專業(yè)生產(chǎn)應(yīng)力應(yīng)變測試儀和殘余應(yīng)力測試儀，儀器精度高，穩(wěn)定性好。
專業(yè)生產(chǎn)振動時效、超聲波焊接應(yīng)力消除設(shè)備，種類齊全、效果好，服務(wù)周到。
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我廠是原中國船舶工業(yè)總公司定點生產(chǎn)柴油機系列配件的專業(yè)工廠，其中Φ160mm- 520mm缸徑的系列柴油機鋁活塞、合金鑄鐵氣缸套是我廠優(yōu)良產(chǎn)品。
過去幾十年我廠對合金鑄鐵氣缸套一直采用熱時效處理，但由于熱時效的高污染和高耗能，已不能滿足我廠對環(huán)保和節(jié)能要求。近10年來，振動時效工藝發(fā)展迅速，并在大重型結(jié)構(gòu)件上得到了應(yīng)用，為了能給企業(yè)創(chuàng)造更高的經(jīng)濟效益，我廠想采用振動時效這項新技術(shù)來代替熱時效，達到環(huán)保降耗，提高工效，減低加工成本的目的。經(jīng)過對振動時效技術(shù)的了解，在國內(nèi)外未找到振動時效在中大型柴油機離心澆鑄氣缸套上應(yīng)用的成功案例。在我廠張廠長的支持下，成立了專門的技術(shù)攻關(guān)小組，針對振動時效技術(shù)在離心澆鑄合金鑄鋼殘余應(yīng)力消除和在加工過程中提高尺寸穩(wěn)定性的工藝進行了深入研究，并選擇了南京聚航科技有限公司作為合作伙伴，共同開展了該項技術(shù)改造，并取得了滿意的成果。
鑄件凝固以后在冷卻過程中會產(chǎn)生殘余應(yīng)力，殘余應(yīng)力對鑄件質(zhì)量影響較大，尤其在交變載荷作用下的工件，當(dāng)載荷作用方向與殘余應(yīng)力方向一致時，內(nèi)外應(yīng)力總和可能超過材料的強度*限，嚴(yán)重時使鑄件局部或整體斷裂；有殘余應(yīng)力的鑄件，經(jīng)機械加工，往往會發(fā)生變形或降低*件精度。因此，消除或降低鑄件內(nèi)部的殘余應(yīng)力是很重要的。
大量的文獻表明：振動時效能消除鑄件內(nèi)部殘余應(yīng)力的20%～80%，熱時效能消除鑄件內(nèi)部殘余應(yīng)力的50%～80%，且振動時效所消耗能源僅為熱時效的5%。但我們走訪許多廠家，沒有得到有力證實。我們須進行試驗驗證。
由于我廠的產(chǎn)量較大，每個汽缸逐個進行振動時效處理顯然不能滿足我廠的加工需要，同時也不能滿足振動時效的要求，所以南京聚航科技有限公司根據(jù)我公司的要求，設(shè)計了一個振動平臺，每次可處理9個汽缸，這樣既滿足了生產(chǎn)需求，也有效減低了振動時效的振動頻率，不僅能滿足振動時效設(shè)備的要求，還大大減低了噪音，改善了工作環(huán)境。但是我廠的汽缸的結(jié)構(gòu)剛性較強，用振動平臺處理可能會減低工件內(nèi)部的動應(yīng)力，影響振動時效的效果。南京聚航科技有限公司認(rèn)為振動平臺的設(shè)計是確定振動時效工藝效果的關(guān)鍵，他們根據(jù)我廠提供了毛胚圖樣通過有限元分析和多年的實踐經(jīng)驗設(shè)計了試驗平臺，并進行了模擬試驗，對以上5中毛胚進行了動應(yīng)力和殘余應(yīng)力測量，*終修訂的振動平臺設(shè)計方案。
該平臺既能滿足多種工件進行振動時效的要求，又能滿足振動時工件中動應(yīng)力的均勻性，以達到有效減低殘余應(yīng)力的目的，*終使汽缸在加工后不發(fā)生變形，保持尺寸精度的穩(wěn)定性，提高產(chǎn)品質(zhì)量。
首先選擇G8300系列的G-03-B002汽缸 (材料HT 200，單重179kg，*大壁厚30mm，*小壁厚25mm，長804mm)。對其進行熱時效處理和振動時效，然后用原有加工工藝進行加工和氮化，并在過程中對試件的圓度進行跟蹤測量，以此來判斷振動時效的效果。振動時效設(shè)備選用的是南京聚航科技有限公司JH-200A3型全自動振動時效裝置，試驗中得到了該公司大力支持，在此表示感謝。
我廠需要消除應(yīng)力的毛坯品種：
毛坯尺寸 品種 | D1 | D2 | d | L | C | 重量 |
PC2-5 | 530 | 460 | 397 | 1090 | 220 | 454KG |
320-02-40H | 406 | 366 | 317 | 960 | 43 | 205KG |
