振動時效技術(shù)在碟閥體中的應(yīng)用與效益|最新資料

時效是消除機(jī)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(jìn)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(jìn)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(jī)理及裝置的原理
1.1、振動時效機(jī)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)，降低了尺寸穩(wěn)定性和機(jī)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(jī)械振動時效裝置主要包括激振器、控制主機(jī)、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(fù)載特性變化較劇烈的情況下，并記錄、識別和輸出有關(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(jìn)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(jìn)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(jìn)行工藝分析，以達(dá)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(jìn)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。
2.2、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(dāng)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)力，只有用工件固有頻率進(jìn)行激振，才能最經(jīng)濟(jì)、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(dá)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(jìn)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(jìn)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(jìn)程，決定何時停機(jī)，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(dá)到了預(yù)期的目的。
2.4、振動時效前后殘余應(yīng)力的檢測
為了定量了解振動時效工藝效果，使用磁應(yīng)力儀，檢測了挖掘機(jī)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(yán)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(yuǎn)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(jī)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。
對于發(fā)生以上情況，通過實驗的方法可以解決。反復(fù)改變激振力和支撐點以及激振器的裝卡位置；采用懸臂的方法（將工件一端固定，激振器裝卡在另一端的方法），也可以采用組合振動法（將多個工件剛性連接在一起可以降低工件的固有頻率）。

3、振動時效的工藝管理和經(jīng)濟(jì)效益
在生產(chǎn)實踐中上，某公司是通過振動時效工藝曲線來檢測振動時效效果的。每振動時效處理一個工件，都必須要有相應(yīng)的振動時效工藝曲線，這個工藝曲線，要經(jīng)過質(zhì)量檢驗部門依據(jù)工藝部門制訂的振動時效工藝卡的標(biāo)準(zhǔn)曲線進(jìn)行驗收，如果達(dá)不到驗收標(biāo)準(zhǔn)，還要返工重振。驗收合格后工件才能轉(zhuǎn)到下一工序，有效地保證了振動時效工藝質(zhì)量穩(wěn)定可靠。
從2005年開始，公司累計振動時效處理了1500臺蝶閥箱體類的焊接件，每臺產(chǎn)品的焊接結(jié)構(gòu)件平均質(zhì)量約為0.5噸，總計處理了約750噸。公司購買了1套振動時效設(shè)備，設(shè)備購置費為6萬元，操作人員1人，4年累計工資額為8萬元，振動時效設(shè)備每天耗電量為16度，每度電按照0.8元計，4年累計使用電費為0.6萬元。4年累計振動時效的總費用為14.6萬元。
如果使用熱時效，需要購買熱時效爐，因為環(huán)境污染問題，不能使用燃煤熱時效，只能使用電爐熱時效。按照公司的產(chǎn)量，需要購買2臺100kW的電爐，設(shè)備投資約30萬元，電爐的用電量很大，其綜合熱時效成本為500元/噸，處理750噸工件，需要37.5萬元。4年累計熱時效的總費用需要75.5萬元。與熱時效相比，振動時效可以節(jié)省60萬元的時效費用，此外，采用振動時效后與熱時效相比所節(jié)省的大量工時尚未計算在內(nèi)，由此可見應(yīng)用振動時效技術(shù)的經(jīng)濟(jì)效益是相當(dāng)顯著的。