振動(dòng)時(shí)效技術(shù)在防止大型內(nèi)燃機(jī)缸套變形中的應(yīng)用-國營武漢長江船用機(jī)械廠???

我廠是原中國船舶工業(yè)總公司定點(diǎn)生產(chǎn)柴油機(jī)系列配件的專業(yè)工廠，其中Φ160mm- 520mm缸徑的系列柴油機(jī)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(duì)合金鑄鐵氣缸套一直采用熱時(shí)效處理，但由于熱時(shí)效的高污染和高耗能，已不能滿足我廠對(duì)環(huán)保和節(jié)能要求。近10年來，振動(dòng)時(shí)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(jì)效益，我廠想采用振動(dòng)時(shí)效這項(xiàng)新技術(shù)來代替熱時(shí)效，達(dá)到環(huán)保降耗，提高工效，減低加工成本的目的。經(jīng)過對(duì)振動(dòng)時(shí)效技術(shù)的了解，在國內(nèi)外未找到振動(dòng)時(shí)效在中大型柴油機(jī)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(duì)振動(dòng)時(shí)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(jìn)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(xiàng)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(huì)產(chǎn)生殘余應(yīng)力，殘余應(yīng)力對(duì)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(shí)，內(nèi)外應(yīng)力總和可能超過材料的強(qiáng)度*限，嚴(yán)重時(shí)使鑄件局部或整體斷裂；有殘余應(yīng)力的鑄件，經(jīng)機(jī)械加工，往往會(huì)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(xiàn)表明：振動(dòng)時(shí)效能消除鑄件內(nèi)部殘余應(yīng)力的20%～80%，熱時(shí)效能消除鑄件內(nèi)部殘余應(yīng)力的50%～80%，且振動(dòng)時(shí)效所消耗能源僅為熱時(shí)效的5%。但我們走訪許多廠家，沒有得到有力證實(shí)。我們須進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

由于我廠的產(chǎn)量較大，每個(gè)汽缸逐個(gè)進(jìn)行振動(dòng)時(shí)效處理顯然不能滿足我廠的加工需要，同時(shí)也不能滿足振動(dòng)時(shí)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(jì)了一個(gè)振動(dòng)平臺(tái)，每次可處理9個(gè)汽缸，這樣既滿足了生產(chǎn)需求，也有效減低了振動(dòng)時(shí)效的振動(dòng)頻率，不僅能滿足振動(dòng)時(shí)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(qiáng)，用振動(dòng)平臺(tái)處理可能會(huì)減低工件內(nèi)部的動(dòng)應(yīng)力，影響振動(dòng)時(shí)效的效果。南京聚航科技有限公司認(rèn)為振動(dòng)平臺(tái)的設(shè)計(jì)是確定振動(dòng)時(shí)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(shí)踐經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)了試驗(yàn)平臺(tái)，并進(jìn)行了模擬試驗(yàn)，對(duì)以上5中毛胚進(jìn)行了動(dòng)應(yīng)力和殘余應(yīng)力測量，*終修訂的振動(dòng)平臺(tái)設(shè)計(jì)方案。

該平臺(tái)既能滿足多種工件進(jìn)行振動(dòng)時(shí)效的要求，又能滿足振動(dòng)時(shí)工件中動(dòng)應(yīng)力的均勻性，以達(dá)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(duì)其進(jìn)行熱時(shí)效處理和振動(dòng)時(shí)效，然后用原有加工工藝進(jìn)行加工和氮化，并在過程中對(duì)試件的圓度進(jìn)行跟蹤測量，以此來判斷振動(dòng)時(shí)效的效果。振動(dòng)時(shí)效設(shè)備選用的是南京聚航科技有限公司JH-200A3型全自動(dòng)振動(dòng)時(shí)效裝置，試驗(yàn)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：

1　時(shí)效工藝方案的確定

1.1　熱時(shí)效工藝方案

熱時(shí)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(shí)間，使應(yīng)力消除，再緩慢冷卻，缸套的熱時(shí)效工藝如圖1所示。

圖1 汽缸熱時(shí)效工藝 

1.2 振動(dòng)時(shí)效工藝方案

振動(dòng)消除殘余應(yīng)力使工件獲得尺寸穩(wěn)定性的機(jī)理可以從宏觀和微觀兩方面解釋：

宏觀上，當(dāng)σ動(dòng)＋σ殘 ≥σＳ時(shí)（σ動(dòng)－－激振器施加給工件的周期性動(dòng)應(yīng)力，σ殘－－殘余應(yīng)力，σＳ－－材料屈服強(qiáng)度*限），工件會(huì)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(shí)由于包辛格效應(yīng)，經(jīng)時(shí)間的循環(huán)后，工件材料的當(dāng)量屈服強(qiáng)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(shí)塑性變形變成彈性變形，工件的彈性性能得到強(qiáng)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(jī)械能轉(zhuǎn)變成熱能的性質(zhì)，即使在σ動(dòng)＋σ殘≤σＳ時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生微觀的塑性變形。其機(jī)理為：由振動(dòng)輸入的活化能使位錯(cuò)移動(dòng)，在位錯(cuò)塞積群的前沿引起應(yīng)力集中而產(chǎn)生塑性變形；同時(shí)，遷移的位錯(cuò)切割位錯(cuò)群，以致使位錯(cuò)釘軋，材料基體得到強(qiáng)化，使松弛剛度*大，工件獲得尺寸穩(wěn)定性。

