頻譜諧波時效技術(shù)在機床零件加工中消除應(yīng)力方面的應(yīng)用研究

1、頻譜諧波時效技術(shù)在機床零件加工中 消除應(yīng)力 方面的應(yīng)用研究齊重數(shù)控裝備股份有限公司王偉順姬國棟全博文姜春雨摘要分析并討論了振動消除應(yīng)力技術(shù)的基本原理，通過傳統(tǒng)亞共振時效消除應(yīng)力與頻譜諧波時效技術(shù)消除應(yīng)力的對比工藝試驗，驗證了頻譜諧波時效技術(shù)在機床零件加工中的消除應(yīng)力控制變形的有效性。關(guān)鍵詞應(yīng)力振動時效亞共振頻譜諧波時效1引言對于振動過程的機理，國內(nèi)外已經(jīng)進行了大量的研究工作，取得以下的共識:振動就是對金屬構(gòu)件施加周期性的作用力(動應(yīng)力動)。在振動過程中，施加到金屬構(gòu)件各部分的動應(yīng)力動與內(nèi)部殘余應(yīng)力殘疊加，當(dāng)疊加幅值大于金屬構(gòu)件的屈服極限s，即動+殘s時，這些點晶格滑移，產(chǎn)生微小的塑性變形，達(dá)到

2、釋放殘余應(yīng)力的目的。從微觀上看，只要溫度在絕對零度以上，金屬原子始終處于運動中，由于殘余應(yīng)力的影響，這些原子處于不平衡運動狀態(tài)。但它們力求回復(fù)平衡位置，這就需要能量。振動時效就是給金屬構(gòu)件提供機械能，使約束金屬原子復(fù)位的殘余應(yīng)力釋放，加快金屬原子回復(fù)平衡位置的速度。從金屬物理學(xué)上看，振動時效的過程，實質(zhì)上是金屬材料內(nèi)部晶體位錯運動、增殖、塞積和纏結(jié)的過程。由于金屬材料存在位錯，所以在構(gòu)件內(nèi)部產(chǎn)生的交變動應(yīng)力與內(nèi)部的殘余應(yīng)力相互疊加，在應(yīng)力較高的區(qū)域，就可產(chǎn)生位錯滑移，出現(xiàn)微小塑性變形。位錯滑移是單向進行線性累積的，當(dāng)微應(yīng)變累積到一個宏觀量，金屬組織內(nèi)殘余應(yīng)力較大處的位錯塞積得以交替開通，局部較

3、大殘余應(yīng)力得以釋放，構(gòu)件宏觀內(nèi)應(yīng)力隨之松弛，使殘余應(yīng)力的峰值下降，改變了構(gòu)件原有的應(yīng)力場，最終使構(gòu)件的殘余應(yīng)力降低并重新分布，達(dá)到一個相對的平衡狀態(tài)。位錯塞積后造成位錯移動受阻，從而強化了基體，提高了構(gòu)件抗變形能力，使構(gòu)件的尺寸精度趨于穩(wěn)定。振動時效技術(shù)雖然在高效、節(jié)能、環(huán)保等方面有著非常明顯的優(yōu)勢，但也存在幾十年未能解決的障礙性難題:l應(yīng)用面低，約23%:一般振動時效設(shè)備頻率范圍為0166.7hz，機械制造業(yè)超過這個范圍的高剛性、高固有頻率工件有77%之多，對這些工件無法振動。l效果差:通過在振動時效設(shè)備頻率范圍內(nèi)掃描尋找到的振動頻率非常少，有效振型太少，無法進行多維殘余應(yīng)力消除，處理效果很

4、難達(dá)到熱時效效果。l操作復(fù)雜、效果不穩(wěn)定:傳統(tǒng)振動時效設(shè)備處理工件時，調(diào)整激振點、支撐點和拾振點很繁瑣，而且很難達(dá)到最佳狀態(tài)，百種工件，制定百種工藝。完全靠操作者技能和經(jīng)驗來調(diào)整振動時效工藝參數(shù)，不同的人使用，帶來不同的處理效果，這樣很難納入正式生產(chǎn)工藝。l噪音污染嚴(yán)重:在工件固有頻率附近振動，噪音極大，工作現(xiàn)場環(huán)境惡劣。在21世紀(jì)初一種新的振動時效技術(shù)在中國出現(xiàn)了，它突破了原有振動時效的技術(shù)瓶頸，開創(chuàng)了振動時效應(yīng)用的一個全新時代，因其獨特的找頻與頻率處理方式，被稱為頻譜諧波時效技術(shù)。頻譜諧波時效技術(shù)采用傅里葉方法，不需掃描，對工件進行頻譜分析找出工件的十幾種諧波頻率，優(yōu)選出對消除工件殘余應(yīng)力

