振動時效技術(shù)在碟閥體中的應(yīng)用

1、時效是消除機械加工零件殘余應(yīng)力的基礎(chǔ)工藝。振動時效在70年代起源于美國，后來在德國、英國、法國得到了廣泛的應(yīng)用，我國從80年代初開始引進使用振動時效工藝。由于振動時效是一種高效、節(jié)能、環(huán)保及低成本的時效方法，與傳統(tǒng)的熱時效和自然時效相比，振動時效具有生產(chǎn)周期短，場地簡單靈活方便，生產(chǎn)費用低，無環(huán)境污染等優(yōu)點。由于振動時效的無比的優(yōu)越性，又適應(yīng)現(xiàn)代工業(yè)對能源和環(huán)保的要求，應(yīng)用振動時效是企業(yè)改進傳統(tǒng)工藝提高市場競爭力的最佳選擇，目前在某些方面已取代了傳統(tǒng)的熱時效和自然時效。1、振動時效機理及裝置的原理1.1、振動時效機理工件在毛坯制造及切削加工等過程中，使內(nèi)部產(chǎn)生殘余應(yīng)力，致使工件處于不穩(wěn)定狀態(tài)，

2、降低了尺寸穩(wěn)定性和機械物理性能。振動時效工藝是通過錘擊來消除金屬工件中的殘余應(yīng)力的。工件在周期外力作用下產(chǎn)生共振，共振中交變動應(yīng)力與工件內(nèi)部殘余應(yīng)力疊加，經(jīng)過一定時間，材料發(fā)生局部屈服，導(dǎo)致晶內(nèi)和晶界錯位產(chǎn)生滑移，原子從不穩(wěn)定位能高的位置移向較穩(wěn)定的位能低位置。經(jīng)過此過程，工件宏觀殘余應(yīng)力得到遷移、降低和均化，從而降低或消除工件的內(nèi)部殘余應(yīng)力。1.2、振動時效裝置的原理機械振動時效裝置主要包括激振器、控制主機、加速度傳感器、支撐橡膠等部分。主要功能是控制激振器在某個激振力輸出水平，在一定頻率(轉(zhuǎn)速)范圍對任一頻率以較高的穩(wěn)頻精度工作.尤其是共振峰前后負載特性變化較劇烈的情況下，并記錄、識別和輸

3、出有關(guān)時效曲線及參數(shù)。2、碟閥箱體振動時效的工藝振動時效的效果取決于振動時效的工藝的選擇。如圖2所示是一個冶金蝶閥體，是由鑄造而成的結(jié)構(gòu)件，其形狀復(fù)雜，剛性相對大，凸凹面多，壁厚不均，殘余應(yīng)力大且分布繁雜。以前采用自然時效的工藝中存在很多的缺點，某公司自2005年開始采用振動時效工藝以來，在產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)效率方面取得了很大的進步。多年的生產(chǎn)實踐經(jīng)驗表明:由于振動時效的工藝比較復(fù)雜，必須對箱體類零件進行振前的工藝分析，設(shè)計優(yōu)化振動參數(shù)以提高振動時效的效果。2.1、工藝分析按照振動失效的工藝規(guī)范，對工件時效前應(yīng)進行工藝分析，以達到節(jié)約電能和工作時間的目的。首先，應(yīng)根據(jù)工件的材質(zhì)、結(jié)構(gòu)、毛坯制造的

4、工藝形式和過程，分析箱體的殘余應(yīng)力場的分布，尺寸精度要求，以及工作載荷，可能的失效原因等因素進行分析，然后再決定實施振動時效的工藝路線及時效重點部位。冶金蝶閥體一般按箱體類工件對待，該類工件的結(jié)構(gòu)一般較復(fù)雜，受力條件惡劣。箱體毛坯一般是鑄造或焊接的構(gòu)件，對于鑄件產(chǎn)生的殘余應(yīng)力應(yīng)根據(jù)鑄造工藝，如結(jié)構(gòu)形狀、澆口位置、壁厚薄及冷卻的情況來分析判斷應(yīng)力的情況。對組焊件來說，各焊接件的先焊和后焊的次序、坡口的大小及焊縫的形狀和位置等，對產(chǎn)生的殘余應(yīng)力大小和分布均有影2.2、工藝參數(shù)的優(yōu)化振動時效的工藝參數(shù)包括激振點、支撐點、激振頻率、激振力和激振時間，這些參數(shù)的選取應(yīng)依據(jù)工件的固有振動特性來確定。當激振

