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1、频谱谐波时效技术在机床零件加工中 消除应力 方面的应用研究齐重数控装备股份有限公司王伟顺姬国栋全博文姜春雨摘要分析并讨论了振动消除应力技术的基本原理，通过传统亚共振时效消除应力与频谱谐波时效技术消除应力的对比工艺试验，验证了频谱谐波时效技术在机床零件加工中的消除应力控制变形的有效性。关键词应力振动时效亚共振频谱谐波时效1引言对于振动过程的机理，国内外已经进行了大量的研究工作，取得以下的共识:振动就是对金属构件施加周期性的作用力(动应力动)。在振动过程中，施加到金属构件各部分的动应力动与内部残余应力残叠加，当叠加幅值大于金属构件的屈服极限s，即动+残s时，这些点晶格滑移，产生微小的塑性变形，达到
2、释放残余应力的目的。从微观上看，只要温度在绝对零度以上，金属原子始终处于运动中，由于残余应力的影响，这些原子处于不平衡运动状态。但它们力求回复平衡位置，这就需要能量。振动时效就是给金属构件提供机械能，使约束金属原子复位的残余应力释放，加快金属原子回复平衡位置的速度。从金属物理学上看，振动时效的过程，实质上是金属材料内部晶体位错运动、增殖、塞积和缠结的过程。由于金属材料存在位错，所以在构件内部产生的交变动应力与内部的残余应力相互叠加，在应力较高的区域，就可产生位错滑移，出现微小塑性变形。位错滑移是单向进行线性累积的，当微应变累积到一个宏观量，金属组织内残余应力较大处的位错塞积得以交替开通，局部较
3、大残余应力得以释放，构件宏观内应力随之松弛，使残余应力的峰值下降，改变了构件原有的应力场，最终使构件的残余应力降低并重新分布，达到一个相对的平衡状态。位错塞积后造成位错移动受阻，从而强化了基体，提高了构件抗变形能力，使构件的尺寸精度趋于稳定。振动时效技术虽然在高效、节能、环保等方面有着非常明显的优势，但也存在几十年未能解决的障碍性难题:l应用面低，约23%:一般振动时效设备频率范围为0166.7Hz，机械制造业超过这个范围的高刚性、高固有频率工件有77%之多，对这些工件无法振动。l效果差:通过在振动时效设备频率范围内扫描寻找到的振动频率非常少，有效振型太少，无法进行多维残余应力消除，处理效果很
4、难达到热时效效果。l操作复杂、效果不稳定:传统振动时效设备处理工件时，调整激振点、支撑点和拾振点很繁琐，而且很难达到最佳状态，百种工件，制定百种工艺。完全靠操作者技能和经验来调整振动时效工艺参数，不同的人使用，带来不同的处理效果，这样很难纳入正式生产工艺。l噪音污染严重:在工件固有频率附近振动，噪音极大，工作现场环境恶劣。在21世纪初一种新的振动时效技术在中国出现了，它突破了原有振动时效的技术瓶颈，开创了振动时效应用的一个全新时代，因其独特的找频与频率处理方式，被称为频谱谐波时效技术。频谱谐波时效技术采用傅里叶方法，不需扫描，对工件进行频谱分析找出工件的十几种谐波频率，优选出对消除工件残余应力
5、效果最佳的、不同振型的五种谐波进行时效处理，达到多维消除应力提高尺寸精度稳定性的目的，已于2009年12月被列为国家重点节能技术推广目录(第二批)。具体特点如下:l采用频谱分析技术，解决了亚共振模式因激振器频率范围限制而不能对高刚性固有频率工件进行振动处理的难题，把振动时效在机械制造领域的应用面从23%提升到近100%。l对所有工件都能分析出几十个谐振频率优选处理效果最佳的5种振型频率，2种备选频率，从而解决了亚共振模式不能对残余应力呈多维分布，精度要求高、结构复杂的工件进行时效处理的难题。多种振型多方向与工件多维残余应力充分叠加，使处理效果显著优于热时效和传统的振动时效(亚共振时效)。l自动
6、确定振动时效工艺参数，对激振点、支撑点、传感器位置无特殊要求，对振动参数的自动选取，自动优化，对操作者的要求降低，从而解决了亚共振模式必须依靠操作者经验来选取振动工艺参数，且处理效果各异的，以至很难纳入正式工艺的缺陷。l由于采用6000rpm以下的低频谐波，振动处理时噪音很小，而亚共振模式产品是在工件共振频率下振动，噪音很大，使用者常常很难忍受，也不符合环保要求。2试验的目的和方法2.1试验目的通过传统亚共振时效消除应力与频谱谐波时效消除应力的对比工艺试验，验证消除应力控制变形的有效性方法。2.2试验方法由于工件残余应力测量比较困难，目前尚无比较理想的测量方法，因此，采用实际测量各种情况下的变
7、形量，并对这些数据进行分析和评价。3、消除应力工艺实验3.1DUT500系列滑枕件试验:进行频谱谐波时效消除应力、亚共振消除应力和不进行消除应力三种情况下的加工试验，实际测量各种情况下的变形量(见图一)材料:45;尺寸:240mm240mm4905mm，重量:2250KG工艺要求:平行度:0.015mm直线度0.01mm垂直度:0.015mm试验件数量:三个测量要求:分别在实验结束后和放置2周以后分别对工件进行检测，进行数据对比。为了保证试验数据的有效性，所有试件均采用相同的材料(同一块原材料)、相同的加工设备、相同的刀具、相同的切削参数。DUT500系列滑枕件表一实验结束后检测的数据:测量位
