频谱谐波时效技术在机床零件加工中消除应力方面的应用研究.pdf

I 主题 绿量捌遣技术 。 I O p l C S r e e n Ma n u t a c t u n n ] e c h o fl o l o q y 频谱谐波时效技术在机床零件加工中 消除应力方面的应用研究 王伟顺 姬国栋 全博文 姜春雨 齐重数控装备股份有限公司． 黑龙江 齐齐哈尔 1 6 1 0 0 5 摘要 分析并讨论了振动消除应力技术的基本原理， 通过传统亚共振时效消除应力与频谱谐波时效技术消 除应力的对 比工艺试验。 验证了频谱谐波时效技术在机床零件加工中的消除应力控 制变形的有效 性。 关键词 应力 振动时效亚共振频谱谐波时效 中图分类号 T P 2 1 6 3 文献标识码 A Ap p l i c a t i o n a n d r e s e a r c h o n h o w t o e l i mi n a t e s t r e s s b y u s i n g f r e q u e n c y a g i n g t e c h n o l o g y d u r i n g ma c h i n i n g c o mp o n e n t s f o r ma c h i n e t o o l s WA N G We i s h u n ， j I G u o d o n g ，Q U A N B o w e n ， J I A N G C h u n y u Q i q i h a r H e a v y C N C E q u i p m e n t C o ． ， L t d ． ， Q i q i h a r 1 6 1 0 0 5 ，C H N Abs t r a c tT hi s a r t i c l e a n a l y s e s a n d d i s c us s e s t h e b a s i c t h e o r y o n ho w t o e l i mi n a t e t h e s t r e s s b y u s i n g v i b r a t i o n．By c o mpa r i n g t h e t e c h n o l o g y o f u s i ng t r a d i t i o n a l s u b r e s o n a n c e t o e l i mi n a t e t h e s t r e s s a n d f r e q u e n c y a g i n g t e c h n o l o g y t o e l i mi na t e t he s t r e s s ．I t p r o v e s t h a t t h e e f f i c i e n c y o f f r e q u e n c y a g i n g t e c h n o l o g y t o mi n i mi z e d e f o r ma t i o n a n d e l i mi n a t e s t r e s s d u r i n g ma c h i n i n g o f c o mp o ne n t s f o r ma c hi n e t o o l s ． Ke ywo r d sS t r e s s；Vi b r a t i o n Ag i n g；S u b r e s o n a n c e；F r e q u e n c y Ag i n g 对于振动过程 的机理 ， 国内外 已经进 行了大量的 研究工作， 取得了以下的共识 振动就是对金属构件施 加周期性的作用力 动应力 劫 。