振動(dòng)頂尖裝置在振動(dòng)時(shí)效中的應(yīng)用

陰俊霞

摘 要：機(jī)械加工過程中通常毛坯或粗加工后的零件需要進(jìn)行預(yù)備熱處理或調(diào)質(zhì)處理，以改變工件的切削性能消除內(nèi)部殘余應(yīng)力，這道工序通常在熱處理車間完成。為了節(jié)省生產(chǎn)成本，故采用振動(dòng)時(shí)效的方法來替代普通熱處理，最重要的是將振動(dòng)時(shí)效裝置移植到工藝裝備中，用振動(dòng)頂尖不但起到支承、定心作用而且能產(chǎn)生激振，達(dá)到振動(dòng)時(shí)效的作用從而更加節(jié)省工件的加工時(shí)間。針對大批大量生產(chǎn)類型將會(huì)大大提高生產(chǎn)效率。試驗(yàn)表明本裝置既改變了工件內(nèi)部組織，又保證了零件尺寸的穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：振動(dòng)時(shí)效;振動(dòng)頂尖;振動(dòng)裝置;動(dòng)態(tài)支承;振動(dòng)裝置設(shè)計(jì)

1 概述

振動(dòng)時(shí)效技術(shù)是針對機(jī)械加工毛坯零件在固有頻率下施加交變應(yīng)力的作用下的振動(dòng)處理，不但能夠均化和消除工件的殘余應(yīng)力、提高工件的抗變形能力和尺寸穩(wěn)定性，并且延長工件的疲勞壽命、抗變形腐蝕性能及金屬材料沖擊功能效果明顯。振動(dòng)時(shí)效設(shè)備更簡單、耗能低、效率高并且綠色環(huán)保。

在普通機(jī)械加工過程當(dāng)中毛坯件中的殘余應(yīng)力會(huì)影響工件的切削性能、零件在各個(gè)加工環(huán)節(jié)當(dāng)中都會(huì)產(chǎn)生一定的內(nèi)應(yīng)力將會(huì)影響工件尺寸穩(wěn)定性，因此在機(jī)械加工程中對待加工零件進(jìn)行振動(dòng)時(shí)效處理對改變工件切削性能及提高工件加工尺寸精度十分必要。與人工時(shí)效相比較機(jī)床用低頻振動(dòng)頂尖對殘余應(yīng)力處理更為徹底并且更為省時(shí)、高效、高精度及環(huán)保，工件在生產(chǎn)加工環(huán)節(jié)中減少搬運(yùn)次數(shù)，振動(dòng)時(shí)效處理過程中一次裝夾快速振動(dòng)處理，并且保證工件加工精度及其穩(wěn)定性，最終與人工時(shí)效相比較它更為環(huán)保。經(jīng)過低頻振動(dòng)處理的工件，不僅能夠減少殘余應(yīng)力的峰值，而且提高了材料的松弛剛度。

2 振動(dòng)時(shí)效原理的應(yīng)用及目標(biāo)設(shè)計(jì)

低頻振動(dòng)對消除工件應(yīng)力有著顯著效果，其本質(zhì)是減小工件內(nèi)部殘余應(yīng)力，或?qū)堄鄳?yīng)力均勻化，從而提高材料剛度，這將使工件尺寸的穩(wěn)定性提高。除此之外，另一個(gè)重要因素是松弛剛度，它也對工件尺寸的穩(wěn)定性起至關(guān)重要的作用，所以對工件進(jìn)行低頻振動(dòng)處理后，工件不只減少殘余應(yīng)力的最值，還提高了工件的松弛剛度。