5、效果最佳的、不同振型的五種諧波進行時效處理，達(dá)到多維消除應(yīng)力提高尺寸精度穩(wěn)定性的目的，已于2009年12月被列為國家重點節(jié)能技術(shù)推廣目錄(第二批)。具體特點如下:l采用頻譜分析技術(shù)，解決了亞共振模式因激振器頻率范圍限制而不能對高剛性固有頻率工件進行振動處理的難題，把振動時效在機械制造領(lǐng)域的應(yīng)用面從23%提升到近100%。l對所有工件都能分析出幾十個諧振頻率優(yōu)選處理效果最佳的5種振型頻率，2種備選頻率，從而解決了亞共振模式不能對殘余應(yīng)力呈多維分布，精度要求高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的工件進行時效處理的難題。多種振型多方向與工件多維殘余應(yīng)力充分疊加，使處理效果顯著優(yōu)于熱時效和傳統(tǒng)的振動時效(亞共振時效)。l自動

6、確定振動時效工藝參數(shù)，對激振點、支撐點、傳感器位置無特殊要求，對振動參數(shù)的自動選取，自動優(yōu)化，對操作者的要求降低，從而解決了亞共振模式必須依靠操作者經(jīng)驗來選取振動工藝參數(shù)，且處理效果各異的，以至很難納入正式工藝的缺陷。l由于采用6000rpm以下的低頻諧波，振動處理時噪音很小，而亞共振模式產(chǎn)品是在工件共振頻率下振動，噪音很大，使用者常常很難忍受，也不符合環(huán)保要求。2試驗的目的和方法2.1試驗?zāi)康耐ㄟ^傳統(tǒng)亞共振時效消除應(yīng)力與頻譜諧波時效消除應(yīng)力的對比工藝試驗，驗證消除應(yīng)力控制變形的有效性方法。2.2試驗方法由于工件殘余應(yīng)力測量比較困難，目前尚無比較理想的測量方法，因此，采用實際測量各種情況下的變

7、形量，并對這些數(shù)據(jù)進行分析和評價。3、消除應(yīng)力工藝實驗3.1dut500系列滑枕件試驗:進行頻譜諧波時效消除應(yīng)力、亞共振消除應(yīng)力和不進行消除應(yīng)力三種情況下的加工試驗，實際測量各種情況下的變形量(見圖一)材料:45;尺寸:240mm240mm4905mm，重量:2250kg工藝要求:平行度:0.015mm直線度0.01mm垂直度:0.015mm試驗件數(shù)量:三個測量要求:分別在實驗結(jié)束后和放置2周以后分別對工件進行檢測，進行數(shù)據(jù)對比。為了保證試驗數(shù)據(jù)的有效性，所有試件均采用相同的材料(同一塊原材料)、相同的加工設(shè)備、相同的刀具、相同的切削參數(shù)。dut500系列滑枕件表一實驗結(jié)束后檢測的數(shù)據(jù):測量位

8、置處理方式平行度直線度垂直度頻譜諧波0.005mm0.004mm0.007mm亞共振0.004mm0.003mm0.007mm不做時效0.005mm0.005mm0.004mm表二放置2周后檢測的數(shù)據(jù):測量位置處理方式平行度直線度垂直度頻譜諧波0.012mm0.008mm0.013mm亞共振0.019mm0.01mm0.02mm不做時效0.023mm0.05mm0.04mm3.2數(shù)控龍門移動式雙柱立式車銑床工作臺材料:ht250;尺寸:直徑10000mm重量:68000kg工藝要求:平面度:0.025mm同軸度0.02mm工藝流程:毛坯-頻譜諧波時效-粗加工試驗件數(shù)量:一個數(shù)控龍門移動式雙柱立

9、式車銑床工作臺檢測數(shù)據(jù):測量位置工件平面度同軸度工作臺0.020mm0.015mm4、數(shù)據(jù)分析:4.1dut500系列滑枕件試驗數(shù)據(jù)表明，頻譜諧波時效處理的工件尺寸精度不僅強于未經(jīng)時效處理的工件，更遠(yuǎn)勝于傳統(tǒng)亞共振處理的工件。4.2數(shù)控龍門移動式雙柱立式車銑床工作臺數(shù)據(jù)表明，如此大直徑的工作臺經(jīng)過頻譜諧波時效處理，平面度和同軸度均達(dá)到了我廠的要求。5、頻譜諧波時效技術(shù)應(yīng)用的未來:取代熱時效是發(fā)展趨勢:人類進入工業(yè)社會以來，先后出現(xiàn)了三次意義深遠(yuǎn)的偉大變革，這三次工業(yè)革命分別以十八世紀(jì)蒸汽機的發(fā)明、十九世紀(jì)初發(fā)電機的發(fā)明和二十世紀(jì)中葉電子計算機的發(fā)明為重要標(biāo)志。這三次變革推動了社會生產(chǎn)力的迅速發(fā)