在振动过程中， 施 加到金属构件各部分的动应力 动 与内部残余应力 张叠加 ， 当叠加幅值大于金属构件 的屈服极限 ， 即 动- I- o “ 姥≥o r 时， 这些点 晶格滑移 ， 产生微小 的塑性变 形 ， 达到释放残余应力的目的。 从微观上看 ， 只要温度在绝对零度以上 ， 金属原子 始终处于运动中， 由于残余应力的影响 ， 这些原子处于 不平衡运动状态。但他们力求 回复平衡位置 ， 这就需 要能量。振动时效就是 给金属构件提供机械能 ， 使约 束金属原子复位的残余应力释放， 加快金属原子回复 平衡位置的速度。 从金属物理学上看 ， 振动时效的过程 ， 实质上是金 属材料内部晶体位错运动、 增殖、 塞积和缠结的过程。 由于金属材料存在位错， 所以在构件内部产生的交变 动应力与内部的残余应力相互叠加， 在应力较高的区 域 ， 就可产生位错滑移 ， 出现微小塑性变形。位错滑移 是单向进行线性累积的， 当微应变累积到一个宏观量 ， 金属组织内残余应力较大处的位错塞积得以交替开 通， 局部较大残余应力得以释放， 构件宏观内应力随之 松弛， 使残余应力的峰值下降， 改变了构件原有的应力 场 ， 最终使构件的残余应力减小并重新分布， 达到一个 相对 的平衡状态。位错塞积后造成位错移动受阻， 从 而强化了基体 ， 提高了构件抗变形能力， 使构件的尺寸 精度趋于稳定。 振动时效技术虽然在高效 、 节能 、 环保等方 有着 非常明显的优势 ， 但也存在几十年未能解决 的障碍性 难题 1 应用面窄 ， 约 2 3 ％ 一般振动时效设备频率范 围为 0～1 6 6 ． 7 H z ， 机 械制造业 超过这个 范围的岛刚 性 、 高固有频率工件有 7 7 ％之多 ， 对 这些工件 无法振 动。 2 效果差 通过在振动时效设 备频 率范围 内扫 描寻找到的振动频率非常少， 有效振型太少， 无法进行 多维残余应力消除， 处理效果很难达到热时效效果。 3 操作复杂、 效果不稳定 传统振动时效设备处 理工件时 ， 调整激振点 、 支撑点和拾振点很繁琐 ， 而且 很难达到最佳状态 ， 百种工件 ， 制定百种工艺。完全靠 操作者技能和经验来调整振动时效工艺参数， 不同的 弼 ull平 粥， 删 人使用 ， 带来不同的处理效果 ， 这样很难纳入正式生产 工艺 。 4 噪声污染严重 在工件 固有频率附近振动 ， 噪 声极大 ， 工作现场环境恶劣。 2 1世纪初 ， 一种新 的振动时效技术在 中国出现 ， 它突破 了原有振动时效的技术瓶颈 ， 开创 了振动时效 应用的一个全新时代。因其独特的找频与频率处理方 式 ， 被称 为频谱谐波时效技术 。频谱谐波 时效技术采 用傅里叶方法， 不需扫描， 对工件进行频谱分析， 找出 工件的十几种谐波频率， 优选出对消除工件残余应力 效果最佳 、 不同振型的 5种谐波进行时效处理 ， 达到多 维消除应力 、 提高尺寸精度稳定性 的 目的， 已于 2 0 0 9 年 l 2 月被列为 国家重点节能技术推广 目录 第二 批 。具体特点如下 1 采用频谱分析技术 ， 解决了亚共振模式因激 振器频率范围限制而不能对高刚性 固有频率工件进行 振动处理的难题 ， 把振动时效在机械制造领域的应用 面从 2 3 ％提升到近 1 0 0 ％。 2 对所有工件都能分析出几十个谐振频率优选 处理效果最佳的5 种振型频率， 2种备选频率， 从而解 决了亚共振模式不能对残余应力呈多维分 布， 精度要 求高、 结构复杂的工件进行时效处理的难题。多种振 型多方向与工件多维残余应力充分叠加， 使处理效果 显著优于热时效和传统的振动时效 亚共振时效 。 3 自动确定振动时效工艺参数 ， 对激振点 、 支撑 点、 传感器位置无特殊要求， 对振动参数的自动选取， 自动优化， 对操作者的要求降低， 从而解决了亚共振模 式必须依靠操作者经验来选取振动工艺参数 ， 且处理 效果各异 ， 以至很难纳入正式工艺的缺陷。 