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振动时效工艺在锻压机床大重型焊接结构件中的应用
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作者：倪纯珍 陈立功 刘毅萍 来源: newmake
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* g2 y( x# A9 E# R6 U 摘要：介绍了对40000kN锻压机床的滑块(80t)上横梁(100t)和底座(120t)三大焊接结构件进行振动时效的工艺及其处理结果。 0 X4 @. L2 e: n" Y
关键词：振动时效；锻压设备；应用 1 }9 N+ t% L$ \9 D7 p `
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1前言 * \, Z& E7 [# ]$ @" u5 `9 x) ` |
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振动时效又称VSR(Vibration Stress Rclief)振动消除应力法，它的实质是以机械振动的形式对工件施加应力，当附加应力与残余应力叠加的总应力达到或超过某一数值后，在应力集中的地方就会因应力超过金属材料的屈服强度而发生微观和宏观的塑性变形。从而降低该处的残余应力峰值，达到应力均匀化的目的；另外，振动引起位错的增殖和移动，使材料的屈服点上升，从而提高了金属的抗变形能力，达到了稳定工件尺寸的目的。 4 M( }3 o! U' q1 A7 K1 P+ ]+ x5 g6 e
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近10年来，振动时效工艺发展迅速，并在大重型结构件上得到了应用。该工艺与热处理相比主要具有下述特点：(1)投资少，不需建造大型的热时效炉，只需在现场使工件在共振频率下进行时效。(2)周期短，每个工件只需设3~4个振点，每个振点振10~25min。(3)热处理有软化材料、去氢和提高冷脆性的作用，而振动时效则有均化应力效果明显、强化材料的特点。对于刚性设计的大重型焊接结构件，由于对其强度和尺寸稳定有一定要求，所以采用振动时效工艺是非常合适的。(4)不仅节约能源，而且具有振动设备体积小、重量轻、操作简单等优点。 / Z! i9 V5 a( _. @
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在无锡西塘锻压厂的40000kN锻压机制造过程中，需对上横梁(100t)、滑块(80t)和底座(120t)三大焊接构件进行消除应力处理，以稳定工件尺寸。经分析，如用热处理方法需耗时3个月、费用35万元左右；而用振动时效工艺只需6天、费用2.1万元。可见，大型结构件用振动时效法处理效果明显。
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2振动时效工艺方案
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2.1剪切振动 ' t4 [! H- j" k, s" m9 }% Q# [# }
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理论上讲被振工件在任何振动频率下只要动应力足够大就都能达到均化残余应力和稳定尺寸的效果。但为了能用最小的能量激发大型构件产生较大的振动，我们将激振器放置在远离支点的波峰处，并使偏心轮的旋转面平行于支点的平面，从而使工件上下二个面作呈剪切运动的共振。这种振动对垂直面上的焊缝以及上下平面与各垂直面的角焊缝都能产生较大的动应力，加速度传感器应放在边长较大的一边，以获得较高的振动信号，具体布置见图1a。
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/ r( m% r; K7 p z! \! S0 F2.2固定支点状况下的多点振动 # O6 h% P0 v- h& `
6 x" k5 Q" B! U% H. J& m0 w, x3 E& S由于工件很重，最轻的也有80t，而现场行车的起吊能力只有30t，故只能用千斤顶将工件顶起。顶起时，要在支部处垫入弹性橡胶垫块。为了使工件各处能够获得足够大的动应力，采用了固定支撑多点施振的方案。该方案激振器的安装位置采用“垂直平分线法”，即以三个支点中心为顶点作一个三角形，三角形三条边的垂直平分线与边缘线的交点位置即是激振器的固定区域(图1b)。这种振动模型振动阻力小，易于获得振幅较大的共振。为了取得最佳的振动效果，可对每个工件设3~4个激振点进行振动。按工件结构形式、重量、残余应力的大小和分布不同，每个激振点的振动时间为10~20min。 , g8 G( h1 `8 Y7 q; C0 @9 G