1.2.1 振動(dòng)平臺(tái)的設(shè)計(jì)

理論上講被振工件在任何振動(dòng)頻率下只要?jiǎng)討?yīng)力足夠大就都能達(dá)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(dòng)應(yīng)力，我們須使汽缸在振動(dòng)平臺(tái)這個(gè)新的振動(dòng)系統(tǒng)中能發(fā)生彈性形變，這就要使平臺(tái)和裝夾裝置的剛性足夠大，并能使振動(dòng)能量傳遞到汽缸體上，并使汽缸產(chǎn)生徑向振動(dòng)，這就要求振動(dòng)平臺(tái)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(diǎn)的波峰處，并使偏心輪的旋轉(zhuǎn)面垂直于支點(diǎn)的平面，從而使平臺(tái)產(chǎn)生彎曲共振。這種振動(dòng)使裝夾在平臺(tái)上的氣缸體產(chǎn)生較大的動(dòng)應(yīng)力，加速度傳感器應(yīng)放在遠(yuǎn)離激振點(diǎn)的氣缸體上，以獲得汽缸體上真實(shí)的的振動(dòng)信號(hào)，具體布置見圖。

1.2.2 多頻振動(dòng)

在同一種激振狀態(tài)下(支點(diǎn)和激點(diǎn)都不改變位置)，可以采用不同的頻率進(jìn)行振動(dòng)。若激振器功率大，還可以采用強(qiáng)迫振動(dòng)。這種方案由于振動(dòng)波長改變后動(dòng)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(shí)施和數(shù)據(jù)測量

振動(dòng)處理前，現(xiàn)將振動(dòng)平臺(tái)進(jìn)行一次振動(dòng)預(yù)處理，消除平臺(tái)的殘余應(yīng)力，減少振動(dòng)平臺(tái)在振動(dòng)過程中應(yīng)力變化對(duì)振動(dòng)參數(shù)的影響，提高振動(dòng)時(shí)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(dòng)模式確定激振器偏心量和傳感器位置，然后按全自動(dòng)運(yùn)行進(jìn)行振動(dòng)，振動(dòng)過程中JH-200A全自動(dòng)振動(dòng)時(shí)效裝置動(dòng)態(tài)跟蹤汽缸內(nèi)殘余應(yīng)力的變化，實(shí)時(shí)進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，直到檢測到的A-T曲線穩(wěn)定后，設(shè)備會(huì)自動(dòng)進(jìn)行時(shí)效后掃描，并與振前掃描進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)比，機(jī)器會(huì)自動(dòng)按照J(rèn)B/T5926-2005標(biāo)準(zhǔn)的要求判斷時(shí)效結(jié)果。整個(gè)處理過程方便，直觀，省事。充分體現(xiàn)了振動(dòng)時(shí)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(gè)關(guān)鍵的共振頻率。因?yàn)樵趯?duì)物體進(jìn)行振動(dòng)時(shí)效時(shí)，物體本身也是一個(gè)振動(dòng)體，它與固定支承點(diǎn)組成了一個(gè)振動(dòng)系統(tǒng)，動(dòng)應(yīng)力是振動(dòng)時(shí)效中的關(guān)鍵參數(shù)，其大小直接影響振動(dòng)時(shí)效的效果。動(dòng)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(dòng)時(shí)效效果，應(yīng)使用不同的振型進(jìn)行振動(dòng)。振動(dòng)時(shí)從各個(gè)方位測得的動(dòng)應(yīng)力值均大于10Mpa，滿足了理論上的數(shù)值要求，達(dá)到了預(yù)期的振動(dòng)時(shí)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(dòng)時(shí)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(dòng)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(shí)效結(jié)果的測定

  測試設(shè)備為外徑千分尺，兩種時(shí)效方法的精度測量結(jié)果見下圖所示：

3　經(jīng)濟(jì)效益分析

　　通過統(tǒng)計(jì)，熱時(shí)效與振動(dòng)時(shí)效耗能、成本比較見下表所示。

　  從表來看，振動(dòng)時(shí)效比熱時(shí)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(dòng)時(shí)效新技術(shù)與熱時(shí)效相比經(jīng)濟(jì)效益十分顯著。

4　結(jié)論

1、JH-200A全自動(dòng)振動(dòng)時(shí)效裝置完全能夠滿足我廠對(duì)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(dòng)時(shí)效替代熱時(shí)效，并能獲得明顯的經(jīng)濟(jì)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(jì)要求。

2、采用振動(dòng)時(shí)效工藝解決了我廠熱時(shí)效爐窯對(duì)環(huán)境的污染問題。

3、小型*件的振動(dòng)時(shí)效處理用振動(dòng)平臺(tái)同樣可達(dá)到振動(dòng)消除殘余應(yīng)力的目的。