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振動時效工藝中若干關鍵參數的確定
發布時間: 2020-05-25 11:47:01    瀏覽次數:52次   作者:振動時效設備

  振動時效處理過程是將激振器剛性夾持在被處理工件的適當位置,首先根據零件大小,形狀和加持情況來調節激振頻率,最好使零件在其固有頻率下進行共振,然后根據零件所需動應力或振幅的大小來調節激振力。零件的振動狀態和動應力,可用測量振動和應力的儀表來檢測。通常將感受元件(加速度計或速度計)接于被振物體上,振動時,感受元件把接收到得振動信號送往測試儀表,經放大電路將信號放大并指示出各種所需的參數值。振動狀態的主要指示參數是振幅、頻率和振型。振動狀態和激振力的控制是通過控制激振器的控制裝置來實現的。它能調節激振力、激振頻率和振動時間。被處理零件在所需頻率和振動強度下振動一段時間后,振動時效即告結束。這個工藝過程一般為幾分鐘或幾十分鐘。


  振動時效工藝實際上是指對工件的幾個振動時效參數的確定,振動時效的幾個主要參數是:振動頻率、振動時間、動應力、工件的振型(用來確定工件的支撐位置,激振器和傳感器的裝夾位置),下面將對這幾個參數進行較為詳細的說明。

  一、振動頻率的確定

  在共振狀態下,可用最小的振動能量,使工件產生最大的振幅,得到最大的動應力和動能量,從而使工件中的殘余應力消除的更徹底,工件獲得的尺寸穩定性效果更好。

  振動時效中的共振狀態,是在外部激振器激振力的持續作用下,零件處于“受迫振動”時的一個特殊狀態。它的條件是激振頻率接近工件的固有頻率,這時振動特性中的振幅—頻率曲線出現一個峰值,振幅的陡然增大對振動時效產生附加動應力有利。

  工件在振動時效時是一個振動體,它與其支撐用的彈性橡膠墊和激振器組成為一個振動系統,當該系統進行自由振動時,根據振動學原理,它的共振頻率僅與系統本身的質量、剛度和阻尼有關。這個頻率是由系統固有性質所決定的,稱為固有頻率。

  

振動時效工藝中若干關鍵參數的確定


  (a) 一階彎曲振型,共振頻率:22.4Hz

  

振動時效工藝中若干關鍵參數的確定


  (b) 二階彎曲振型,共振頻率:61.7Hz

  

振動時效工藝中若干關鍵參數的確定


  (c) 三階彎曲振型,共振頻率:120.9Hz

  振動時效中一個工件和它的支撐體組成振動學中一個質量和一個彈簧的振動系統,它的固有頻率可用下列通式表示:

  

振動時效工藝中若干關鍵參數的確定


  式中:fn為固有頻率 (HZ);K為彈簧的剛度 (Kg/cm);m為振動體質量 (Kg)。

  上圖示出了某均質等截面梁彎曲的頻率及相應的振型。

  由振動頻率的方程解及上圖可知,具有幾個自由度的振動系統,有幾個固有頻率,按低至高頻順序分別稱為:第一固有頻率(基本固有頻率);第二個固有頻率……。對于每一個固有頻率都有一個確定的位移形態,稱為振型。就是說,對應每一個固有頻率都有對應的一個振型。

  工件的固有頻率可用振動時效設備本身來測定,以VSR系列振動時效設備為例,只要按一下控制器面板上的“啟動”按鈕,整套裝置就會在其掃頻范圍內尋找出被時效工件的固有共振頻率,并將固有頻率值、固有頻率下所對應的工件的最大振動加速度值及工件在固有頻率周圍的振動趨勢圖打印出來,使操作者一目了然。

  

振動時效工藝中若干關鍵參數的確定


  圖2 某工件的n-n掃描曲線圖

  振動頻率一般選擇在共振峰前沿,即工件的亞共振區,一般確定在共振峰高度的1/3~2/3所對應的頻率范圍內,如圖2所示,該工件的固有共振頻率為4500r/min,共振時產生的最大振動加速度(峰值)為60.0m/s2,則對工件的振動時效頻率就確定為工件的振動加速度值在20.0~40.0m/s2區域內所對應的頻率。具體的確定方式有兩種:

