振動時效技術在碟閥體中的應用與效益|資料

時效是消除機械加工零件殘余應力的基礎工藝。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 的應用，我國從80年代初開始引進使用振動時效工藝。由于振動時效是一種高效、節能、環保及低成本的時效方法，與傳統的熱時效和自然時效相比，振動時效具有生產周期短，場地簡單靈活方便，生產費用低，無環境污染等優點。由于振動時效的無比的優越性，又適應現代工業對能源和環保的要求，應用振動時效是企業改進傳統工藝提高市場競爭力的 選擇，目前在某些方面已取代了傳統的熱時效和自然時效。

1、振動時效機理及裝置的原理
1.1、振動時效機理
工件在毛坯制造及切削加工等過程中，使內部產生殘余應力，致使工件處于不穩定狀態，降低了尺寸穩定性和機械物理性能。振動時效工藝是通過錘擊來消除金屬工件中的殘余應力的。工件在周期外力作用下產生共振，共振中交變動應力與工件內部殘余應力疊加，經過一定時間，材料發生局部屈服，導致晶內和晶界錯位產生滑移，原子從不穩定位能高的位置移向較穩定的位能低位置。經過此過程，工件宏觀殘余應力得到遷移、降低和均化，從而降低或消除工件的內部殘余應力。

1.2、振動時效裝置的原理
機械振動時效裝置主要包括激振器、控制主機、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（轉速）范圍對任一頻率以較高的穩頻精度工作.尤其是共振峰前后負載特性變化較劇烈的情況下，并記錄、識別和輸出有關時效曲線及參數。
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，是由鑄造而成的結構件，其形狀復雜，剛性相對大，凸凹面多，壁厚不均，殘余應力大且分布繁雜。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，在產品的質量和生產效率方面取得了很大的進步。多年的生產實踐經驗表明:由于振動時效的工藝比較復雜，必須對箱體類零件進行振前的工藝分析，設計優化振動參數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范，對工件時效前應進行工藝分析，以達到節約電能和工作時間的目的。首先，應根據工件的材質、結構、毛坯制造的工藝形式和過程，分析箱體的殘余應力場的分布，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，該類工件的結構一般較復雜，受力條件惡劣。箱體毛坯一般是鑄造或焊接的構件，對于鑄件產生的殘余應力應根據鑄造工藝，如結構形狀、澆口位置、壁厚薄及冷卻的情況來分析判斷應力的情況。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，對產生的殘余應力大小和分布均有影響。
根據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、工藝參數的優化
振動時效的工藝參數包括激振點、支撐點、激振頻率、激振力和激振時間，這些參數的選取應依據工件的固有振動特性來確定。當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力，只有用工件固有頻率進行激振，才能最經濟、最簡便、最迅速地降低工件的殘余應力。但是在實踐中發現，由于采用激振力大小、激振力頻率和激振點的位置不合理，有時會出現達不到消除殘余應力的效果，工件只是局部的消除了殘余應力；有時甚至將工件振裂。因此有必要對振動時效工藝參數進行優化設計。
根據《振動時效設備使用手冊》中操作要求，在振前對工件進行多點掃頻，并在掃頻同時跟蹤繪制振前工藝曲線及打印參數，綜合所有掃頻曲線對應的固有頻率，找出有效消除工件關鍵部位應力的有效振型（以及對應的有效頻率），直接對這些有效頻率〔有效振型）時效，同時在線打印g-t曲線以觀察時效進程，決定何時停機，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力消除、均化、抗變形能力的提高以及尺寸精度的穩定化程度。在生產現場常采用根據如圖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，在幅頻曲線上表現出共振峰由寬變窄；
（2）檢側共振頻率發生的變化；
（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。

若出現上述一種情況，在實踐中就判定振動時效達到了預期的目的。
2.4、振動時效前后殘余應力的檢測
為了定量了解振動時效工藝效果，使用磁應力儀，檢測了挖掘機平臺等工件焊縫處振動時效前后的殘余應力。
測量結果表明，工件在振動處理前，焊縫處殘余應力集中現象較嚴重。在焊縫中心區域應力較高，最大剪切殘余應力值約為54-67MPa，已經接近了許用安全剪切應力，為不安全的殘余應力。在焊縫非中心區域應力較低，約為30-50MPa。經振動時效處理，焊縫處殘余應力集中現象已消除，焊縫中心區域和非焊縫區域的應力值已相近，峰值殘余應力已經從60MPa左右下降到25MPa左右，下降率約為60%，遠小于許用安全剪切應力。

2.5、振動時效時應注意的幾個問題
（1）發生強迫共振：隨著振動頻率的升高，電機電流一直上升無下降趨勢，這時即發生了強迫共振，這種現象一般是由被振工件的重量太小而剛性又太大所導致。
（2）找不到共振區：在掃頻過程中發現隨著頻率的升高，電樞電流也緩慢增加，但是電流并不大，直到掃頻結束加速度始終在增加并很小，這種現象一般都是由于工件的固有頻率超出設備的控制頻率范圍。
對于發生以上情況，通過實驗的方法可以解決。反復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濟效益
在生產實踐中上，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，都必須要有相應的振動時效工藝曲線，這個工藝曲線，要經過質量檢驗部門依據工藝部門制訂的振動時效工藝卡的標準曲線進行驗收，如果達不到驗收標準，還要返工重振。驗收合格后工件才能轉到下一工序，有效地保證了振動時效工藝質量穩定可靠。
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，每臺產品的焊接結構件平均質量約為0.5噸，總計處理了約750噸。公司購買了1套振動時效設備，設備購置費為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。按照公司的產量，需要購買2臺100kW的電爐，設備投資約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省的大量工時尚未計算在內，由此可見應用振動時效技術的經濟效益是相當顯著的。