振動(dòng)時(shí)效降低冷碾壓軸承環(huán)殘余應(yīng)力的試驗(yàn)分析

韓忠冠，羅賢國(guó)，俞 蓓，王宏琴，趙 磊

（安徽機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽蕪湖 241000）

0 引言

軸承是機(jī)械零件產(chǎn)品中常用的標(biāo)準(zhǔn)件，采用冷碾壓工藝生產(chǎn)軸承環(huán)坯，可以提高軸承壽命并節(jié)約原材料。經(jīng)過(guò)前期試驗(yàn)分析，軸承環(huán)坯冷碾壓過(guò)程中不可避免存在殘余應(yīng)力，是后續(xù)淬回火變形產(chǎn)生的主要影響因素[1]。自然時(shí)效、熱時(shí)效、振動(dòng)時(shí)效是降低材料內(nèi)部殘余應(yīng)力的主要方法，本文針對(duì)冷碾壓成形的6311/01軸承環(huán)振動(dòng)時(shí)效處理進(jìn)行試驗(yàn)分析，探索冷碾壓軸承環(huán)件內(nèi)殘余應(yīng)力的降低效果。

1 振動(dòng)時(shí)效機(jī)理

振動(dòng)時(shí)效是一種通過(guò)振動(dòng)使材料內(nèi)部的內(nèi)應(yīng)力得以松弛和減輕，從而使構(gòu)件內(nèi)殘余應(yīng)力降低、尺寸穩(wěn)定而達(dá)到時(shí)效的方法[2]。振動(dòng)時(shí)效的機(jī)理已有大量的研究，綜合現(xiàn)有研究成果，可以達(dá)成如下共識(shí)[3-5]：構(gòu)件在共振狀態(tài)下獲得較大的激振動(dòng)應(yīng)力，在某個(gè)方向上的合應(yīng)力超過(guò)材料的屈服極限，該處會(huì)產(chǎn)生屈服變形，引起殘余應(yīng)力松弛并釋放出來(lái)，從而有效地降低峰值殘余應(yīng)力，使整體殘余應(yīng)力值下降。從位錯(cuò)理論的微觀角度分析，殘余應(yīng)力的本質(zhì)是晶格畸變，而晶格畸變?cè)诤艽蟪潭壬鲜怯晌诲e(cuò)引起的[6]。振動(dòng)過(guò)程中，當(dāng)外加激振力與殘余應(yīng)力疊加的合力大于微觀塑性變形所需的流變應(yīng)力時(shí)，金屬晶體將產(chǎn)生位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)[7]。由于應(yīng)力集中區(qū)的位錯(cuò)等的滑移流變，這時(shí)高殘余應(yīng)力區(qū)的位錯(cuò)塞積群將被開(kāi)動(dòng)，使晶體產(chǎn)生微觀塑性變形，使高殘余應(yīng)力得以釋放，使此處應(yīng)力變小，從整體看達(dá)到均化應(yīng)力、降低或消除殘余應(yīng)力的目的。

2 試驗(yàn)方案及內(nèi)容

2.1 試驗(yàn)方案

冷碾壓成形6311/01軸承環(huán)時(shí)每分鐘生產(chǎn)2～3只，而振動(dòng)時(shí)效一般每只累計(jì)振動(dòng)時(shí)間不應(yīng)超過(guò)40分鐘[8]，這樣存在生產(chǎn)效率的不匹配。目前，按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《機(jī)械式振動(dòng)時(shí)效裝置》GB/T25713-2010生產(chǎn)的機(jī)械式振動(dòng)時(shí)效裝置，雖然能適用碳素結(jié)構(gòu)鋼、不銹鋼、低合金鋼等材質(zhì)的鑄件、鍛件、焊接件等的時(shí)效處理，但其激振方式滿足不了冷碾壓成形軸承環(huán)成批量生產(chǎn)的工效要求。我們?cè)囼?yàn)時(shí)應(yīng)用振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)，將軸承鋼GCr15生產(chǎn)的6311/01冷碾壓軸承環(huán)，用紙箱有序地小批量包裝成一體放置在振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)（如圖1所示），這樣既滿足成批量生產(chǎn)的應(yīng)用要求，也防止振動(dòng)中軸承環(huán)間相對(duì)運(yùn)動(dòng)而造成碰劃傷。

2.2 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)所用6311/01冷碾壓軸承環(huán)的材料為GCr15；試驗(yàn)設(shè)備為機(jī)械式振動(dòng)臺(tái)，最大試驗(yàn)負(fù)載100kg，振動(dòng)方式為回轉(zhuǎn)式。