8、置处理方式平行度直线度垂直度频谱谐波0.005mm0.004mm0.007mm亚共振0.004mm0.003mm0.007mm不做时效0.005mm0.005mm0.004mm表二放置2周后检测的数据:测量位置处理方式平行度直线度垂直度频谱谐波0.012mm0.008mm0.013mm亚共振0.019mm0.01mm0.02mm不做时效0.023mm0.05mm0.04mm3.2数控龙门移动式双柱立式车铣床工作台材料:HT250;尺寸:直径10000mm重量:68000KG工艺要求:平面度:0.025mm同轴度0.02mm工艺流程:毛坯-频谱谐波时效-粗加工试验件数量:一个数控龙门移动式双柱立
9、式车铣床工作台检测数据:测量位置工件平面度同轴度工作台0.020mm0.015mm4、数据分析:4.1DUT500系列滑枕件试验数据表明，频谱谐波时效处理的工件尺寸精度不仅强于未经时效处理的工件，更远胜于传统亚共振处理的工件。4.2数控龙门移动式双柱立式车铣床工作台数据表明，如此大直径的工作台经过频谱谐波时效处理，平面度和同轴度均达到了我厂的要求。5、频谱谐波时效技术应用的未来:取代热时效是发展趋势:人类进入工业社会以来，先后出现了三次意义深远的伟大变革，这三次工业革命分别以十八世纪蒸汽机的发明、十九世纪初发电机的发明和二十世纪中叶电子计算机的发明为重要标志。这三次变革推动了社会生产力的迅速发
10、展，影响和改变了人们的生活方式。但也严重破坏了人类生存的环境，使我们生存的地球变得千疮百孔，越来越严重的问题，使人们在改变生活的同时，不得不面对越来越严峻的环境问题。资源是不可再生的，破坏的环境是很难逆转的。节约能源，减少排放已经成为各国政府的重点工作。节能减排在中国同样被作为了各级政府部门的工作重点，十一五计划对节能减排提出了明确的目标。党中央、国务院对发展循环经济、资源节约和环境保护工作提出了明确的方针政策。胡锦涛总书记在党的十七大报告中明确指出开发和推广节约、替代、循环利用和治理污染的先进适用技术，发展清洁能源和可再生能源，保护土地和水资源，建设科学合理的能源资源利用体系，提高能源资源利
11、用效率。发展环保产业。加大节能环保投入，重点加强水、大气、土壤等污染防治，改善城乡人居环境。温家宝总理在全国节能减排电视电话会议上也做出要组织实施节能减排科技专项行动，组建一批国家工程实验室和国家重点实验室，攻克一批节能减排关键和共性技术。积极推动以企业为主体、产学研相结合的节能减排技术创新与成果转化体系建设，增强企业自主创新能力。在电力、钢铁和有色冶炼等重点行业，推广一批潜力大、应用面广的重大节能减排技术。制定政策措施，鼓励和支持企业进行节能减排的技术改造，采用节能环保新设备、新工艺、新技术的重要指示。在机械制造行业，一些明显高能耗、高污染的工艺手段，会受到很大的限制。振动时效与热时效相比有
12、着其不可比拟的节能减排优势，而且在其他方面也有部分优于热时效。热时效与频谱谐波时效对比表时效方式类别热时效炉(15吨)频谱谐波时效消除应力设备(一套)制造购买费用40万左右几十万时效周期按24小时计按1小时计能源消耗高(以烧煤、烧气、电为主)开炉一次(约24小时)，费用为3000-5000元人民币，平均以开炉24小时需4000元人民币计算，热时效成本为166元/小时;低(一小时一度电左右，粗略计算其能源消耗仅为热时效的3-5%，成本仅为热时效的8-10%。)成本对比如果按每年设备折旧10万元，年使用费约10万元人民币/年。(一年365天共8760小时)，则领航者实际成本11元/小时，与30吨热
13、时效炉相比平均每小时节约成本(166-11)/166100%=93%占地面积占地面积大，需要固定的场地，无法挪动。占地面积小，无需固定的场地，使用方便，可任意挪动，并且对电源要求不高(普通交流220V电源即可)。时效工件体积对体积较大或较长工件无法进炉时效处理(一般能容纳超过五米长工件的时效炉就很少，太长就根本没法进炉时效)对工件体积大小无特殊要求，均能通过更换激振器型号进行时效处理。环境污染非常严重无(是以施加机械能的方式消除残余应力，所以无环境污染)其他效益提高生产效率，节能减排方面的经济效益、社会效益无法估量。生产企业需要根据市场需求的不断变化，调整自己生产的产品，才能更有效的参与市场的竞争。目前新技术、新材料的应用日新月异，为企业带来了更多的发展机遇。6、结论经过工艺试验和应用实践，充分显示了频谱谐波时效技术消除应力技术的优势，在很大程度上可以替代常规的热处理时效消除应力工艺，并能获得明显的经济效益。另外，频谱谐波时效技术消除应力技术在黑色金属材料的焊接变形控制、焊后部件焊缝的消除应力也有很好的应用，可以提高焊接结构件的疲劳寿命，需做更多的理论和试验研究工作。