$ j2 E3 @4 u0 {6 `0 D; H* x2 w2.3多频振动 / y% N9 w) f$ P5 R
. z. V( _, i0 j! u& V在同一种激振状态下(支点和激点都不改变位置)，可以采用不同的频率进行振动。若激振器功率大，还可以采用强迫振动。这种方案由于振动波长改变后动应力的峰值区域也发生变化，所以每改变一次频率都应改变加速度传感器的位置。
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3工艺实施和数据测量
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图2a、b、c分别为滑块、底座、上横梁的支点、激点及残余应力测点的布置图。每个工件设6个测区，每个测区测二点，振前一点，振后一点，这两点的距离为50~100mm，见图3。采用盲孔法，应变片电阻值为120Ω，灵敏度系数K=2的专用三片结构进行测量，其钻直径和深度为2mm。振动时先用扫频法确定共振频率，然后在不同激振点进行几次振动，同时对振频、振幅和动应力进行观察。三个工件典型的振动参数见表1，振前、振后残余应力测试计算结果见表2。图4a、b、c直接反应了振前、振后残余应力变化情况。 * i: H7 ^2 n6 a1 K/ T+ q* |8 c
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4 数据分析 # |- S! u$ y+ E6 @4 z' Y
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(1) 表1数据表明，三个工件的振动均获得了关键的共振频率。因为在对物体进行振动时效时，物体本身也是一个振动体，它与固定支承点组成了一个振动系统，底座虽重，但其跨度很长，故共振频率就低了。动应力是振动时效中的关键参数，其大小直接影响振动时效的效果。动应力的大小与距离激振器的远近有关，为了获得较好的振动时效效果，激振器应更换几个位置进行振动。振动时从各个方位测得的动应力值均大于10MPa，满足了理论上的数值要求，达到了预期的振动时效效果。 ( J! u" V& ]9 ~1 u$ W- L
* B3 f$ A M: v; K) g(2) 影响焊接件尺寸稳定性的不仅仅是残余应力数值的大小，还有残余应力的均匀性。振动时效不仅能消除应力，而且能消除应力峰值，使应力均匀化。从图4a、b、c可以看出，经过振动时效后三个工件的残余应力都明显得到了均化。另外，由于采用的是盲孔法，所以被测点的应力处在何种状态是无法估计的。从图4中可以看出，原呈拉应力或压应力的点在振动后受力状态发生了变化，这进一步说明振动时效后应力分布确实朝着有利的状态变化。
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http://www.newmaker.com/nmsc/u/2010/20106/art_img/201062120485660722.gif点中有四个点的残余应力在160MPa以上，还有一个为229MPa。而振后三个工件的最大残余应力在160MPa以上，还有一个点为229MPa，而振后三个工件的最大残余应力为145MPa，将其与设计工作应力迭加也小于240MPa。可见，振动时效后工件将在弹性区间工作，而不会出现失稳状态，满足了工件服役尺寸稳定性的要求。 2 [, j# i( S( f/ ^8 @
3 B1 e7 Q3 g& S4 a1 Y; Z5结论
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" N' Z3 {( f+ A5 J5 E(1) 如果消除应力的目的是为了提高工件服役尺寸的稳定性，则可以用振动时效替代热时效，并能获得明显的经济效益。
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(2) 对重型刚性焊接结构，除采用了大功率的激振器外，还需采用复合的振动时效工艺，如剪切振动、多次多点振动和多频振动等工艺。只要工艺设计合理，就能达到消除应力的效果。 + a: ^7 o: v/ g( V _5 g
- T8 l$ t- }3 @( C(3) 振动时效效果应以应力总体平均值下降率以及振动后最高残余应力与设计工作应力迭加值是否超过材料屈服点来进行双重判别。本次振动的三个工件应力下降率达到30%~40%，满足了使用要求。(end) |
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发表于 2010-6-22 09:00:46