2.3 試驗(yàn)內(nèi)容

設(shè)置合適試驗(yàn)參數(shù)是有效降低殘余應(yīng)力必然考慮的問(wèn)題。根據(jù)已經(jīng)研究的理論知道，共振振動(dòng)是消除應(yīng)力的關(guān)鍵。一個(gè)無(wú)應(yīng)力的工件具有獨(dú)特的固有頻率，含有殘余應(yīng)力的工件的共振頻率比相同但不含應(yīng)力的工件共振頻率高。在振動(dòng)過(guò)程中，隨著殘余內(nèi)應(yīng)力下降，工件內(nèi)阻尼減小，工件的固有頻率降低[9]。由于工件內(nèi)各處殘余應(yīng)力不等，其峰值大小無(wú)法估計(jì)，同時(shí)受振動(dòng)試驗(yàn)設(shè)備條件限制（只能在低頻100 Hz內(nèi)進(jìn)行振動(dòng)時(shí)效），所以我們?cè)谠囼?yàn)方案設(shè)計(jì)時(shí)，在振幅一定前提下，每種方案振動(dòng)頻率按高中低三階段遞減方式考慮。方案1為先按100Hz振動(dòng)40分鐘后，轉(zhuǎn)換為66Hz振動(dòng)40分鐘，接著按33 Hz振動(dòng)40分鐘；方案2為按80Hz振動(dòng)40分鐘后，轉(zhuǎn)換為54Hz振動(dòng)40分鐘，最后按27 Hz振動(dòng)40分鐘；為了對(duì)比時(shí)效效果，增加方案3的同一頻率100Hz同等時(shí)間振動(dòng)和方案4的軸向振動(dòng)（即環(huán)件擺放軸承環(huán)軸向?yàn)樯舷路较?，震?dòng)頻率與方案2相同）兩種方式。

圖1 小批量工件擺放振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)

3 振動(dòng)時(shí)效試驗(yàn)過(guò)程及結(jié)果分析

3.1 試驗(yàn)結(jié)果

為了評(píng)估試驗(yàn)環(huán)件振動(dòng)時(shí)效消除應(yīng)力的效果，分別對(duì)試驗(yàn)用冷碾壓軸承環(huán)編號(hào)，然后分組對(duì)應(yīng)試驗(yàn)，每種方案用30只6311/01軸承環(huán)，用盲孔法對(duì)激振前和激振后的環(huán)件進(jìn)行殘余應(yīng)力測(cè)試，測(cè)試點(diǎn)設(shè)置在外圓面位于環(huán)件高度的1/2處，試驗(yàn)結(jié)果及數(shù)據(jù)處理見(jiàn)表1。

3.2 結(jié)果分析

環(huán)件殘余應(yīng)力試驗(yàn)前后極差大小，可在一定程度上表明環(huán)件測(cè)試面內(nèi)的殘余應(yīng)力消除程度，即極差越大，殘余應(yīng)力消除越大；反之，極差越小，殘余應(yīng)力消除越小。四種方案殘余應(yīng)力試驗(yàn)前后降低（極差）平均值比較，如圖2所示，方案1最優(yōu)，其次依次是方案2、方案3、方案4。

表1 試驗(yàn)結(jié)果及數(shù)據(jù)處理

續(xù)表1

續(xù)表1

殘余應(yīng)力消除率δ的計(jì)算方法為

式中，σ0為振前的殘余應(yīng)力數(shù)值，σi為第i次振動(dòng)后的殘余應(yīng)力數(shù)值。從振動(dòng)前后殘余應(yīng)力消除率波狀圖（圖3）看，方案1在45%～55%之間、方案2在30%～40%之間、方案3和方案4基本差不多，在10%～25%之間。

圖3 殘余應(yīng)力消除率波狀圖

4 結(jié)論

通過(guò)文中給出的四種振動(dòng)時(shí)效試驗(yàn)結(jié)果，可看出振動(dòng)時(shí)效能有效地降低環(huán)件端面的殘余應(yīng)力。從效果來(lái)看，方案1最佳。從方案1與方案2比較看，高頻率振動(dòng)對(duì)冷碾壓軸承環(huán)殘余應(yīng)力降低效果好。因此，在冷碾壓軸承生產(chǎn)上，可采取由高到低分段設(shè)置振動(dòng)頻率方式，實(shí)施振動(dòng)時(shí)效處理，有利于降低殘余應(yīng)力，促進(jìn)冷碾壓技術(shù)的更經(jīng)濟(jì)應(yīng)用推廣。受試驗(yàn)條件限制，未在更高頻率振動(dòng)條件下試驗(yàn)，如果在更高頻率振動(dòng)條件下進(jìn)行試驗(yàn)，相信會(huì)摸索出更多不同型號(hào)的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)用于指導(dǎo)生產(chǎn)。