振動時效技術在輥壓機軸承座制造中的應用

董治收

1 前言

構件在焊接過程中，由于受熱不均等因素影響，會產生不同程度的焊接殘余應力，殘余應力的存在對構件的結構強度、疲勞壽命及形變等方面均十分有害，消除焊接構件的殘余應力是機械加工過程中的一項非常重要的工作。

采用振動時效方法代替熱時效方法消除金屬構件內的殘余應力，已被許多國家大量使用，我公司也在該項技術的機理和應用研究上取得了較大的進展。下文將對振動時效技術在輥壓機軸承座制造中的應用進行介紹。

2 振動時效的工作機理

振動時效在國外被稱做“Vibratory Stress Relief”（簡稱VSR），VSR可以降低或均化構件內的殘余應力，提高構件的使用強度，減少構件形變，保持構件精度，防止構件在惡劣使用環境下產生微觀裂紋，具有顯著的節約能源、提高工效的效果。

振動時效與熱時效的工作機理不同，振動時效是使構件在共振頻率下受激發生共振，振動釋放金屬構件的殘余應力。構件在共振狀態下，按一定的振型產生彈性變形，彈性變形產生動應力，當動應力與構件上各點的殘余應力疊加大于材料的屈服極限后，則在該點出現局部的塑性變形，應力即得以釋放。而熱時效是靠升高具有殘余應力金屬構件的溫度、降低材料的屈服強度以釋放應力。

振動時效既可以降低應力，也可以消除或降低殘余應力對構件的影響，其作用有如下幾方面：

（1）減少或防止構件形變

構件的變形是由殘余應力造成，殘余應力的分布和量值具有很大的隨機性，其水平與構件內的動應力大小有關，動應力大則消除殘余應力的效果好，動應力小則消除殘余應力的效果差。

（2）降低應力，消除應力集中，防止出現裂紋

振動中殘余應力大的點，應力下降比例大，若應力值差得太大，易使構件產生變形。振動時效技術的使用，能消除應力集中，避免出現裂紋。

（3）延長焊接構件的疲勞壽命

大量的實驗和實踐證明，振動時效可延長焊件50%以上的疲勞壽命、0.5~1倍的使用壽命。

1991 年，我國即制定了振動時效技術的行業標準JB/T 5928.91；1993年，振動時效技術被國家科委批準為“國家級科技成果重點推廣計劃”項目，在全國推廣。多年實踐表明，振動時效在去除焊接鑄造構件的殘余應力方面，效果優于熱時效，能為企業節省大量資金和時間。

3 基于VSR消除輥壓機軸承座殘余應力

3.1 振動時效儀器選型

振動時效消除應力儀器采用VSR-60 型多功能便攜式振動消除應力系統，單次消除應力構件的最大重量為100t，主要參數見表1。

表1 VSR-60型多功能便攜式振動消除應力系統主要參數

3.2 輥壓機軸承座殘余應力的形成原因

輥壓機軸承座由軸承座體和襯套通過焊接制作而成。軸承座體為鑄鋼件，在鑄造期間，軸承座毛坯件需完成兩次熱時效處理。襯套為用鋼板卷制的圓筒，在卷制過程中，材料內部會產生一個比較大的彈性應力，在焊接時，焊縫處也會形成焊接應力。在軸承座體內孔和襯套外圓精加工完成后，將襯套熱裝到軸承座體內孔中，對軸承座上、下兩道環形焊口進行焊接，焊縫處會形成焊接應力。輥壓機軸承座作為輥壓機的重要部件，在不同工況環境下，均不能出現疲勞破壞，故降低或均化焊接殘余應力是一項很重要的制作工序。

3.3 振動平臺設計

振動時效的工作機理是，通過掃頻檢測出構件的固有頻率，在固有頻率下使構件產生共振，在共振的狀態下消除構件應力。振動時效儀器的最高工作頻率＜166Hz，通常構件的固有頻率不會超過這個頻率，可以直接對構件進行振動時效處理。但輥壓機軸承座整體鋼性比較集中，軸承座的固有頻率超出振動時效儀器的工作頻率范圍，直接進行振動時效的工作頻率較高，將會影響振動時效效果。根據JB/T 5926-2005《振動時效效果評定方法》中5.3.3 組合振動原則，采用振動平臺工藝對構件進行振動時效處理，也稱組合振動。振動平臺根據TRP220-160型號輥壓機軸承座的重量及體積進行設計，采用鋼結構形式焊接制作而成，如圖1所示。

圖1 振動時效平臺簡圖

3.4 振動時效處理過程

處理前，先在振動平臺和地面之間設4個彈性支撐點，使其與地面的摩擦達到最佳的振動時效效果，然后用壓板將軸承座固定在振動平臺上，使其與平臺成為一體，對平臺軸承座進行組合振動時效處理。軸承座振動時效處理簡圖如圖2所示。

