn)檢測(cè)數(shù)據(jù)如表1所示。

通過(guò)對(duì)上表試驗(yàn)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出履帶梁加工面平面度平均變化量如表2所示。

從以上試驗(yàn)分析，振動(dòng)時(shí)效能有效釋放工件內(nèi)殘余應(yīng)力，減少履帶梁變形，振動(dòng)時(shí)效比熱時(shí)效提高履帶梁尺寸穩(wěn)定性50%。

3.2 履帶梁振動(dòng)時(shí)效技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析

如表3所示。

從表3振動(dòng)時(shí)效與熱時(shí)效技術(shù)經(jīng)濟(jì)對(duì)比分析可看出，振動(dòng)時(shí)效比熱時(shí)效投資少、成本低、生產(chǎn)效率高、去應(yīng)力效果相當(dāng)。與熱時(shí)效相比，履帶梁振動(dòng)時(shí)效工序周期由24小時(shí)縮短為0.7小時(shí)，可以節(jié)省88萬(wàn)元/年的時(shí)效成本，隨著產(chǎn)量的擴(kuò)大，其經(jīng)濟(jì)性更加顯著。

4 結(jié)論

振動(dòng)時(shí)效對(duì)降低或均化金屬結(jié)構(gòu)件的殘余應(yīng)力，提高抗動(dòng)載變形能力，穩(wěn)定尺寸精度和防止裂紋有好的效果，在消除應(yīng)力方面可取代熱時(shí)效。

實(shí)踐證明振動(dòng)時(shí)效替代熱時(shí)效后可節(jié)約能源95%以上，提高抗變形能力30%以上，尺寸穩(wěn)定性提高30%以上，疲勞壽命提高20%以上。處理時(shí)效通常只需15～45分鐘，不受工件尺寸、形狀、重量等限制。采用振動(dòng)時(shí)效可大幅提高工效、縮短生產(chǎn)周期，是一項(xiàng)投資少、綜合效益顯著的工藝。由于振動(dòng)時(shí)效的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果日益顯著，其應(yīng)用范圍也不斷擴(kuò)大，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于鑄造、鍛造和焊接等金屬構(gòu)件的時(shí)效處理。