通常機(jī)械加工系統(tǒng)中有若干固有頻率，并且工件的固有頻率與其結(jié)構(gòu)形狀、材料屬性和質(zhì)量有關(guān)，并且與工件在機(jī)械加工當(dāng)中的支撐點(diǎn)位置的選取有很大關(guān)系。因此對這樣一個(gè)多固有頻率的復(fù)雜系統(tǒng)，我們通常會(huì)選取一個(gè)主激振頻率。一般為振動(dòng)最低的頻率也就是一階共振頻率，使工件獲取最大振幅。由其選定機(jī)加工中粗加工之后，半精加工之前。為了選擇合理的激振力范圍，我們將用過載系數(shù)來反映，還要配合材料的抗拉強(qiáng)度一同分析。

激振力是通過振動(dòng)氣缸產(chǎn)生的，對于振動(dòng)氣缸在壓力為06Mpa時(shí)最高振動(dòng)頻率：50HZ，最大振動(dòng)力：5000 N。激振力在宏觀上與殘余應(yīng)力的疊加大于材料的屈服極限才能降低工件內(nèi)部的殘余應(yīng)力。當(dāng)然激振力也不能過大，如果超過了材料的疲勞極限將導(dǎo)致工件大量變形甚至疲勞破壞，為了選定合適的激振力，我們通過動(dòng)應(yīng)力值和殘余應(yīng)力的比值，再配合上不同材料的抗拉強(qiáng)度值來選取大小。首先測出零件殘余應(yīng)力大小，當(dāng)殘余應(yīng)力值小于工件抗拉強(qiáng)度的25%時(shí)，過載系數(shù)可大于0.45，但要在疲勞極限之內(nèi)，當(dāng)殘余應(yīng)力值大于工件抗拉強(qiáng)度的25%時(shí)過載系數(shù)要小于0.45。在許多研究成果中，一般針對不同毛坯有一個(gè)經(jīng)驗(yàn)值，工件為鑄件時(shí)其過載系數(shù)在0.2-045之間，焊接件的過載系數(shù)在0.1-0.3左右。并且針對鑄件，鑄鐵在一階激振頻率下激振力為2.5-3.5 kgf /mm。

3 振動(dòng)裝置設(shè)計(jì)

利用機(jī)床上普遍的雙頂尖裝夾方式，本裝置全面改變了活動(dòng)頂尖的結(jié)構(gòu)，使其不只有支承、定位的作用，還兼具激振的作用以達(dá)到振動(dòng)時(shí)效的作用。機(jī)床用低頻振動(dòng)頂尖主要用于軸類零件的加工，一般安裝在普通車床、數(shù)控車床或復(fù)合式機(jī)床上采用低頻率、較高峰值的振動(dòng)頂尖對工件進(jìn)行單向激振并產(chǎn)生共振的時(shí)效處理。激振頻率25-50HZ，最大振動(dòng)力5000N工件一端采用固定頂尖，另一端采用振動(dòng)頂尖的支承方式。振動(dòng)頂尖的支承作用是一個(gè)動(dòng)態(tài)的支承，既達(dá)到支承作用又要滿足激振的要求。頂尖與中心孔的接觸面如下圖：

動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)軌跡圖

圖中虛線是激振頂尖的動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)軌跡，起到激振和輔助動(dòng)態(tài)支承作用。中心浮動(dòng)半缺頂尖主要起支承作用。

1-壓縮空氣管接頭，2-振動(dòng)活塞，3-復(fù)位彈簧，4-振動(dòng)氣缸，5-直線軸承，6-滾珠軸承，7-激振頂尖，8-浮動(dòng)頂尖，9-復(fù)位彈簧，10-排氣口消音器，11-頂桿，12-莫氏錐柄

激振頂尖內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

如圖所示，本裝置是一種用于軸類零件粗加工后去應(yīng)力振動(dòng)頂尖，在振動(dòng)頂尖具體應(yīng)用過程中，壓縮空氣通過壓縮空氣管接頭1進(jìn)入振動(dòng)氣缸4，推振動(dòng)活塞2左移使彈簧3壓縮，撞擊激振頂尖7，一次撞擊完成;振動(dòng)活塞2越過排氣口，振動(dòng)氣缸4右腔卸荷，彈簧3復(fù)位伸長，振動(dòng)活塞2右移，撞擊激振頂尖7，二次反向撞擊完成。如此反復(fù)進(jìn)行直至達(dá)到工藝要求。其中浮動(dòng)頂尖8起到定心作用，保證一定的加工精度。