圖2 軸承座振動時效處理簡圖

（1）支承方式。在振動平臺與地面之間設置4個橡膠支撐點，以降低振動阻力。

（2）激振點。激振器安裝在振動平臺中部邊緣處，采用壓板將激振器與振動平臺進行鋼性連接。

（3）測振點。測振點即振動傳感器安裝位置。用傳感器測量振動構件的振動幅度，以便快速掌握構件的振動狀態，科學調整激振力，使之達到最佳的振動時效效果。振動傳感器安裝在平臺邊緣處振動幅度最大的位置，用低噪聲屏蔽信號電纜，與計算機控制終端相連，監控軸承座的振動狀態。

（4）激振力。激振器偏心檔位的選擇應當保證構件產生合適振幅。本次振動消除應力偏心檔位選擇為4 檔（約15~20kN）激振力，確保構件能夠產生超過4g加速度的振幅。

（5）共振頻率。共振頻率即振動臺固有頻率。振動時效系統主控機通過自動掃頻裝置，檢測振動臺軸承座的固有頻率，判斷有效共振峰，自動選擇頻率，對構件進行振動時效處理。

（6）處理時間。振動時效時間10~45min，可根據振動幅度的大小調節振動時間，該平臺軸承座的振動時間為25min。

（7）操作流程。振動時效系統全過程自動進行，實施振動時效前，掃頻檢測構件的固有頻率，對構件進行振動時效處理；實施振動時效后，掃頻檢測構件的固有頻率，打印構件振動時效數據曲線。

3.5 振動時效數據曲線的處理分析

用振動平臺對軸承座進行振動時效處理，振動時效處理時間25min，處理結束后打印時效數據曲線。振動時效曲線圖如圖3所示。

3.5.1 振動時效數據曲線分析

振動時效處理前，構件的固有頻率（時效轉數）為5 965r/min，振動幅度4.97g；振動時效處理后，構件的固有頻率（時效轉數）為5 917r/min，振動幅度7.97g；

由圖3中的數據分析可知，振動時效處理后的固有頻率比振動時效處理前的固有頻率向左移了48r/min，振動時效處理后的振幅比振動時效處理前的振幅升高了3g；振動時效處理過程中，a—t曲線常出現先上升后下降，最終處于平穩的狀態。

圖3 振動時效曲線圖（2020年5月8日）

3.5.2 振動時效效果評估

按照JB/T 5926-2005《振動時效效果評定方法》第6.1條參數曲線觀測法的規定，可根據振動時效過程中實時打印的a—t曲線及a—n曲線振動時效處理前后的變化，評估振動時效的實際效果。出現下列情況之一時，即可判定振動時效有效：

a—t曲線上升后變平；

a—t曲線上升后下降，最終變平穩；

a—n曲線振動時效處理后，共振峰發生了單項特征或組合特征的變化（出現振幅升高、降低、左移、右移）；

a—n曲線振動時效處理后變得簡潔而平滑；

a—n曲線振動時效處理后出現低幅振峰增值現象。

3.5.3 結果分析

振動時效處理前、后，掃頻檢測數據固有頻率及振動幅度變化明顯；檢測數據符合標準（a—n曲線振動時效處理后，共振峰振幅明顯升高，固有頻率左移）；振動時效曲線開始出現明顯上升，后期趨于平穩，符合標準（a—t曲線上升后變平穩）。

由上述情況可判定，本次振動時效處理有效。

3.6 軸承座振動時效處理效果

采用盲孔法檢測軸承座殘余應力。測試點處材料厚度應大于鉆孔直徑的4 倍，構件的5 個測試點應選在焊縫中心或焊縫根部。

計算振動時效處理前后構件的應力消除率，軸承座振動時效處理前，主應力平均為256.10MPa；振動時效處理后，主應力平均值為120.60MPa，應力消除率為52.91%，符合JB/T 5926-2005標準中振動時效處理后應力消除率＞30%的要求。軸承座振動時效處理前后測量數據見表2，應力消除率計算結果見表3。

表2 軸承座測量數據，MPa

表3 應力消除率計算結果，MPa

4 振動時效實際應用效果

4.1 工藝操作簡便

采用振動時效工藝，2h 內即可完成全部時效工作（包含準備工作），比熱時效時間縮短約5d，提高了工作效率，縮短了產品制造周期。

4.2 工藝成本低

以TRP180-160 輥壓機浮動軸承座制作為例，采用熱時效工藝消除軸承座的殘余應力費用約為6 900元/個，而采用振動時效工藝消除軸承座殘余應力僅需要人工費200元/個，一個軸承座可節省成本6 700元，成本降低了90%以上。

4.3 節能環保

采用振動時效代替熱時效，可以避免電能和天燃氣的消耗，節約了能源，減少了碳排放量和有害物質的排放量。

振動時效工藝處理過程無環境污染，無明顯噪聲，社會效益及經濟效益顯著。目前振動時效工藝已應用到國內外多個項目的輥壓機產品上，很好地滿足了產品質量要求。實踐證明，振動時效工藝是一種高效、節能、可靠的工藝措施，同時，該工藝還可拓展到其他構件的制作，具有較大的應用前景。