10、展，影響和改變了人們的生活方式。但也嚴(yán)重破壞了人類生存的環(huán)境，使我們生存的地球變得千瘡百孔，越來越嚴(yán)重的問題，使人們在改變生活的同時，不得不面對越來越嚴(yán)峻的環(huán)境問題。資源是不可再生的，破壞的環(huán)境是很難逆轉(zhuǎn)的。節(jié)約能源，減少排放已經(jīng)成為各國政府的重點工作。節(jié)能減排在中國同樣被作為了各級政府部門的工作重點，十一五計劃對節(jié)能減排提出了明確的目標(biāo)。黨中央、國務(wù)院對發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟、資源節(jié)約和環(huán)境保護工作提出了明確的方針政策。胡錦濤總書記在黨的十七大報告中明確指出開發(fā)和推廣節(jié)約、替代、循環(huán)利用和治理污染的先進適用技術(shù)，發(fā)展清潔能源和可再生能源，保護土地和水資源，建設(shè)科學(xué)合理的能源資源利用體系，提高能源資源利

11、用效率。發(fā)展環(huán)保產(chǎn)業(yè)。加大節(jié)能環(huán)保投入，重點加強水、大氣、土壤等污染防治，改善城鄉(xiāng)人居環(huán)境。溫家寶總理在全國節(jié)能減排電視電話會議上也做出要組織實施節(jié)能減排科技專項行動，組建一批國家工程實驗室和國家重點實驗室，攻克一批節(jié)能減排關(guān)鍵和共性技術(shù)。積極推動以企業(yè)為主體、產(chǎn)學(xué)研相結(jié)合的節(jié)能減排技術(shù)創(chuàng)新與成果轉(zhuǎn)化體系建設(shè)，增強企業(yè)自主創(chuàng)新能力。在電力、鋼鐵和有色冶煉等重點行業(yè)，推廣一批潛力大、應(yīng)用面廣的重大節(jié)能減排技術(shù)。制定政策措施，鼓勵和支持企業(yè)進行節(jié)能減排的技術(shù)改造，采用節(jié)能環(huán)保新設(shè)備、新工藝、新技術(shù)的重要指示。在機械制造行業(yè)，一些明顯高能耗、高污染的工藝手段，會受到很大的限制。振動時效與熱時效相比有

12、著其不可比擬的節(jié)能減排優(yōu)勢，而且在其他方面也有部分優(yōu)于熱時效。熱時效與頻譜諧波時效對比表時效方式類別熱時效爐(15噸)頻譜諧波時效消除應(yīng)力設(shè)備(一套)制造購買費用40萬左右?guī)资f時效周期按24小時計按1小時計能源消耗高(以燒煤、燒氣、電為主)開爐一次(約24小時)，費用為3000-5000元人民幣，平均以開爐24小時需4000元人民幣計算，熱時效成本為166元/小時;低(一小時一度電左右，粗略計算其能源消耗僅為熱時效的3-5%，成本僅為熱時效的8-10%。)成本對比如果按每年設(shè)備折舊10萬元，年使用費約10萬元人民幣/年。(一年365天共8760小時)，則領(lǐng)航者實際成本11元/小時，與30噸熱時效爐相比平均每小時節(jié)約成本(166-11)/166100%=93%占地面積占地面積大，需要固定的場地，無法挪動。占地面積小，無需固定的場地，使用方便，可任意挪動，并且對電源要求不高(普通交流220v電源即可)。時效工件體積對體積較大或較長工件無法進爐時效處理(一般能容納超過五米長工件的時效爐就很少，太長就根本沒法進爐時效)對工件體積大小無特殊要求，均能通過更換激振器型號進行時效處理。環(huán)境污染非常嚴(yán)重?zé)o(是以施加機械能的方式消除殘余應(yīng)力，所以無環(huán)境污染)其他效益提高生產(chǎn)效率，節(jié)能減排方面的經(jīng)濟效益、社會效益無法估量。生產(chǎn)企業(yè)需要根據(jù)市場需求的不斷變化，調(diào)整自己生產(chǎn)的產(chǎn)