GN-03-002 | 412 | 376 | 316 | 770 | 52 | 205KG |
G-03-B002 | 390 | 350 | 297 | 804 | 52 | 179KG |
300-06-22A(寧) | 370 | 339 | 297 | 800 | 39 | 134KG |
1 時效工藝方案的確定
1.1 熱時效工藝方案
熱時效是將鑄件加熱到塑性狀態(tài)的溫度范圍，在此溫度下保溫時間，使應(yīng)力消除，再緩慢冷卻，缸套的熱時效工藝如圖1所示。
圖1 汽缸熱時效工藝
1.2 振動時效工藝方案
振動消除殘余應(yīng)力使工件獲得尺寸穩(wěn)定性的機理可以從宏觀和微觀兩方面解釋：
宏觀上，當(dāng)σ動＋σ殘 ≥σＳ時（σ動－－激振器施加給工件的周期性動應(yīng)力，σ殘－－殘余應(yīng)力，σＳ－－材料屈服強度*限），工件會產(chǎn)生少量的塑性變形，使殘余應(yīng)力峰值下降，原來不穩(wěn)定的殘余應(yīng)力得到松弛和勻化。同時由于包辛格效應(yīng)，經(jīng)時間的循環(huán)后，工件材料的當(dāng)量屈服強度由原來的σＳ上升，直到與所受的應(yīng)力相等，工件內(nèi)部不再產(chǎn)生新的塑性變形，此時塑性變形變成彈性變形，工件的彈性性能得到強化，從而使工件的幾何尺寸趨于穩(wěn)定。
微觀上，因金屬具有將機械能轉(zhuǎn)變成熱能的性質(zhì)，即使在σ動＋σ殘≤σＳ時，也會產(chǎn)生微觀的塑性變形。其機理為：由振動輸入的活化能使位錯移動，在位錯塞積群的前沿引起應(yīng)力集中而產(chǎn)生塑性變形；同時，遷移的位錯切割位錯群，以致使位錯釘軋，材料基體得到強化，使松弛剛度*大，工件獲得尺寸穩(wěn)定性。
1.2.1 振動平臺的設(shè)計
理論上講被振工件在任何振動頻率下只要動應(yīng)力足夠大就都能達到均化殘余應(yīng)力和穩(wěn)定尺寸的效果。但為了能用*小的能量激發(fā)汽缸產(chǎn)生較大的動應(yīng)力，我們須使汽缸在振動平臺這個新的振動系統(tǒng)中能發(fā)生彈性形變，這就要使平臺和裝夾裝置的剛性足夠大，并能使振動能量傳遞到汽缸體上，并使汽缸產(chǎn)生徑向振動，這就要求振動平臺產(chǎn)生彎曲振型。通過如圖所示的有限元分析，我們將激振器放置在兩支點的波峰處，并使偏心輪的旋轉(zhuǎn)面垂直于支點的平面，從而使平臺產(chǎn)生彎曲共振。這種振動使裝夾在平臺上的氣缸體產(chǎn)生較大的動應(yīng)力，加速度傳感器應(yīng)放在遠(yuǎn)離激振點的氣缸體上，以獲得汽缸體上真實的的振動信號，具體布置見圖。
1.2.2 多頻振動
在同一種激振狀態(tài)下(支點和激點都不改變位置)，可以采用不同的頻率進行振動。若激振器功率大，還可以采用強迫振動。這種方案由于振動波長改變后動應(yīng)力的峰值區(qū)域也發(fā)生變化，所以每改變一次頻率都應(yīng)改變加速度傳感器的位置。
1.3 工藝實施和數(shù)據(jù)測量
振動處理前，現(xiàn)將振動平臺進行一次振動預(yù)處理，消除平臺的殘余應(yīng)力，減少振動平臺在振動過程中應(yīng)力變化對振動參數(shù)的影響，提高振動時效設(shè)備判斷的準(zhǔn)確性。預(yù)處理后將汽缸按要求裝夾好后，先用手動模式確定激振器偏心量和傳感器位置，然后按全自動運行進行振動，振動過程中JH-200A全自動振動時效裝置動態(tài)跟蹤汽缸內(nèi)殘余應(yīng)力的變化，實時進行自動調(diào)節(jié)，直到檢測到的A-T曲線穩(wěn)定后，設(shè)備會自動進行時效后掃描，并與振前掃描進行數(shù)據(jù)對比，機器會自動按照J(rèn)B/T5926-2005標(biāo)準(zhǔn)的要求判斷時效結(jié)果。整個處理過程方便，直觀，省事。充分體現(xiàn)了振動時效工藝的優(yōu)良性。
數(shù)據(jù)分析：
(1) 從A-N曲線看汽缸體均獲得了三個關(guān)鍵的共振頻率。因為在對物體進行振動時效時，物體本身也是一個振動體，它與固定支承點組成了一個振動系統(tǒng)，動應(yīng)力是振動時效中的關(guān)鍵參數(shù)，其大小直接影響振動時效的效果。動應(yīng)力的大小振型和與激振器的距離有關(guān)，為了獲得較好的振動時效效果，應(yīng)使用不同的振型進行振動。振動時從各個方位測得的動應(yīng)力值均大于10Mpa，滿足了理論上的數(shù)值要求，達到了預(yù)期的振動時效效果。