5、頻率處于工件的固有頻率附近時，用較小的激振力可以激起足夠大的動應(yīng)力，只有用工件固有頻率進行激振，才能最經(jīng)濟、最簡便、最迅速地降低工件的殘余應(yīng)力。但是在實踐中發(fā)現(xiàn)，由于采用激振力大小、激振力頻率和激振點的位置不合理，有時會出現(xiàn)達不到消除殘余應(yīng)力的效果，工件只是局部的消除了殘余應(yīng)力;有時甚至將工件振裂。因此有必要對振動時效工藝參數(shù)進行優(yōu)化設(shè)計。根據(jù)振動時效設(shè)備使用手冊中操作要求，在振前對工件進行多點掃頻，并在掃頻同時跟蹤繪制振前工藝曲線及打印參數(shù)，綜合所有掃頻曲線對應(yīng)的固有頻率，找出有效消除工件關(guān)鍵部位應(yīng)力的有效振型(以及對應(yīng)的有效頻率)，直接對這些有效頻率有效振型)時效，同時在線打印g-t曲線以

6、觀察時效進程，決定何時停機，然后再通過對該頻率(振型)局部掃頻和局部打印。2.3、時效效果的評判振動時效效果主要是指零件振動后殘余應(yīng)力消除、均化、抗變形能力的提高以及尺寸精度的穩(wěn)定化程度。在生產(chǎn)現(xiàn)場常采用根據(jù)如圖3所示的振幅時間(A-t)曲線采用下列方法來快速判斷振動時效效果：(1)檢測幅頻曲線共振峰形狀的變化，在幅頻曲線上表現(xiàn)出共振峰由寬變窄;(2)檢側(cè)共振頻率發(fā)生的變化;(3)檢測振動過程中零件幅值及激振功率的變化，若保持激振能最不變，則振幅上升;若控制振幅值恒定.則激振功率降低。若出現(xiàn)上述一種情況，在實踐中就判定振動時效達到了預(yù)期的目的。2.4、振動時效前后殘余應(yīng)力的檢測為了定量了解振動

7、時效工藝效果，使用磁應(yīng)力儀，檢測了挖掘機平臺等工件焊縫處振動時效前后的殘余應(yīng)力。測量結(jié)果表明，工件在振動處理前，焊縫處殘余應(yīng)力集中現(xiàn)象較嚴重。在焊縫中心區(qū)域應(yīng)力較高，最大剪切殘余應(yīng)力值約為54-67MPa，已經(jīng)接近了許用安全剪切應(yīng)力，為不安全的殘余應(yīng)力。在焊縫非中心區(qū)域應(yīng)力較低，約為30-50MPa。經(jīng)振動時效處理，焊縫處殘余應(yīng)力集中現(xiàn)象已消除，焊縫中心區(qū)域和非焊縫區(qū)域的應(yīng)力值已相近，峰值殘余應(yīng)力已經(jīng)從60MPa左右下降到25MPa左右，下降率約為60%，遠小于許用安全剪切應(yīng)力。2.5、振動時效時應(yīng)注意的幾個問題(1)發(fā)生強迫共振：隨著振動頻率的升高，電機電流一直上升無下降趨勢，這時即發(fā)生了強