  1、手動調節

  首先將激振器頻率調節到工件固有頻率以下100r/min處,即4400r/min,觀察控制器上加速度的值,然后再用手動慢慢升速,使加速度值升高在20~40m/s2范圍內,具體掌握在多大的頻率下,還要看工件的振動情況,若工件在共振狀態時振動很激烈,則可選擇在1/3~1/2范圍內,若工件振動不是很激烈,則選擇在 范圍內。

  2、自動調節

  VSR系列全自動控制器會自動地控制整套設備對工件進行頻率、振動情況的測定,并給出數據及曲線圖,根據專家系統自動地確定對工件的振動頻率,這一切無需人工干預,而只需按一下自動按鈕就可完成。

  二、振動時間的確定

  由于各種零件的結構和重量不同,殘余應力的大小分布不同,振動時效選用的振動時間也應有所不同。振動時間的長短對振動時效的效果,尤其是獲得最佳技術和經濟效果是有一定的影響的。

  除英國的振動時效工藝外,其他包括中國在內的所有國家所選用的都是長時間的亞共振處理方法。

  英國的振動時效工藝主要內容是控制器控制激振器的激振頻率以一定的速度升高,當升高到工件的固有頻率附近時,工件產生共振,這時控制器就控制激振器在工件的共振頻率上激振約5000次,然后激振器再以一定的速度升速,若再遇上工件的共振頻率,再在這個共振頻率下施振5000次,之后,再升速直至升到激振器的最高轉速極限,之后,再快速掃描一次,這時激振器不再在共振頻率處停滯,整個處理過程在很短的時間內就告完結。

  其它國家的振動工藝是選擇在工件的亞共振區進行較長時間的亞共振處理,那么,究竟選擇多長時間為宜呢?經過大量的試驗證明,振動消除殘余應力大部分是在前五分鐘內完成的,五分鐘之后的處理效果已不再明顯。為此,我們一般按表1原則選擇振動處理的時間,經過十幾年的證明,基本上能滿足振動工藝的要求。

  表1

  

振動時效工藝中若干關鍵參數的確定


  如果工件的剛度較大,振動不是很激烈,可在表1的基礎上再延長3~5分鐘的振動時間。

  三、動應力的確定

  振動時效過程中,激振器施加給工件以與其周期交變力相對應的動態附加應力。附加動應力與工件原存殘余應力疊加后,所造成的局部或整體塑性變形,就能是工件殘余應力松弛、均化和消除,并提高金屬基體的抗變形能力。這是使工件尺寸精度穩定化的關鍵。

  所以,動應力是振動時效中有決定性作用的參數,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度、精度、溫度變化有直接關系。顯然,當處理殘余應力較小的工件時,只需選用一定的動應力,產生不大的塑性變形,就能使工件材料強化,使不大的原始殘余應力處于穩定,而不發生大的翹曲變形。但是,如果工件的殘余應力較大,那么就必須選用足夠大的動應力,使工件產生較大的塑性變形,才能使它的殘余應力大幅度降低,使零件的材料得到強化,從而尺寸精度獲得穩定。

  許多研究和實踐證明,用過載系數K所表示的零件原始殘余應力和動應力(峰-峰)值之比,即K=動應力/殘余應力,能體現振動時效工藝中他們間的依存關系,并能用來鑒定振動時效處理的有效性。資料指出:使工件尺寸精度穩定的K值為0.45左右為宜。

  如果動應力施加的比較小,則消除殘余應力的效果比較差;如果動應力施加的太大,有可能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。

  VSR系列振動時效裝置的內部軟件系統已備自動判定動應力是否合適的功能,如果動應力不夠,打印機會自動地打印出讓您加大動應力的指令;如果動應力太大,系統會自動關機,避免引起不良后果,并通知操作者來減小動應力。所以使用VSR系列振動時效裝置可令您放心。

  四、工件的支承位置

  與激振器的裝夾位置的確定

  談到這兩種位置的確定,首先我們先談一談工件的振型問題。對應工件的任何一個固有頻率都對應的一個振型,而支承位置和裝夾位置都是依據工件的振型來確定的??偟脑瓌t是:

