振动时效消除液压支架油缸缸筒残余应力的应用与研究.pdf

2 0 1 0 年第5 期 设计与研究 文章编号 1 0 0 1 2 2 6 5 2 0 l 0 0 5 0 0 3 5一 O 3 振动时效消除液压支架油缸缸筒残余 应力的应用与研究 李 秀玲 ， 徐 坚 郑州 铁路 职业 技 术学院 ， 郑州4 5 0 0 5 2 摘 要 针 对 液压 支架 油缸在 机械 加 工过 程 中产 生 的 残余 应 力 ， 以及 由于 残余 应 力显 现 的 油 缸 变形 问题 ， 采用振 动 时效进 行 残余应 力 消除和 均化 ， 使 用金 属磁 记 忆应 力检 测 仪 分 别对 振 动 时效 前 、 后 残余 应 力 分 布进行检 测 ， 结 果表 明 基 于频 谱谐振 原理 的振 动 时 效 处理 ， 能 够 对 缸 筒加 工后 的 残余 应 力起 到 均化 作 用 ， 加 ． Y - 变形得 到有 效 改善 ， 能够 达到 设计 和使 用要 求。 关 键词 振 动 时效 ； 残余应 力 ； 均化 效果 ； 共振 中图分 类号 T H 1 2 ； T G 6 5 文献标 识码 A App l i c a t i o n a n d Re s e a r c h o f Vi br a t or y St r e s s Re l i e f El i mi na t i o n o f Hy dr au l i c S upp or t s Cy l i nde r Cy l i n de r o f Re s i du al St r e s s LI Xi u l i n g，XU J i a n Z h e n g z h o u R a i l wa y V o c a t i o n a l T e c h n i c a l C o l l e g e，Z h e n g z h o u 4 5 0 0 5 2，C h i n a Abs t r a c t Ag a i ns t t he r e s i d ua l s t r e s s i s g e n e r a t e d i n t h e me c h a ni c a l pr o c e s s i n g o f t h e h yd r a u l i c c yl i n d e r ， a p- pe a r e d t h e pr o bl e m o f Cyl i nd e r d i s t o r t i o n du e t o r e s i d u a l s t r e s s ， r e s i d u a l s t r e s s i s e l i mi na t i o n a n d h o mo g e ni z a - t i o n by us i ng Vi b r a t o r y S t r e s s Re l i e f ,The us e o f me t a l ma g n e t i c me mo r y s t r e s s t e s t e r VS R，d e t e c t i n g r e s pe c - t i v e l y b e f o r e a nd a fte r Vi b r a t o r y S t r e s s Re l i e f r e s i d u a l s t r e s s di s t r i bu t i o n ，Th e r e s u l t s s ho w t ha t ba s e d o n Vi - br a t o r y S t r e s s Re l i e f t r e a t me n t of Re s o n a nt v i br a t i o n t h e o ry ，b e c a pa b l e t o pl a y a r o l e i n Ho mog e n i z a t i o n f o r r e s i d u a l s t r e s s o f Cyl i n d e r a fte r pr o c e s s ing ， De f o r ma t i o n pr oc e s s i n g i s i mpr o ve d e f f e c t i ve l y， r e a c h e d t he d e s i g n a n d u s e r e q u i r e me n t s ． Ke y wo r d svi b r a t o r y s t r e s s r e l i e f ； r e s i d u a l s t r e s s ；h o mo g e ni zi n g e f f e c t ； r e s o n a n c e 0 引言 1 振动 时效 的原理 液 压支 架千 斤顶 油缸 使用 过 程 中一 般 受 到高 压作 用 ， 通 常_T艺 为 管 料 调 质 后 进 行 粗 车 、 推 镗 、 精 车 等机 械 加工 ， 特别 是推 镗过 程会 产 生较 大 的加 工 应 力 ， 在加 工 后缸简 产 生 明显 的 变形 ， 不 能满 足设 计 公 差 的要 求 ， 严 重时会 造成 废 品 。