4 由于采用 6 0 0 0 r ／ m i n以下 的低频谐波 ， 振动 处理时噪声很小 。 1 试验的目的和方法 1 ． 1 试验 目的 通过传统亚共振时效消除应力与频谱谐波时效消 除应力的对 比工艺试验 ， 验证消除应力控制变形 的有 效性方法 。 1 ． 2 试验方法 由于工件残余应力测量比较困难， 目前尚无比较 理想的测量方法， 因此 ， 采用实际测量各种情况下的变 形量 几何精度 ， 并对这些数据进行分析和评价。 2消除应力工艺试验 2 ． 1 双柱立车滑板件试验 如图 1 篓 翼 一 相同的材料同一批原材 曩l■■■■■■■ 料、相同的加工设备、相 霸■■ 圈■一 同的刀具、相同的切削参 ■■■■■■■● I 数。试验结束后随即进行 ■■■■■■■■_ 表 1 工艺流程 1 工件编号 平面度／ mm 平行度／ m m 精加工 O ． O 1 3 0 ． 0 1 0 工件一 精加工两月后 0 ． 0 1 9 O ． 0 1 4 精加工 O ． O 1 2 0 ． 0 1 2 工件二 精加工两月后 0 ． 0 1 6 O ． O 1 7 表 2工艺流 程 2 工件编号 平面度／ m m 平行 度／ m m 精 加工 0 ． O 1 3 0 ． 0 1 0 工件一 精加 工两 月后 O ． 0 l 5 0 ． 0 1 1 精加工 0 ． 0 1 l 0 ． 0 l 2 工件二 精加工两月后 O ． 0 l 3 0 ． 0 1 3 表 3 工艺流程 3 工件编号 平面度／ mm 平行度／ m m 精加工 0 ． 0 1 2 O ． O l l 工件一 精加工两月后 O ． O 1 3 0 ． 0 1 1 精加工 0 ． O 1 5 O ． O l 2 工件二 精加工两月后 O ． 0 1 5 0 ． O 1 3 2 ． 2 D V T 5 0 0系列滑枕件试验 进行频谱谐波时效消除应力 如图2 、 亚共振消 除应力和不进行消除应力 3 种情况下的加工试验， 3 件滑枕精加工后测得的精度一致性在 0 ． 0 1 m m以内， 5 7 l 主题绿色制造技术 ’ l o p i c s G r e e n Ma n u t a c t u n n g } e c h o n o l D a y 经过 2个月后实际测量的变形量见表 4 。 材料 4 5号钢 ； 尺 寸 2 4 0 m m x 2 4 0 mmx 4 9 0 5 mm ； 质量 2 2 5 0 k g ； 工 艺 要 求 平 行 度 0 ． 0 1 5 m m， 直 线 度 0 ． 0 1 1 T i m， 垂直度 0 ． O 1 5 mm； 试验件数量 3件。 为了保证试 验数据 的 有效性 ， 所 有试件 均采 用 相同的材料 同一块原 材 料 、 相 同的加工设备、 相 同的刀具和相同的切削参数。 图2 D V T 5 0 0 系列滑枕 表 4 两个月后检测的数据 平行度 直线度 垂直度 处理方式 精加工前用频谱谐波 O ． O 1 2 0 ． 0 0 9 O 0 1 3 精加工前用亚共振 0 ． 0 1 9 0 ． O 1 0 ． O 2 不作时效 0 ． 0 2 7 0 ． 0 4 7 0 ． 0 4 3 数据分析 表 1 ～3数据表明， 经过两次频谱谐波时效处理 的 工件效果更好 ， 这样不仅消除毛坯 的铸造应力 ， 同时消 除因为粗加工产生的机加应力 ， 保持工件尺寸稳定性。 表4 数据表明， 亚共振和频谱谐波与不作时效对 比 平行度分别提高 1 ． 4 2倍和 2 ． 2 5倍 ； 直线度分别提 高 4 ． 7倍和 5 ． 2 2倍 ； 垂直度分别提高 2倍 和 3 ． 