8、迫共振，這種現(xiàn)象一般是由被振工件的重量太小而剛性又太大所導(dǎo)致。(2)找不到共振區(qū)：在掃頻過程中發(fā)現(xiàn)隨著頻率的升高，電樞電流也緩慢增加，但是電流并不大，直到掃頻結(jié)束加速度始終在增加并很小，這種現(xiàn)象一般都是由于工件的固有頻率超出設(shè)備的控制頻率范圍。響。根據(jù)箱體在服役時的載荷情況來分析，箱體的承受的工作載荷往往較復(fù)雜，由于冶金蝶閥體在工作中主要承受彎曲變形，因此，該類工件失效振動則主要采用彎曲振型。2.6、工藝參數(shù)的優(yōu)化振動時效的工藝參數(shù)包括激振點、支撐點、激振頻率、激振力和激振時間，這些參數(shù)的選取應(yīng)依據(jù)工件的固有振動特性來確定。當激振頻率處于工件的固有頻率附近時，用較小的激振力可以激起足夠大的動應(yīng)

9、力，只有用工件固有頻率進行激振，才能最經(jīng)濟、最簡便、最迅速地降低工件的殘余應(yīng)力。但是在實踐中發(fā)現(xiàn)，由于采用激振力大小、激振力頻率和激振點的位置不合理，有時會出現(xiàn)達不到消除殘余應(yīng)力的效果，工件只是局部的消除了殘余應(yīng)力;有時甚至將工件振裂。因此有必要對振動時效工藝參數(shù)進行優(yōu)化設(shè)計。根據(jù)振動時效設(shè)備使用手冊中操作要求，在振前對工件進行多點掃頻，并在掃頻同時跟蹤繪制振前工藝曲線及打印參數(shù)，綜合所有掃頻曲線對應(yīng)的固有頻率，找出有效消除工件關(guān)鍵部位應(yīng)力的有效振型(以及對應(yīng)的有效頻率)，直接對這些有效頻率有效振型)時效，同時在線打印g-t曲線以觀察時效進程，決定何時停機，然后再通過對該頻率(振型)局部掃頻和

10、局部打印。2.7、時效效果的評判振動時效效果主要是指零件振動后殘余應(yīng)力消除、均化、抗變形能力的提高以及尺寸精度的穩(wěn)定化程度。在生產(chǎn)現(xiàn)場常采用根據(jù)如圖3所示的振幅時間(A-t)曲線采用下列方法來快速判斷振動時效效果：(1)檢測幅頻曲線共振峰形狀的變化，在幅頻曲線上表現(xiàn)出共振峰由寬變窄;(2)檢側(cè)共振頻率發(fā)生的變化;(3)檢測振動過程中零件幅值及激振功率的變化，若保持激振能最不變，則振幅上升;若控制振幅值恒定.則激振功率降低。若出現(xiàn)上述一種情況，在實踐中就判定振動時效達到了預(yù)期的目的。2.8、振動時效前后殘余應(yīng)力的檢測為了定量了解振動時效工藝效果，使用磁應(yīng)力儀，檢測了挖掘機平臺等工件焊縫處振動時效

11、前后的殘余應(yīng)力。測量結(jié)果表明，工件在振動處理前，焊縫處殘余應(yīng)力集中現(xiàn)象較嚴重。在焊縫中心區(qū)域應(yīng)力較高，最大剪切殘余應(yīng)力值約為54-67MPa，已經(jīng)接近了許用安全剪切應(yīng)力，為不安全的殘余應(yīng)力。在焊縫非中心區(qū)域應(yīng)力較低，約為30-50MPa。經(jīng)振動時效處理，焊縫處殘余應(yīng)力集中現(xiàn)象已消除，焊縫中心區(qū)域和非焊縫區(qū)域的應(yīng)力值已相近，峰值殘余應(yīng)力已經(jīng)從60MPa左右下降到25MPa左右，下降率約為60%，遠小于許用安全剪切應(yīng)力。2.9、振動時效時應(yīng)注意的幾個問題(1)發(fā)生強迫共振：隨著振動頻率的升高，電機電流一直上升無下降趨勢，這時即發(fā)生了強迫共振，這種現(xiàn)象一般是由被振工件的重量太小而剛性又太大所導(dǎo)致。(2)找不到共振區(qū)：在掃頻過程中發(fā)現(xiàn)隨著頻率的升高，電樞電流也緩慢增加，但是電流并不大，直