振動時效工藝過程的研究及應用

南 翔，高禮奎，張 蕾

1.河南科技大學機電工程學院，河南洛陽 471003

2.中國一拖開創(chuàng)科技有限公司，河南洛陽 471003

振動時效消除應力明顯，投資少，成本低，適合于熱時較容易變形的零件等。國外開發(fā)振動時效的技術較早，我國在19世紀70年代才開始研究。到目前為止，振動時效已廣泛應用于機械制造行業(yè)。

1 振動時效的工藝過程

1.1 振動頻率的確定

工件在振動時效時是一個振動體，根據(jù)振動學原理，它的固有頻率可用下列通式表示：

式中：Fn為固有頻率（Hz）；

k為彈性系數(shù)（kg/cm）；

m為振動體的質量（kg）。

工件固有頻率可由振動時效設備來測定，如圖1，該工件的固有共振頻率為4 500r/min，共振時產生的最大振動加速度（峰值）為60m/s2，則對工件的振動時效頻率就確定為工件振動加速度在20m/s2～40m/s2區(qū)域內所對應的頻率

圖1 某工件加速度—頻率掃描曲線圖

另外，具體選擇在多大頻率下為好，還要看工件的振動情況，如果工件在共振狀態(tài)下振動很激烈，則可選擇在共振峰高度的1/3～1/2范圍內，如果振動不激烈，則選擇在共振峰高度的1/2～2/3范圍內。

1.2 振動時間的確定

振動時間，是根據(jù)零件的結構，重量，殘余應力的大小和分布來選定的，振動時間的長短對振動時效的效果有著一定的影響，國際上普遍采用工件的亞共振區(qū)進行較長時間的亞共振處理，實驗證明，振動消除殘余應力大部分是在前5分鐘內完成的，5分鐘之后的處理效果已不再明顯，一般可參照下表1，來選擇振動時間，基本上能滿足振動工藝要求。

表1

1.3 動應力的確定

動應力是激振器施加給工件以與其固有頻率相一致的周期交變力相對應的動態(tài)附加應力，動應力是振動時效中有決定性作用的參數(shù)，它不僅與工件中的原始殘余應力值有關，而且與工件被處理后的強化和尺寸精度穩(wěn)定化有直接關系，動應力選擇如果太小，則消除殘余應力的效果比較差，動應力施加太大，會超過工件的疲勞強度，甚至抗拉強度，引起工件疲勞強度的下降，甚至斷裂，動應力可通過來調整激振器的轉子偏心來實現(xiàn)。

動應力的幅值應達到構件的工作應力的1/3～2/3，動應力幅值一般可以用下式估算：

式中：σb為材料的抗拉強度 （MPa）；

σs為材料的屈服強度（MPa）；

σd為動應力的幅值（MPa）。

當構件結構均勻，應力集中較小時，動應力幅值可取上限，當構件結構不均勻，應力集中較大時，動應力幅值取下限。

目前生產的振動時效設備具有人機對話的功能，對操作人員有著一定的指導作用，動應力大小如果選擇不適當，它會告訴操作人員如何調整動應力，起到了良好的人機對話作用。

1.4 工件的支撐位置與激振器的裝夾位置的確定

支撐位置和裝夾位置是根據(jù)工件的振型來確定的，而工件的振型由于工件本身的重量，幾何形狀，尺寸等因素所決定的，所以判定工件振型，尋找支撐，裝夾位置是振動時效實際應用中遇到問題最多的，也是最重要的、最困難的一個參數(shù)。

總的原則是，支撐墊應放在工件振型的波節(jié)處，激振器應放在工件振型的波峰處，用專用卡具與工件剛性的卡在一起，傳感器應放在遠離激振器另一個波峰處。

如圖2所示，以梁型工件為例說明，此梁型工件為一階振型，按照上述原則，支撐位置與裝夾位置就容易確定了

圖2 梁型工件的一階振型與支撐裝夾示意圖

振動時效的振動頻率、振動時間、動應力、工件的支撐位置與激振器的裝夾位置四個工藝參數(shù)一旦確定了，振動時效的工藝過程也就可以確定了。

利用HK2000型的振動時效設備，對振動頻率、振動時間兩個參數(shù)設備可自行檢測解決，對動應力可通過人機對話進行調整解決，關鍵是工件的支撐位置與激振器的裝夾位置需要操作者完成，也是較難解決的一個工藝參數(shù)。

工件總結如下：

1）機床導軌床身（屬于梁型工件：長：寬>3，長：厚>5）：采用四點支撐，一般支撐在距離端部2/9處，激振器卡在床身一端，傳感器放在工件的另一端。如圖3

圖3 機床床身支撐裝夾示意圖

圖4 絞車機架支撐裝夾位置

2）礦山機械用絞車機架（屬于方型工件：長≈寬≈厚）：三點支撐結構，激振器在單支點側的端部，傳感器在另一端部。如圖4。

3）礦山機械用并車箱底架（屬于板型工件：長≈寬，長：厚>5）：采用四點支撐，激振器放在工件一端，傳感器放在另一端。如圖5。

圖5 并車箱底架支撐裝夾示意圖

以上三種工件按照上述支撐位置和裝夾位置，進行時效處理后，輸出的振幅頻率（A-f）曲線（f表示頻率）及振幅時間（A-t）曲線均符合JB/T5926-91標準的規(guī)定。

2 結論

通過對振動時效的原理和工藝過程研究，使得工藝人員和設備操作人員在實際的工作當中更容易確定振動時效的工藝參數(shù)，有利于振動時效在實際工作中推廣應用。

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