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

王偉順 姬國(guó)棟 全博文 姜春雨

(齊重?cái)?shù)控裝備股份有限公司，黑龍江齊齊哈爾 161005)

對(duì)于振動(dòng)過程的機(jī)理，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)進(jìn)行了大量的研究工作，取得了以下的共識(shí):振動(dòng)就是對(duì)金屬構(gòu)件施加周期性的作用力(動(dòng)應(yīng)力σ動(dòng))。在振動(dòng)過程中，施加到金屬構(gòu)件各部分的動(dòng)應(yīng)力σ動(dòng)與內(nèi)部殘余應(yīng)力σ殘疊加，當(dāng)疊加幅值大于金屬構(gòu)件的屈服極限σs，即σ動(dòng)+σ殘≥σs時(shí)，這些點(diǎn)晶格滑移，產(chǎn)生微小的塑性變形，達(dá)到釋放殘余應(yīng)力的目的。

從微觀上看，只要溫度在絕對(duì)零度以上，金屬原子始終處于運(yùn)動(dòng)中，由于殘余應(yīng)力的影響，這些原子處于不平衡運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。但他們力求回復(fù)平衡位置，這就需要能量。振動(dòng)時(shí)效就是給金屬構(gòu)件提供機(jī)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(dòng)時(shí)效的過程，實(shí)質(zhì)上是金屬材料內(nèi)部晶體位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)、增殖、塞積和纏結(jié)的過程。由于金屬材料存在位錯(cuò)，所以在構(gòu)件內(nèi)部產(chǎn)生的交變動(dòng)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(cuò)滑移，出現(xiàn)微小塑性變形。位錯(cuò)滑移是單向進(jìn)行線性累積的，當(dāng)微應(yīng)變累積到一個(gè)宏觀量，金屬組織內(nèi)殘余應(yīng)力較大處的位錯(cuò)塞積得以交替開通，局部較大殘余應(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(chǎng)，最終使構(gòu)件的殘余應(yīng)力減小并重新分布，達(dá)到一個(gè)相對(duì)的平衡狀態(tài)。位錯(cuò)塞積后造成位錯(cuò)移動(dòng)受阻，從而強(qiáng)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(dòng)時(shí)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(shì)，但也存在幾十年未能解決的障礙性難題:

(1)應(yīng)用面窄，約23%:一般振動(dòng)時(shí)效設(shè)備頻率范圍為0～166.7 Hz，機(jī)械制造業(yè)超過這個(gè)范圍的高剛性、高固有頻率工件有77%之多，對(duì)這些工件無(wú)法振動(dòng)。

(2)效果差:通過在振動(dòng)時(shí)效設(shè)備頻率范圍內(nèi)掃描尋找到的振動(dòng)頻率非常少，有效振型太少，無(wú)法進(jìn)行多維殘余應(yīng)力消除，處理效果很難達(dá)到熱時(shí)效效果。

(3)操作復(fù)雜、效果不穩(wěn)定:傳統(tǒng)振動(dòng)時(shí)效設(shè)備處理工件時(shí)，調(diào)整激振點(diǎn)、支撐點(diǎn)和拾振點(diǎn)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(yàn)來調(diào)整振動(dòng)時(shí)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。

(4)噪聲污染嚴(yán)重:在工件固有頻率附近振動(dòng)，噪聲極大，工作現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境惡劣。

21世紀(jì)初，一種新的振動(dòng)時(shí)效技術(shù)在中國(guó)出現(xiàn)，它突破了原有振動(dòng)時(shí)效的技術(shù)瓶頸，開創(chuàng)了振動(dòng)時(shí)效應(yīng)用的一個(gè)全新時(shí)代。因其獨(dú)特的找頻與頻率處理方式，被稱為頻譜諧波時(shí)效技術(shù)。頻譜諧波時(shí)效技術(shù)采用傅里葉方法，不需掃描，對(duì)工件進(jìn)行頻譜分析，找出工件的十幾種諧波頻率，優(yōu)選出對(duì)消除工件殘余應(yīng)力效果最佳、不同振型的5種諧波進(jìn)行時(shí)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(guó)家重點(diǎn)節(jié)能技術(shù)推廣目錄(第二批)》。具體特點(diǎn)如下:

(1)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(duì)高剛性固有頻率工件進(jìn)行振動(dòng)處理的難題，把振動(dòng)時(shí)效在機(jī)械制造領(lǐng)域的應(yīng)用面從23%提升到近100%。

(2)對(duì)所有工件都能分析出幾十個(gè)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(duì)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(jìn)行時(shí)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(shí)效和傳統(tǒng)的振動(dòng)時(shí)效(亞共振時(shí)效)。

(3)自動(dòng)確定振動(dòng)時(shí)效工藝參數(shù)，對(duì)激振點(diǎn)、支撐點(diǎn)、傳感器位置無(wú)特殊要求，對(duì)振動(dòng)參數(shù)的自動(dòng)選取，自動(dòng)優(yōu)化，對(duì)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(yàn)來選取振動(dòng)工藝參數(shù)，且處理效果各異，以至很難納入正式工藝的缺陷。