传 统 的时 效 处理 方 法有 自然 时效 法 和热 时效法 。 自然 时效法 处 理周 期 长 ， 效 果差 ； 热 时 效 法不仅 成 本 高 ，还 可 能 改 变 材 料 的 微 观 结 构 与 性 能 。与上 述两 种 方 法 相 比较 ， 振 动 时 效 具 有 明显 的优 点 ， 它能使构件 的机械性 能显著提高 ， 且使用方便 、 耗 能低 、 耗 时短 ， 具 有 很 强 的适 应 性 ， 本 文 应 用 先 进 的 频谱 振 动时 效方 法有 效 均化 了液 压 支架 油 缸 的加 工残 余应力 ， 改善了加工应力引起 的变形。 振 动时效 ，又称 为 “ V S R” 方 法 ，又称 振 动 消 除应 力法 ， 是 利用 共振 原 理 消 除 和 均 化 金 属结 构件 内部 残 余应力 ， 可取代传统 的 自然 时效 和热时效 的一种新工 艺方 法 。 。即利 用 工 件 的共 振 对 工 件 施 加交 变 应 力 或变 形 ， 当附 加交 变 应 力 的 幅值 与工 件 某 点 的残 余 应 力叠 加达 到或 超 过 材 料 的 屈 服 极 限时 ， 工 件 发 生 微 观 或宏 观 弹塑性 变 化 ； 若 这 种 交 变 应 力 使 T 件 内部 的某 些 点 产生 晶格 滑移 ， 尽 管宏 观上 没 有 达 到屈 服极 限 ， 但 在微 观上会 产 生 塑 性 变 形 ， 而 且 这 种 变 形 一 般 发 生 在 残余应力最大的点上 ， 因此这种受约束 的变形得 以释 放 ， 从而降低和均化工件内的残余应力， 并使其尺寸精 度达 到稳 定 。这就 是振 动 时效 的原理 。 收稿 日期 2 0 0 9一l 0 0 9 作者简 介 李秀玲 1 9 8 2 一 ， 女， 河南 太康县人 ， 郑 州铁路职业技术学院硕士 ， 助教 ， Em a i l l i x i u l i n g 5 0 8 1 6 3 ． c o rn。 3 5 设计与研究 组合机床与自 动化加工技术 振动 时效 过 程 是 将 一 个 具 有 偏 心 重 块 的 电动 机 即激振器 安放在工件上 ， 并将工件用橡皮垫等弹性 物 体支 承起来 ， 通过振 动控 制器 调节 电机 转 速 ， 使 电机 的转 动频 率接 近工 件 的 固有 频 率 ， 构 件 与 激 振 器处 于 共振 状态 ， 产生 最大 的交变应 力 。 2 振动 时效前后残余应 力的检测 本 文采 用频 谱 谐 波 振动 对 缸 筒施 加 共 振 ， 为 了对 振动时效应力消除效果进行检测 ， 在频谱谐波振动时 效前后采用金属磁记忆应力检测仪进行应力检测 。金 属磁 记忆 应力 检测 仪检测 方法 的基 本原 理是 金属 在残 余应 力集 中区域 中产 生漏 磁 场 现 象 ， 而 漏 磁 场 的变 化 反映导磁率张量 ， 这一张量相当于金属在载荷作用下 形成 的变形 或应力 张量 。通过 金 属磁 记忆 应力 检测 仪 对实 验工 件 缸 筒 类 零 件 振 动前 后 漏 磁 场 分 布 的检 测 ， 判 断工件 内部 残余应 力分 布情 况 ， 从而 直 观地 观察 振动 时效前后 应力 消除 和均化效 果 。 3振动时效处理方案 采用振动时效处理工艺 ， 整体调整工件的残余应 力分布状态， 使之达到均化 、 消除的目的，主要从以下 三方 面考虑进 行 时 效处 理 一 是 根 据 缸 筒 的形 状 及 焊 接情况 ， 对工件 进 行 合 理 的 支撑 、 装 卡 激 振 器 ； 二 是 根 据缸筒焊接的部位 和方 向，选择合理的振型， 以期均 化和消除缸筒高峰值点 的残余应力； 三是根据工艺要 求 合理 地调整 激 振 力 ， 激 振 力 方 向 和时 间 的长 短 ，应 力分布状态 ， 使之达到均化的 目的 ， 以使处于焊缝 区的 残 余应 力得到 松弛 和均化 。考 虑到 缸筒 的具 体结 构 形 式 ， 采用 四点支 撑方式 。 