某廠新研發(fā)了一款W型大功率電噴柴油機(jī)，在進(jìn)行性能試驗(yàn)后，對(duì)機(jī)體尺寸精度及各項(xiàng)形位公差進(jìn)行重新檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)機(jī)體變形嚴(yán)重。而產(chǎn)生變形的原因之一就是殘余應(yīng)力，殘余應(yīng)力主要包括機(jī)體鑄件殘余應(yīng)力和冷加工殘余應(yīng)力的矢量和，所以需要對(duì)柴油機(jī)機(jī)體進(jìn)行消除殘余應(yīng)力處理。經(jīng)過(guò)多次研究討論后，決定采用振動(dòng)時(shí)效工藝消除機(jī)體殘余應(yīng)力，并對(duì)振動(dòng)時(shí)效前后的殘余應(yīng)力值進(jìn)行檢測(cè)，定量判斷振動(dòng)時(shí)效效果。

柴油機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)

柴油機(jī)機(jī)體是V型結(jié)構(gòu)，油管為襯管鑄造，外形尺寸為4500*1480*1390，機(jī)體材料為球墨鑄鐵。W型柴油機(jī)機(jī)體是一個(gè)滿足最大強(qiáng)度和剛度設(shè)計(jì)的整體鑄造件，用來(lái)安裝曲軸、凸輪軸、動(dòng)力組和其他安裝在柴油機(jī)上的附件，鑄件還包括安裝座。內(nèi)部通道有主機(jī)油道和冷卻水通道。

退火并粗加工后機(jī)體殘余應(yīng)力測(cè)試

盲孔法是常用的殘余應(yīng)力測(cè)試方法之一，易于現(xiàn)場(chǎng)操作，精度高。本次采用盲孔法對(duì)退火并粗加工后機(jī)體進(jìn)行殘余應(yīng)力測(cè)試，儀器為聚航科技生產(chǎn)的JHMK殘余應(yīng)力測(cè)試系統(tǒng)。

試件的選取

隨機(jī)取一臺(tái)經(jīng)過(guò)退火處理并經(jīng)過(guò)粗加工的柴油機(jī)體，粗加工后機(jī)體留量2mm作為測(cè)試的試件。

測(cè)點(diǎn)布置

在機(jī)體的側(cè)面、頂面及斷面各布置9個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)得的的數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1  w型柴油機(jī)機(jī)體應(yīng)力檢測(cè)

殘余應(yīng)力數(shù)據(jù)分析

由表1可知，粗加工后機(jī)體內(nèi)應(yīng)力水平不算太高，但是有個(gè)明顯的特點(diǎn)，即應(yīng)力分布不均勻，如垂直機(jī)體長(zhǎng)度的方向的應(yīng)力ε_⊥中，第9點(diǎn)為-300MPa，而最小的第6點(diǎn)只有-119MPa。這種不均勻分布是造成結(jié)構(gòu)易變形的根源，需要粗加工后進(jìn)行處理，降低均勻殘余應(yīng)力。

振動(dòng)時(shí)效工藝

根據(jù)機(jī)體長(zhǎng)寬高比率的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，分析它的共振頻率較高。根據(jù)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)的原理，工作時(shí)其支撐位置應(yīng)盡量選在機(jī)體共振時(shí)的節(jié)線處，以保證工件共振時(shí)不消耗能量和產(chǎn)生噪聲。根據(jù)國(guó)內(nèi)外振動(dòng)時(shí)效工藝的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)工件的長(zhǎng)與寬之比大于3，長(zhǎng)與厚之比大于5時(shí)，則認(rèn)為工件是梁型，在機(jī)體一側(cè)距兩端各2/9處用兩位支撐，機(jī)體另一側(cè)居中處用一位支撐。

