振動時效技術在齒輪箱加工中的應用

■ 淄柴動力有限公司 （山東淄博 255000） 李西望 梁艷輝 趙 輝

我公司生產的齒輪箱體是鑄鐵件，外形尺寸為790mm×760mm，厚度為105mm。箱體內部是空腔，壁厚為15mm，屬于薄壁件。箱體兩端面為7級精度要求，表面粗糙度值Ra=3.2μm。兩端面是在立式車床上經過粗、精車兩道工序加工，加工后經過檢驗，兩端面的平面度、平行度超差。經過分析認為，薄壁件在加工過程中易產生塑性變形、熱變形和殘余應力變形，其中殘余應力是引起零件變形的主要原因。鑄件存在兩種殘余應力：一種是鑄造殘余應力；另一種是加工殘余應力。鑄造殘余應力可以通過退火處理，釋放殘余應力后以平衡狀態存在于零件內部。在切削加工中，由于材料的去除，打破了原來殘余應力的平衡狀態，從而引起零件的變形，最終影響零件的尺寸精度、幾何精度及尺寸的穩定性，由此可以確定，加工殘余應力是引起零件在加工中變形的主要原因，因此消除加工殘余應力是必要的。

1. 消除加工殘余應力方法的選用

目前消除加工殘余應力常用的方式是時效處理，時效方式有：自然時效、熱時效、振動時效和頻譜諧波時效等。由于我公司的齒輪箱體體積小、產量高，因此選用一種合適、合理及性價比較好的時效方式是很重要的。通過表1的時效方式對比，選用振動時效處理作為消除加工殘余應力的方法。

2. 振動時效工藝方案設計

（1）工藝路線的確定 為了消除齒輪箱體加工殘余應力，決定在原工藝路線中增加一道振動時效處理工序。根據振動時效使用的技術要求及安排，應在粗加工后、精加工前增加振動時效工序。工藝路線對比如下。原工藝路線：鑄造→退火處理→粗加工→精加工。新工藝路線：鑄造→退火處理→粗加工→振動時效處理→精加工。

表1 時效方式對比

（2）裝夾方式 激振器裝夾方式有兩種，一種是直接裝夾方式，直接用弓形鋼把激振器裝夾在工件上，適用于大型、產量少的工件；另一種是輔助工裝裝夾方式，激振器不能直接裝夾在工件上，需要通過時效平臺對工件進行時效，適用于小型、產量大的工件。我公司的齒輪箱體屬于小型工件，且產量較大，因此采用輔助工裝裝夾齒輪箱體，進行振動時效處理，振動效率高。

（3）時效平臺的設計制作 為了提高振動時效效率，按照一次裝夾6件齒輪箱體設計時效平臺。時效平臺的設計原則是：長寬比為2∶1、厚度一般不低于50mm的鋼板；工作面表面粗糙度質量要高于被時效工件，另一平面用加強筋固定，防止平面變形。我公司選用的時效平臺材料為Q235A，鋼板厚度為60mm，尺寸為3 000mm×1 500mm。在鋼板底面焊接4個寬140mm的槽鋼作為加強筋。為了消除工裝焊接應力，先對時效平臺進行時效振動，然后對工作平面進行精銑，來保證時效平臺的平面度。要求工作面表面粗糙度值Ra=6.3μm，小于工件粗加工時的表面粗糙度值Ra=12.5μm。振動時效平臺如圖1所示。

3. 振動時效工藝參數的選擇

（1）激振點位置的選擇 激振點就是激振器在時效平臺上裝夾的位置。由于振動時效平臺長寬比為2∶1，且長與厚之比＞5，所以激振點在時效平臺長度方向的中間位置，即激振器應該裝夾在長度方向的中間位置。

（2）工件的定位壓緊 為了提高零件的振動效果，由于在節線處振動值最小，要避免把工件裝夾在時效平臺的節線處。在確定激振點的位置后，通過對時效平臺的振動，利用撒切屑法來判斷節線位置，切屑集中的地方為時效平臺的節線處。本時效平臺有兩處節線，分布在時效平臺距兩端的800mm處，在長度方向約2/9處，與經驗值相吻合。工件裝夾在時效平臺的中間和兩端處，通過壓板和螺栓緊固工件，螺栓必須具有足夠的強度，選用M20雙頭螺栓，并用螺母固定在時效平臺上，且壓板必須雙邊壓實工件。

圖1 振動時效平臺

（3）支撐位置的選擇 根據支撐點確定原則，支撐點盡可能選擇在振動節線處。前面已經確定了節線處，在節線處放置支撐體。支撐體常選用有一定彈性的材料，這里采用的是圓形橡膠墊，將4個橡膠墊分別支撐在兩節線兩端，如圖2所示。

（4）拾振點位置的選擇 在確定了激振點和節線后，拾振點的位置應該遠離激振點和節線，故選在激振點對角處。激振點、支撐點及工件裝夾位置如圖3所示。

（5）激振頻率的選擇 由于齒輪箱體結構簡單、體積小，選用的是一階彎曲振動，也是目前常用的振型。一階振動易使殘余應力釋放。公司采購的是VSR-環天968型振動時效儀，它能自動在一定的頻率范圍內通過拾振器掃描出一階共振頻率為5 000r/min，加速度最大值達到15g。振動時效處理一般選擇在亞共振區內，在亞共振區內進行振動時效處理時，不會對工件造成任何疲勞損壞。在亞共振區內選擇共振頻率的1/3～2/3處為激振頻率，故設置激振頻率在2 000～3 000r/min。

（6）激振力的確定 激振力的大小是通過工件承受動應力大小來衡量的，VSR-環天968型振動時效儀通過改變偏心輪的距離來調節激振力的大小。主振峰時效裝置的偏心位置，應在工件的動應力峰值達到工作應力的1/3～2/3處，但要與降低噪聲相結合。因此設置偏心擋4擋。

圖2 激振點、支撐點及工件裝夾位置設計

圖3 激振點、支撐點及工件裝夾位置

（7）振動時間的確定 時效平臺和工件的質量在3t左右，振動時間30min即可。由于齒輪箱體是薄壁件，加工殘余應力不均勻情況比較嚴重，為了使齒輪箱體的加工殘余應力消除和均化到理想程度，將振動時間延長至40min。

4. 試驗結果分析

在工藝方案確定、時效平臺制作完成及工藝參數確定后，進行了振動時效試驗。試驗結果依據JB/T 5926－2005振動時效效果評定方法進行判定，出現下列情況之一時，即可判定為達到振動時效工藝效果：①振幅－時間（a－t）曲線上升后變平。②振幅－頻率（a－f）曲線振后比振前的峰值升高、峰值點左移。

經試驗，得出振幅－時間（a－t）曲線如圖4所示，振幅－頻率（a－f）曲線如圖5所示。

由圖4可以看出，曲線先上升后變平，加速度基本維持在12.1g左右；由圖5可以看出，振前峰值在2 792r/min處為9.8g，振后峰值在2 682r/min處為12.1g，振后峰值比振前峰值升高且峰值點左移。試驗結果符合JB/T 5926－2005振動時效效果評定方法中規定的判定條件，因此判定振動時效可達到工藝要求的效果。

圖4 振幅－時間（a－t）曲線

圖5 振幅－頻率（a－f）曲線

5. 結語

采用振動時效工藝消除薄壁件加工中存在的殘余應力，最終使齒輪箱兩端平面的平面度、平行度達到了設計要求，說明振動時效工藝對消除加工殘余應力十分有效。