通 过工 装 将 激振 器 和缸 筒 刚性 连接 ， 并 采 用 四点 减 振平稳 支撑 ， 通 过频 谱 谐 波 模 式 分析 优 选 出工 件 五 种不同振型的谐波频率进行时效去应力处理， 每件缸 筒选 择 三条焊缝 进 行 时 效 前磁 应 力 检 测 ， 时 效 后 沿 着 原 来检测 轨迹再 次进行 磁应 力检 测 ， 通过 振前 、 振 后磁 应力 的检测 对 比观察工 件应力 分布 的均化 状态 。 缸筒件 磁记 忆应力 检测仪 磁 测仪 检测 位 置示 意 图 如图 1 所示 ① 、 ② 、 ③ 点分别为检测的第一点、 第二 点 、 第 三点检 测位 置 。 ／ ， ．．一 __。／ l _ | ／ f | ． ．』 ． j ＼ I ＼ ． ～ 一 ～ 、 ＼ ⋯ 图 1 缸筒件磁记忆应力检测仪磁 测仪检测位置示意图 4 结果分析 3 6 4 ． 1 磁 应力 三维分 布效 果 磁 应力 三维分 布效果 如 图 2所示 。 第一点振前磁应力分布图 第一点振后磁应力分布图 第二点振前磁应力分布图 ／ 一一 0 ’一 ● ● - _ _ ▲ 一 一 00 ／ v ● I I7 】 两 。 ■ 黑 霁 囊 蕊 l ■曩鞫 曩 _ 0 7 f 9 6 1∞z 0 3 2 i 霜 t 7 第二点振后磁应力分布图 第三点振前磁应力分布图 2 0 1 0 年第5 期 设计 与研 究 第三点振后磁应力分布图 图 2磁 应 力 三维 分 布 效 果 4 ． 2梯度 值三 维分 布效 果 梯度 值三 维分 布效 果如 图 3所示 。 第一点振前梯度值分布图 第二点振前梯度值分布图 第二点振后梯度值分布网 第三点振前梯度值分布图 图 3梯 度值 三 维 分 布 效 果 4 ． 3 振动 时效 前 、 后工 件梯 度值 峰值 降低 率对 照表 振动时效前、 后工件梯度值峰值降低率对照表如 表 1所 示 。 表 1 振 动 时 效 前 、 后 工 件 梯 度 值 峰 值 降 低 率 对 照 表 ＼＼ 类别 名称 ＼＼ 检测点序号 振 前梯度值 振后梯度值 下 降率 ＼ 1 2 3 6 7 4 ％ 工件缸筒 2 l 6 6 6 3 ％ 3 l 6 7 5 6 ％ 平均下降率 6 4 ％ 通 过振 动时 效前 后磁 应力 和 梯 度值 分 布 图可 以看 出 振动 时效 前磁 应力 分 布不 均且 存 在 应力 峰 值 高 ， 而 振动时效去应力后 ， 附加应力与内部残余应力叠加 ， 达 到或 超过 材料 屈 服 极 限 ， 工 件 产 生 塑性 变形 使 得 峰 值 应力得到明显下降 ， 三维分 布图分布趋 于均匀从而证 明应 力得 到有 效 均 化 ； 通 过 振 动 时效 前 后 梯 度 值 的变 化更 加直 观证 明 了峰 值 应 力 得 到 了有 效 降 低 ， 从 梯 度 值下 降率 也 证 明 了此 次 残 余 应 力 的 消 除 效 果 比较 理 想 。 5 结束语 1 通 过对 液压 支架 油缸 缸筒 进行 振动 时效 处 理 ， 现 场振 动 时效 参 数 符 合 机 械 行 业 标 准 的 要 求 ， 振 动 时 效 前 、 后 使用 金 属 磁 记 忆 应 力 检 测 仪 分 别 进 行 磁 应 力 检 测 ， 从 检测 整 体结 果来 看 ， 振 动 时 效 对加 工 应力 均 化 效 果非 常 明显 。 2 使用 振 动消 除应 力方 法消 除 下转 第 4 0页 Ⅲ m ⋯ m 髓 “ 一 目 一 加 掩 “ H m 9 8 7 6 一 _至 l- - _ _ - | ． _ _ - _ i；■r●●●●●J●l●l●lIIII Ill l} 计与研 究 组合机床与自动化加工技术 图 2旋转偏移图 A A 5 ，y ， Z偏 移公 式 X X ， J Y YM 6 Z Z Ⅳ 件的实现 E 用 V B建立欢迎窗口及主程序界面 如图 3 ， 选 ] 位 文件 后设 置好 动态 速度调 整 系数 以及各 轴 的 偿 等 ， 点 击 运 算 进 行 后 置 处 理 ， 得 到 N C程 序 4 。 图 3软 件 主 界 面 文件睡 瓣壤毽 格式氆 口 蠢着 糟勋鲫 ％ H 1 B 6 S | l I ； 9m憾 8 № B T 1H8 6 l 3 0 Ga B Z 18 8 F I 40 G43 Z30 H91 } 0 H18 } ． 6B H07 H7B H03 S2 嚣a 1 180 BO 0 X 3 1． 9 5 Y1 ． 2 2 4 8 Z 1 8 0 0 0 0 一 3 6 0． 0 0 0 0 H90 G91 H1B0 G0 1 g-瓤6． 954 8 Y11．00 21 Z-3 1 。 