將激振器裝夾在輸出端臺(tái)面右側(cè)，拾振器放在工件左前端。

振動(dòng)時(shí)效工藝參數(shù)的選擇

設(shè)備采用聚航科技的JH-300A振動(dòng)時(shí)效設(shè)備，將機(jī)體放置好，然后將激振器剛性固定連接到振動(dòng)時(shí)效設(shè)備上。調(diào)整激振力的檔級(jí)，開(kāi)始放在最小為宜。根據(jù)初步估算，動(dòng)應(yīng)力較大的點(diǎn)在工件前端，打磨并安裝拾振器，上述準(zhǔn)備工作完成后，開(kāi)始選擇振動(dòng)時(shí)效工藝參數(shù)，過(guò)程如下：

1. 使用該設(shè)備的手動(dòng)調(diào)頻，同時(shí)觀察控制器繪制的曲線。當(dāng)機(jī)體出現(xiàn)共振現(xiàn)象時(shí)，振幅頻率將出現(xiàn)一個(gè)波峰，動(dòng)應(yīng)力的曲線也將出現(xiàn)一個(gè)最大值，一直掃頻到設(shè)備的額定頻率。

2. 觀察在設(shè)備允許的范圍內(nèi)機(jī)體出現(xiàn)的共振次數(shù)及其共振頻率和在共振情況下動(dòng)應(yīng)力的最大值。

3. 觀察在每個(gè)共振頻率下機(jī)體的共振形式，以調(diào)整支撐位置到節(jié)線上。在停機(jī)后再適當(dāng)調(diào)整激振器的位置，使機(jī)體產(chǎn)生最大的振幅。并根據(jù)動(dòng)應(yīng)力測(cè)試的結(jié)果，多次反復(fù)調(diào)整激振器的偏心檔級(jí)。

4. 根據(jù)上述試振情況，確定了試驗(yàn)性振動(dòng)處理工藝參數(shù)，包括激振頻率。激振檔級(jí)等主要參數(shù)作為試振時(shí)的處理參數(shù)；

5. 最后是試振，用上述方法選擇的參數(shù)對(duì)被試油底殼進(jìn)行全程振動(dòng)時(shí)效處理，觀察振動(dòng)加速度的變化規(guī)律，時(shí)間-振幅曲線應(yīng)是上升、上升-下降、下降型三種中的一種，振幅-頻率曲線上的共振峰應(yīng)該是升高并左移，如果均符合要求，則該組曲線即可作為機(jī)體初定工藝參數(shù)。

柴油機(jī)機(jī)體取兩件，其中一件做工藝參數(shù)的選擇，另一件是用反復(fù)試振選擇一組參數(shù)處理，并做振前振后的殘余應(yīng)力測(cè)試，得出消除率來(lái)檢驗(yàn)參數(shù)的合理性，最終確定工藝參數(shù)。

殘余應(yīng)力數(shù)據(jù)分析

對(duì)振動(dòng)處理后的機(jī)體做殘余應(yīng)力測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)表2。從數(shù)據(jù)中可知，振動(dòng)時(shí)效處理后機(jī)體的殘余應(yīng)力得到了降低，應(yīng)力得到明顯的均化。其降低率在40%以上，說(shuō)明達(dá)到了標(biāo)準(zhǔn)，振動(dòng)處理有效。

表2  W型柴油機(jī)機(jī)體振動(dòng)時(shí)效前后殘余應(yīng)力數(shù)值

總結(jié)

1. 鑄件中的殘余應(yīng)力是造成鑄件變形和開(kāi)裂的主要原因之一。研究表明，粗加工后的柴油機(jī)機(jī)體采用振動(dòng)時(shí)效處理工藝，可有效地降低柴油機(jī)機(jī)體鑄件的殘余應(yīng)力，完全符合GB/T25713-2010標(biāo)準(zhǔn)要求。

2. 通過(guò)振動(dòng)時(shí)效處理，降低鑄件中的殘余應(yīng)力，有效地防止了柴油機(jī)機(jī)體的變形，可用于W型柴油機(jī)機(jī)體批量生產(chǎn)中。