(2) 影響焊接件尺寸穩(wěn)定性的不僅僅是殘余應(yīng)力數(shù)值的大小，還有殘余應(yīng)力的均勻性。振動時效不僅能消除應(yīng)力，而且能消除應(yīng)力峰值，使應(yīng)力均勻化。從A-T曲線看，振動峰值升高后減低，又升高后變平，反映了氣缸內(nèi)殘余應(yīng)力的釋放過程，并有效減低了殘余應(yīng)力峰值。
2 時效結(jié)果的測定
測試設(shè)備為外徑千分尺，兩種時效方法的精度測量結(jié)果見下圖所示：
試驗產(chǎn)品品種 | G8300系列 | 時間 | 2008.11.1至2008.12.3 | 檢 驗 員 | 陳國泉 | |||||||||
缸 套 編 號 | 時 效 前 外 圓 | 時 效 后 外 圓 | 氮 化 前 內(nèi) 孔 | 氮 化 后 內(nèi) 孔 | ||||||||||
上 | 中 | 下 | 上 | 中 | 下 | 上 | 中 | 下 | 上 | 中 | 下 | |||
01685-2 11-35（GA） | -- | -- | -- | -- | -- | -- | 7/8 | 6/7 | 5/8 | 拋光前2/3 | 3 | 0/4 | ||
拋光后4/5 | 4/6 | 3 | ||||||||||||
835-2 10-15（GA） | 393.50 393.50 | 359.55 359.56 | 353.30 353.29 | 359.59 359.55 | 353.32 353.30 | 6/9 | 5 | 5 | 4/9 | 3/5 | 0/7 | |||
5/6 | 5 | 2/5 | ||||||||||||
01218-2 11-67（SD） | -- | -- | -- | -- | -- | -- | 5/7 | 6/7 | 5/7 | 4 | 3/4 | 1/3 | ||
4/5 | 4/6 | 3/4 | ||||||||||||
01701-2 11-69（SD） | -- | -- | -- | -- | -- | -- | 6/9 | 6/7 | 5/7 | |||||
5/8 | 3/5 | 3/6 | ||||||||||||
840-2 10-121（GB） | 393.55 393.55 | 359.15 359.13 | 352.65 352.65 | 359.15 359.12 | 352.64 352.63 | 8/9 | 8 | 7 | 3/7 | 4 | 5/6 | |||
4/5 | 5 | 3/4 | ||||||||||||
01677-2 11-71（SD） | -- | -- | -- | -- | -- | -- | 6/7 | 7 | 6/7 | |||||
5/7 | 4/6 | 3/5 | ||||||||||||
841-2 11-87（SD） | -- | -- | -- | -- | -- | -- | 6/7 | 6/7 | 8 | |||||
3/5 | 3/4 | 3/6 | ||||||||||||
01222-1 | 392.42 392.40 | 358.65 358.66 | 351.54 351.51 | 358.65 358.67 | 351.50 351.52 | 工廢 | ||||||||
01220-2
| 工廢 | |||||||||||||
3 經(jīng)濟效益分析
通過統(tǒng)計，熱時效與振動時效耗能、成本比較見下表所示。
耗能(元/t) | 成本(元/t) | |
熱時效 | 21.14 | 119.20 |
振動時效 | 0.76 | 2.00 |
從表來看，振動時效比熱時效節(jié)能(21.14-0.67)÷21.14×*=96.8%，成本降低(119.20-2.00)÷119.20×*=98%。由此看來，振動時效新技術(shù)與熱時效相比經(jīng)濟效益十分顯著。
4 結(jié)論
1、JH-200A全自動振動時效裝置完全能夠滿足我廠對汽缸鑄件尺寸穩(wěn)定性的要求。如果消除應(yīng)力的目的是為了提高工件尺寸的穩(wěn)定性，則完全可以用振動時效替代熱時效，并能獲得明顯的經(jīng)濟效益，且方便、靈活，非常適合生產(chǎn)周期和交貨期短的市場經(jīng)濟要求。
2、采用振動時效工藝解決了我廠熱時效爐窯對環(huán)境的污染問題。
3、小型*件的振動時效處理用振動平臺同樣可達到振動消除殘余應(yīng)力的目的。