4 試驗(yàn)檢測與結(jié)論

4.1 尺寸穩(wěn)定性及殘余應(yīng)力檢測

尺寸穩(wěn)定性檢測是指在振動(dòng)時(shí)效前后對試件的精度進(jìn)行測量，一種方法是選擇幾個(gè)不同的時(shí)間點(diǎn)測量構(gòu)件的尺寸精度隨時(shí)間的變化量，另一種是在靜置或動(dòng)態(tài)載荷左右之后尺寸精度變化量，兩種方法均是用于鑒定振動(dòng)時(shí)效對工件處理的質(zhì)量。本套裝置采用動(dòng)態(tài)載荷法，試件是在動(dòng)態(tài)前后用測量精度為0.001mm/m的電子水平儀和測量精度為0.07um的量塊比較儀，沿長度方向分若干段測量其直線度誤差及長度，求出測量的變化量。這種方法簡單、快速，對振動(dòng)時(shí)效的效果有很好的直觀表現(xiàn)。此次試驗(yàn)頻率5000HZ、動(dòng)應(yīng)力40MPa、振動(dòng)時(shí)間60min.三個(gè)n樣本均為直徑30mm，長150mm圓棒料。

4.2 金相組織比對圖

通過振動(dòng)頂尖振動(dòng)時(shí)效處理后，被測樣件在振動(dòng)前后的金相組織比對圖取樣件直徑30mm長150mm圓棒料端面，分別取振動(dòng)前后小塊試樣，研磨、拋光、4%硝酸酒精溶液浸蝕后進(jìn)行觀察如下圖：

A振前金相組織圖 B振后金相組織圖

振動(dòng)時(shí)效使得工件內(nèi)部組織晶粒細(xì)化，機(jī)械性能提高，從而證明本套裝置能對毛坯件或粗加工后的零件做一個(gè)相當(dāng)于預(yù)備熱處理和調(diào)質(zhì)處理的振動(dòng)時(shí)效處理。試驗(yàn)表明振動(dòng)時(shí)效對所有的工件都有效果，并能從尺寸穩(wěn)定性檢測和金相觀測上得以體現(xiàn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]朱世根，劉峰，顧偉生，等.振動(dòng)時(shí)效的應(yīng)用[J]焊接技術(shù)，2002，31（6）：25-27.

[2]劉先斌，廖蘭.機(jī)床鑄件振動(dòng)時(shí)效處理方法的綠色性綜合評價(jià)及決策陰.鑄造技術(shù)，2010，3l（1）：48.

[4]胡曉東.振動(dòng)時(shí)效的發(fā)展[J].鑄造技術(shù)，2009，30（3）：408-411.

[5]沈華龍，吳運(yùn)新，郭俊康.高強(qiáng)度鋁合金厚板振動(dòng)時(shí)效工藝的研究[J].振動(dòng)與沖擊，2009，28（8）：191-194.

[6]饒德林，陳立功，倪純珍.振動(dòng)時(shí)效技術(shù)的研究狀況[J].焊接，2004（11）：4-7.

[7]陳永嶺，尹忠俊.振動(dòng)時(shí)效動(dòng)應(yīng)力參數(shù)選取的探討[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2006（4）：102-103.

[8]楊劍.降低殘余應(yīng)力的振動(dòng)時(shí)效裝置研究與設(shè)計(jì)[D].武漢大學(xué)，2010.

[9]任耀新.高頻振動(dòng)時(shí)效裝置的研究[D].浙江大學(xué)，2006.

[10]李巖舟，蔡敢為，陳淵，黃院星，梁秋練.新型曲軸振動(dòng)時(shí)效裝置的設(shè)計(jì)[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2013.09：25-27.