  支承墊應放在工件振型的波節處,支承墊應用具有彈性(如橡膠、墊木、剛性彈簧等);

  激振器應放在工件振型的波峰處,用專用卡具與工件剛性地卡在一起;

  加速度計應按放在遠離激振器的另一個波峰處,如圖3所示。

  

振動時效工藝中若干關鍵參數的確定


  (a) 梁型工件

  

振動時效工藝中若干關鍵參數的確定


  (b) 工件的一階振型

  

振動時效工藝中若干關鍵參數的確定


  (c) 工件的支撐裝夾示意圖

  如果對工件的振型判斷不對,使得支承位置和裝夾位置不合理,那么就會直接影響時效效果,甚至出現振不起來的現象。而工件的振型由于工件本身的重量、幾何形狀、尺寸等因素的不同又各不相同。所以判斷工件的振型、尋找支承、裝夾位置,是振動時效實際應用中遇到問題最多,甚至到了影響振動時效工藝推廣應用的地步。許多振動時效使用廠家,工藝上反映問題最多的就是這方面,而有時給予正確的指正,就順利地進行了。有些工作者干了七八年的振動時效,如果讓他們干一種其他形狀的工件,他們就不知如何干了。還有的廠家對不同形狀的工件采用千篇一律的支承和裝夾方式,也不知道工件的振型是什么形狀。如果出現什么質量問題,反過來懷疑是振動時效技術本身的問題。當然出現這些問題一方面使用者就振動時效工藝尚不熟悉,更重要的是振動時效設備的生產銷售廠家,他們能夠生產出振動時效設備(先不論其質量好壞)但對振動時效工藝卻一知半解,對振動時效的原理更是知之甚少,有些用戶買了他們的設備,他們最多負責去調試一下,設備到了用戶手中,只要電機能轉、顯示正常就算交差,只要能振動就行,而不知效果如何。

  振動時效設備本身并不值那么多錢(如美國馬丁設備售價2.5萬美元),而值錢的是振動時效技術本身,它是一種高附加值的產品。所以用戶選擇設備時,一要看設備本身的性能和質量,二要看生產廠家有無過硬的工藝服務體系。我們經過十幾年的實踐經驗和理論研究,在工件的支承和激振器的裝夾方面總結出以下幾個基本原則:

  1、當工件長:寬>3,長:厚>5時

  認為工件屬于梁型件類,橡膠墊應在距端部2/9長度處,激振器卡在中間或一端,傳感器吸緊在另一端,如圖4。

  

振動時效工藝中若干關鍵參數的確定


  1-振激器;2-傳感器;3-工件;4-橡膠墊

  2當工件的長≈寬,長:厚>5時

  認為工件屬于板型件類??稍诰喽瞬?/3長度處放上四個橡膠墊,激振器卡在中間或一端,傳感器吸緊在另一端,如圖5。

  

振動時效工藝中若干關鍵參數的確定


  1-振激器;2-傳感器;3-工件;4-橡膠墊

  3、當工件的長≈寬≈高時

  認為工件屬方型件類。橡膠墊可采用三點支承方式,激振器放在單支點側的端部,或工件頂面的中間,傳感器放在另一端部,如圖6。

  

振動時效工藝中若干關鍵參數的確定


  1-振激器;2-傳感器;3-工件;4-橡膠墊

  圖6

  4、當工件為圓環時

  橡膠墊在圓環底部采用四個或三個對稱支承,激振器夾在兩個橡膠中間,傳感器放在另兩個橡膠墊中間,如圖7。

  

振動時效工藝中若干關鍵參數的確定


  1-振激器;2-傳感器;3-工件;4-橡膠墊

  圖7

  5、當工件為軸類件時

  按梁型件類支撐,若軸的剛性較差,可采用懸掛方式處理。

  6、當工件較小時

  屬小件類,可采用振動臺的方式進行集中處理,但振動臺的設計計算比較復雜,采用這種工藝應請有經驗的振動時效專家設計,方能取得較好的時效效果。

  7、當工件較大,剛性太強時

  可采用定速定時工藝處理。


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