(4)由于采用6 000 r/min以下的低頻諧波，振動(dòng)處理時(shí)噪聲很小。

1 試驗(yàn)的目的和方法

1.1 試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

通過傳統(tǒng)亞共振時(shí)效消除應(yīng)力與頻譜諧波時(shí)效消除應(yīng)力的對(duì)比工藝試驗(yàn)，驗(yàn)證消除應(yīng)力控制變形的有效性方法。

1.2 試驗(yàn)方法

由于工件殘余應(yīng)力測(cè)量比較困難，目前尚無(wú)比較理想的測(cè)量方法，因此，采用實(shí)際測(cè)量各種情況下的變形量(幾何精度)，并對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)。

2 消除應(yīng)力工藝試驗(yàn)

2.1 雙柱立車滑板件試驗(yàn)(如圖1)

材料:HT250;

尺寸:1 725 mm×1 705 mm×240 mm;

重量:2 857 kg;

工藝要求:平面度:0.015 mm，平行度0.01 mm;

試驗(yàn)件數(shù)量:6件;

加工工藝流程1:毛坯—粗加工—精加工;

加工工藝流程2:毛坯—粗加工—頻譜諧波時(shí)效—精加工;

加工工藝流程3:毛坯—頻譜諧波時(shí)效—粗加工—頻譜諧波時(shí)效—精加工。

為了保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的有效性，所有試件均采用相同的材料(同一批原材料)、相同的加工設(shè)備、相同的刀具、相同的切削參數(shù)。試驗(yàn)結(jié)束后隨即進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量結(jié)果如表1～3所示。試驗(yàn)結(jié)束后放置兩月再次進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果同樣也列入表1～3中。

表1 工藝流程1

表2 工藝流程2

表3 工藝流程3

2.2 DVT500系列滑枕件試驗(yàn)

進(jìn)行頻譜諧波時(shí)效消除應(yīng)力(如圖2)、亞共振消除應(yīng)力和不進(jìn)行消除應(yīng)力3種情況下的加工試驗(yàn)，3件滑枕精加工后測(cè)得的精度一致性在0.01 mm以內(nèi)，經(jīng)過2個(gè)月后實(shí)際測(cè)量的變形量見表4。

材料:45號(hào)鋼;

尺寸:240 mm×240 mm×4 905 mm;

質(zhì)量:2 250 kg;

工藝要求:平行度:0.015 mm，直線度 0.01 mm，垂直度0.015mm;

試驗(yàn)件數(shù)量:3件。

為了保證試驗(yàn)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、相同的刀具和相同的切削參數(shù)。

表4 兩個(gè)月后檢測(cè)的數(shù)據(jù)

3 數(shù)據(jù)分析

表1～3數(shù)據(jù)表明，經(jīng)過兩次頻譜諧波時(shí)效處理的工件效果更好，這樣不僅消除毛坯的鑄造應(yīng)力，同時(shí)消除因?yàn)榇旨庸ぎa(chǎn)生的機(jī)加應(yīng)力，保持工件尺寸穩(wěn)定性。

表4數(shù)據(jù)表明，亞共振和頻譜諧波與不作時(shí)效對(duì)比:平行度分別提高1.42倍和2.25倍;直線度分別提高4.7倍和5.22倍;垂直度分別提高2倍和3.1倍。頻譜諧波時(shí)效處理的工件尺寸精度的經(jīng)時(shí)穩(wěn)定性好于亞共振的工件，更好于不作處理的工件。

4 頻譜諧波時(shí)效技術(shù)應(yīng)用的未來

取代熱時(shí)效是發(fā)展趨勢(shì):人類進(jìn)入工業(yè)社會(huì)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(jī)的發(fā)明、十九世紀(jì)初發(fā)電機(jī)的發(fā)明和二十世紀(jì)中葉電子計(jì)算機(jī)的發(fā)明為重要標(biāo)志。這三次變革推動(dòng)了社會(huì)生產(chǎn)力的迅速發(fā)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，使人們?cè)诟淖兩畹耐瑫r(shí)，不得不面對(duì)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(guó)政府的工作重點(diǎn)。在機(jī)械制造行業(yè)，一些明顯高能耗、高污染的工藝手段，會(huì)受到很大的限制。振動(dòng)時(shí)效與熱時(shí)效相比有著不可比擬的節(jié)能減排優(yōu)勢(shì)，而且在其他方面也有部分優(yōu)于熱時(shí)效(如表5)。

表5 熱時(shí)效頻譜諧波時(shí)效對(duì)比表

生產(chǎn)企業(yè)需要根據(jù)市場(chǎng)需求的不斷變化，調(diào)整自己生產(chǎn)的產(chǎn)品，才能更有效地參與市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)。目前新技術(shù)、新材料的應(yīng)用日新月異，為企業(yè)帶來了更多的發(fā)展機(jī)遇。

5 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過工藝試驗(yàn)和應(yīng)用實(shí)踐，充分顯示了頻譜諧波時(shí)效技術(shù)消除應(yīng)力技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，在很大程度上可以替代常規(guī)的熱處理時(shí)效消除應(yīng)力工藝，并能獲得明顯的經(jīng)濟(jì)效益。另外，頻譜諧波時(shí)效技術(shù)消除應(yīng)力技術(shù)在黑色金屬材料的焊接變形控制、焊后部件焊縫的消除應(yīng)力上也有很好的應(yīng)用，可以提高焊接結(jié)構(gòu)件的疲勞壽命，需做更多的理論和試驗(yàn)研究工作。