1 倍 。 频谱谐波时效处理的工件尺寸精度的经时稳定性好于 亚共振的工件 ， 更好于不作处理的工件。 4 频谱谐波时效技术应用的未来 取代热时效是发展趋势 人类进入工业社会以来 ， 先后出现了三次意义深远的伟大变革 ， 这三次工业革 命分别 以十八世纪蒸汽机的发明、 十九世纪初发电机 的发明和二十世纪 中叶 电子计算机 的发 明为重要标 志。这三次变革推动了社会生产力 的迅速发展 ， 影响 和改变了人们的生活方式。但也严重破坏了人类生存 的环境 ， 使人们在改变生活的同时 ， 不得不面对越来越 严峻的环境问题。资源是不可再生的， 破坏的环境是 很难逆转 的。节约能源 ， 减少排放 已经成为各 国政府 的工作重点。在机械制造行业 ， 一些 明显高能耗 、 高污 染的工艺手段 ， 会受到很大的限制。振动时效与热时 效相 比有着不可 比拟 的节能减排优势 ， 而且在其他方 5 8 面也有部分优于热时效 如表 5 。 表 5 热时效频谱谐波时效对 比表 时效方式 类别 频谱谐波时效消除啦力 热时效炉 1 5 t 设备 领航者 一 套 制造购 买费用 4 0万元左右 儿 i 万元 时效周期 按 2 4 h计 按 1 h计 高 以烧煤 、 烧 气 、 耗 电 为主 ， 开 炉一 次 约 2 4 h ，费用 为 低 1 h 1 k W 电左 右 ， 3 0 0 0 5 0 0 0元 人民 币， 平 均 粗 略计 算其 能 源消 耗 能源消耗 仅 为 热 时 效 的 3 ％ ～ 以开炉 2 4 h需 4 0 0 0元人 民 5 ％ ， 成本 仅 为热 时 效 币计 算 ，热 时 效 成 本 为 1 6 6 的 8 ％ ～ 1 0 ％ 。 元／ h 。 如果按每年设备折 旧 1 O万元 ， 年使用费约 1 o万元人 民 币／ 年 。 一年 3 6 5天共 8 7 6 0 h ， 则领航者实际成本 1 1 成本对比 元／ h ， 与 3 0 t 热时效炉相比平均每小 时节约成本 1 6 6 一 l 1 1 ／1 6 6 x1 0 0％ 9 3％ 占地面l J t , J ， 尤需 固定 占地 面积 大 ， 需 要 固定 的场 的场 地， 使 用 方便 ， 可 占地面积 任意挪动 ， 并 且对 电源 地 ，无法挪动 。 要求 不 高 普 通 交 流 2 2 0 V电源即可 。 对体积较 大或 较 长j 二 件 无法 对 1 件 体积 大小 尤 特 时效工 进炉时效处理 一般能容 纳超 过 5 m 长工 件 的时效 炉就很 殊要求 ， 均能通 过更换 件体积 激 振器 型 号进 行时 效 少 ，太 长 就 根 本 没 法 进 炉 时 处理 。 效 无 是以施加 机械能的 环境 污染 非常严重 方式消除残余应 力 ， 所 以无环境污染 提高生产效率 ， 节能减排 方面 的经济效舔 、 社会 效益尤 其他效益 法估量 。 生产企业需要根据市场需求 的不断变化 ， 调整 自 己生产的产品， 才能更有效地参与市场的竞争。目前 新技术 、 新材料的应用 日新月异 ， 为企业带来 了更多的 发 展机遇 。 5 结语 经过工艺试验和应用实践， 充分显示 频谱谐波 时效技术消除应力技术的优势 ， 在很大程度上 可以替 代常规的热处理时效消除应力工艺 ， 并能获得 明显 的 经济效益。另外 ， 频谱谐波时效技术 消除应力技术在 黑色金属材料的焊接变形控制 、 焊后部件焊缝 的消除 应力上也有很好的应用， 可以提高焊接结构件的疲劳 寿命， 需做更多的理论和试验研究工作。 编辑余捷 收修 改稿 日期 2 0 1 1 0 4 - 2 9 文章编号 1 1 0 7 1 8 如果您想发表对本文的看法， 请将文章编号填入 读者1 ． i l 查 表中的 相应位置。 2 o l l 7 t