振動時效工藝過程的研究及應(yīng)用

南 翔，高禮奎，張 蕾

1.河南科技大學(xué)機電工程學(xué)院，河南洛陽 471003

2.中國一拖開創(chuàng)科技有限公司，河南洛陽 471003

振動時效消除應(yīng)力明顯，投資少，成本低，適合于熱時較容易變形的零件等。國外開發(fā)振動時效的技術(shù)較早，我國在19世紀(jì)70年代才開始研究。到目前為止，振動時效已廣泛應(yīng)用于機械制造行業(yè)。

1 振動時效的工藝過程

1.1 振動頻率的確定

工件在振動時效時是一個振動體，根據(jù)振動學(xué)原理，它的固有頻率可用下列通式表示：

式中：Fn為固有頻率（Hz）；

k為彈性系數(shù)（kg/cm）；

m為振動體的質(zhì)量（kg）。

工件固有頻率可由振動時效設(shè)備來測定，如圖1，該工件的固有共振頻率為4 500r/min，共振時產(chǎn)生的最大振動加速度（峰值）為60m/s2，則對工件的振動時效頻率就確定為工件振動加速度在20m/s2～40m/s2區(qū)域內(nèi)所對應(yīng)的頻率

圖1 某工件加速度—頻率掃描曲線圖

另外，具體選擇在多大頻率下為好，還要看工件的振動情況，如果工件在共振狀態(tài)下振動很激烈，則可選擇在共振峰高度的1/3～1/2范圍內(nèi)，如果振動不激烈，則選擇在共振峰高度的1/2～2/3范圍內(nèi)。

1.2 振動時間的確定

振動時間，是根據(jù)零件的結(jié)構(gòu)，重量，殘余應(yīng)力的大小和分布來選定的，振動時間的長短對振動時效的效果有著一定的影響，國際上普遍采用工件的亞共振區(qū)進行較長時間的亞共振處理，實驗證明，振動消除殘余應(yīng)力大部分是在前5分鐘內(nèi)完成的，5分鐘之后的處理效果已不再明顯，一般可參照下表1，來選擇振動時間，基本上能滿足振動工藝要求。

表1

1.3 動應(yīng)力的確定

動應(yīng)力是激振器施加給工件以與其固有頻率相一致的周期交變力相對應(yīng)的動態(tài)附加應(yīng)力，動應(yīng)力是振動時效中有決定性作用的參數(shù)，它不僅與工件中的原始殘余應(yīng)力值有關(guān)，而且與工件被處理后的強化和尺寸精度穩(wěn)定化有直接關(guān)系，動應(yīng)力選擇如果太小，則消除殘余應(yīng)力的效果比較差，動應(yīng)力施加太大，會超過工件的疲勞強度，甚至抗拉強度，引起工件疲勞強度的下降，甚至斷裂，動應(yīng)力可通過來調(diào)整激振器的轉(zhuǎn)子偏心來實現(xiàn)。

動應(yīng)力的幅值應(yīng)達到構(gòu)件的工作應(yīng)力的1/3～2/3，動應(yīng)力幅值一般可以用下式估算：

式中：σb為材料的抗拉強度 （MPa）；

σs為材料的屈服強度（MPa）；

σd為動應(yīng)力的幅值（MPa）。

當(dāng)構(gòu)件結(jié)構(gòu)均勻，應(yīng)力集中較小時，動應(yīng)力幅值可取上限，當(dāng)構(gòu)件結(jié)構(gòu)不均勻，應(yīng)力集中較大時，動應(yīng)力幅值取下限。

目前生產(chǎn)的振動時效設(shè)備具有人機對話的功能，對操作人員有著一定的指導(dǎo)作用，動應(yīng)力大小如果選擇不適當(dāng)，它會告訴操作人員如何調(diào)整動應(yīng)力，起到了良好的人機對話作用。

1.4 工件的支撐位置與激振器的裝夾位置的確定

支撐位置和裝夾位置是根據(jù)工件的振型來確定的，而工件的振型由于工件本身的重量，幾何形狀，尺寸等因素所決定的，所以判定工件振型，尋找支撐，裝夾位置是振動時效實際應(yīng)用中遇到問題最多的，也是最重要的、最困難的一個參數(shù)。

總的原則是，支撐墊應(yīng)放在工件振型的波節(jié)處，激振器應(yīng)放在工件振型的波峰處，用專用卡具與工件剛性的卡在一起，傳感器應(yīng)放在遠離激振器另一個波峰處。

如圖2所示，以梁型工件為例說明，此梁型工件為一階振型，按照上述原則，支撐位置與裝夾位置就容易確定了

圖2 梁型工件的一階振型與支撐裝夾示意圖

振動時效的振動頻率、振動時間、動應(yīng)力、工件的支撐位置與激振器的裝夾位置四個工藝參數(shù)一旦確定了，振動時效的工藝過程也就可以確定了。

利用HK2000型的振動時效設(shè)備，對振動頻率、振動時間兩個參數(shù)設(shè)備可自行檢測解決，對動應(yīng)力可通過人機對話進行調(diào)整解決，關(guān)鍵是工件的支撐位置與激振器的裝夾位置需要操作者完成，也是較難解決的一個工藝參數(shù)。

工件總結(jié)如下：

1）機床導(dǎo)軌床身（屬于梁型工件：長：寬>3，長：厚>5）：采用四點支撐，一般支撐在距離端部2/9處，激振器卡在床身一端，傳感器放在工件的另一端。如圖3

圖3 機床床身支撐裝夾示意圖

圖4 絞車機架支撐裝夾位置

2）礦山機械用絞車機架（屬于方型工件：長≈寬≈厚）：三點支撐結(jié)構(gòu)，激振器在單支點側(cè)的端部，傳感器在另一端部。如圖4。

3）礦山機械用并車箱底架（屬于板型工件：長≈寬，長：厚>5）：采用四點支撐，激振器放在工件一端，傳感器放在另一端。如圖5。

圖5 并車箱底架支撐裝夾示意圖

以上三種工件按照上述支撐位置和裝夾位置，進行時效處理后，輸出的振幅頻率（A-f）曲線（f表示頻率）及振幅時間（A-t）曲線均符合JB/T5926-91標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。

2 結(jié)論

通過對振動時效的原理和工藝過程研究，使得工藝人員和設(shè)備操作人員在實際的工作當(dāng)中更容易確定振動時效的工藝參數(shù)，有利于振動時效在實際工作中推廣應(yīng)用。

[1]周振豐.焊接冶金學(xué)（金屬焊接性）[M].北京：機械工業(yè)出版社，199.

[2]李春勝，黃德彬主編.金屬材料手冊[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005.

[3]鄭宜庭，黃石生合編.弧焊電源[M].北京：機械工業(yè)出版社，1996.

[4]徐強，等.雙脈沖MIG對2219Al-Cu合金焊縫組織及性能的影響[J].熱加工工藝，2004，10.

[5]Daihen Corporation，仝紅軍，上山智之.低頻調(diào)制型脈沖MIG焊接方法的工藝特點[J].焊接，2001(11)：33.