23 R356 05 87 F121 1 2 H110 H0 9 N1 20 G 9 G 日 联 4 9 Z 1 日 a H1 30 HB S N 1 耳0 H 3攫 ％ - 图 4后置处理得到的 N C程序 3 结束语 该后 置处 理软件 以华 中世 纪 星 X H 7 1 5 D立式 加 工 中心为对象 ， 用 V B程序设计语言编写。经程序调试， 加工实验 ， 再次修改程序 ， 直到加工的叶片合格， 验证 了软件的正确性。本次设计的后置处理软件解决 了特 定 数控 系统 U G 四轴 刀 位 文 件 的后 置 处 理 问 题 ， 也 为 后 续通 用后置 处理 软件设 计 以及 五轴 以上 的专 用后 处 理 软件 的开发 打下 了坚定 的基础 。 [ 参考文献] [ 1 ]唐清春 ， 吴汉夫．C A M后置处理技术 现状 与发展趋势 [ J ] ． 机械 ， 2 0 0 9 1 2 1 41 7 ． [ 2 ]吕风 民．后置处 理算法 及基 于 U G ／ O P e n G R I P下 的程序开 发 [ J ] ．机械电子工程 ， 2 0 0 5 3 1 5 ． [ 3 ]张继红 ， 高佑芳 ， 王恩俊．基 于 C A M 的数控 加工后 置处理 方法 的研究与实践 [ J ] ．机 电产 品开发与创 新 ， 2 0 0 7 1 8 688． [ 4 ]唐清春 ， 吴汉夫．叶片五 坐标联动加 工后 置处理开 发及应 用 [ J ] ．汽轮机技术， 2 0 0 9 6 4 7 5 4 7 7 ． [ 5 ]龚沛 曾， 杨志强 ， 陆慰 民．V i s u a l B a s i c程序设计教程 [ M] ． 北京 高等教育出版社， 2 0 0 7 ． 编辑李秀敏 第 3 7页 液压 支 架 油缸 缸 筒 加 工应 力 是 一种 行 的手段 ， 完 全 可 以取 代 以消 除 应 力 为 目的 的热 本方 法 已 经 使 用 与 Z Z 6 4 0 0 ／ 2 8 ／ 4 2液 压 支 架 产 产 中。 [ 参考文献 ] w ns e y J S ．Vi b r a t o r y s t r e s s r e l i e v i n g -- h’ S a d v a n t a g e s a s a n e r n a t i v e t o t h e r m a l t r e a t m e n t [ J ] ．V S R A i c a C C 2 0 0 4 ， 1 2 ． ms i A S M Y， W a dd e l l A J， W a l k e r C A． The i n flu e nc e o f r a t o r y t r e a t m e n t O ]fl t h e f a t i g u e l i f e o f w e l d s [ J ] ． A c o m p a r i 一 1 w i t h t h e r ma l s t r e s s r e l i e f S t r a i n， 2 0 0 1 ， 3 7 4 1 4 11 4 9 ． 建 刚， 张贵庆 ， 刘世晶．基于单片机的振动时效仪 的研制 ] ．机电工程技 术 ， 2 0 0 8 ， 3 7 4 6 5 6 7 ． 文哲 ， 吴庆立 ， 王安 民 ， 等．智能振 动时效 控制 系统 的设 与应用 [ J ] ．机 械设计与制造 ， 2 0 0 8 ， 7 7 1 1 21 1 4 ． [ 5 ]裴泽慧．振动时效应用在压力容器制造过程中的探讨 [ J ] ． 有色矿冶 ， 2 0 0 7 ， 2 3 4 6 9 7 1 ． [ 6 ]李冬梅 ， 刘汉华 ， 高恩 录， 等．振动时 效技术 在大型 曲轴加 工 中的应用 [ J ] ．柴油机 ， 2 0 0 7 ， 2 9 1 3 7 3 8 ． [ 7 ]张勇．二十一世纪高效节能环保高新技术 振动消除应 力技术 [ J ] ．中国机械工程 ， 2 0 0 3 ， 1 3 1 9 1 6 4 01 6 4 2 ． [ 8 ]尹何迟 ， 张光业 ， 颜焕元 ．降低钢结构焊接 件残余应力的振 动时效法 [ j ] ．工程力学 ， 2 0 0 9 ， 2 6 7 1 8 8 1 9 1 ． [ 9 ]尹何迟 ， 张光业 ， 陈立 功．振 动焊接 工艺效 果研究 [ J ] ．振 动与冲击 ， 2 0 0 6 ， 2 5 4 1 3 21 3 4 ． [ 1 0 ]J B ／ T 5 9 2 6 2 0 0 5 ．振动时效 效果 评定方法 [ s ] ．北京 中华 人 民共 和国机械行业标准 ， 2 0 0 5 ． [ 1 1 ]胡木生 ， 梅燕 ， 韩志刚 ， 等．支铰钢粱的振 动时效与残余应 力分析 [ J ] ．理化检验 ， 2 0 0 9 ， 4 5 3 1 4 81 5 1 ． 编辑赵蓉