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摘 要:介绍了焊接结构件中残余应力的产生原因、危害以及振动时效的工作原理和工艺方案,对振动时效工艺与热时效工艺进行了技术经济分析,以振动时效工艺在一种履带梁(焊接结构件)上的应用及试验效果验证,论述了振动时效对降低、均化金属结构件的残余应力,提高抗变形能力,稳定尺寸精度和防止裂纹有好的效果,可取代热时效。
关键词:振动时效热时效退火残余应力工艺改进履带梁
中图分类号:TG44 文献标识码:A 文章编号:1674-098X(2011)06(a)-0075-03
1 现状
焊接结构件由于内部焊接残余应力的存在,致使工件处于不稳定状态,降低了工件的尺寸稳定性和机械物理性能,使工件在使用过程中因残余应力的释放而产生变形,导致机械设备出现不稳定、性能降低,因此有必要对这类工件进行消除残余应力的处理。公司采用的削除焊接残余应力、提高焊接结构件尺寸稳定性的工艺为热时效(退火)及自然时效。因该种履带梁对结构尺寸稳定性有较高的要求,工艺上采用了常用的热时效(退火)工艺消除焊接残余应力、提高其尺寸稳定性,保证质量要求。热时效工艺过程为:将金属结构件加热到一定温度,保温后随炉冷却,达到消除残余应力的目的,并保证工件尺寸的稳定性和防止裂纹产生。履带梁工艺路线为:下料—焊接—热时效(退火)—机加工,工件结构如图1所示,工件重量430kg,因工件长度达3.2m,需采用1台320kW电阻炉,电阻炉的用电量很大,其综合热时效成本为500元/吨。
履带梁生产周期长达8天,为产品中生产周期最长的焊接结构件,其中热时效(退火)工序周期1天(24小时),严重阻碍了生产流程的优化和产能的提升,热时效(退火)因周期过长成为制约生产的瓶颈。为提高满炉率,履带梁热时效工序库存多,且工件炉内多层摆放,热时效中下层工件受重压变形大。随着公司精益制造的深入,产能的扩大,降低工序库存、缩短生产周期已刻不容缓。
2 工艺改进
由于履带梁热时效(退火)工序周期长、成本高,为了缩短生产周期,改善工序瓶颈,提升产能,公司工艺装备研究院经考察、研究及试验,采用振动时效技术取代热时效(退火),并成功应用于生产。
2.1 振动时效的工作原理
振动时效是给被时效处理的工件,施加一个与固有谐振频率相一致的周期激振力,使其产生振动,从而使工件获得一定的振动能量,使工件内部产生微观的塑性变形,从而使造成残余应力的晶格被渐渐地恢复平衡状态,晶粒内部的位错逐渐滑移并重新缠绕钉扎,从而使工件内部的残余应力得以消除和均化,并使其尺寸精度达到稳定,防止工件在加工和使用过程中变形和开裂。
2.2 振动时效工艺方案
公司选用HK2009B1交流变频振动时效设备,振动时效工艺过程简便,其安装示意见图2,根据振动时效的工件形状,确定进行时效工件的橡胶减振垫支撑位置、激振器的装夹位置和传感器的放置位置,并按下列步骤进入运行准备过程:
(1)选择工件振动时效时振幅最小处(称为节点)为支撑点,将工件放置在橡胶减振垫上,橡胶减振垫的数目以工件外形尺寸及重量来确定,支撑点越少越好,尽量采用3点支撑,但要保证工件平稳。
(2)选择好激振器的放置位置后,将激振器用两个弓形卡具夹紧,装夹位置应尽量靠近工件共振时的波峰处。之后,调整激振器的偏心,偏心的调整以工件能够顺利起振,达到设备要求的振动强度范围即可。若需要进行振动时效的工件是安装在夹具或振动平台上的,可适当增大偏心。
(3)将传感器用磁座吸紧在工件共振时的波峰处,因工件共振时有多个波峰,所以传感器和激振器尽量不要放在工件的同一个波峰处。若工件为非磁性的,需采用粘合剂将传感器粘贴在工件上。
(4)连接好激振器电缆、传感器电缆及控制器电源电缆线。
完成以上工作后启动控制器进入工作状态,HK2009B1交流变频振动时效系统具有亚共振时效功能,即系统在频谱谐波分析到最佳频率后,自动扫描得到一个满足处理条件的最佳共振峰值,根据工件的材料特性将自动在亚共振区选择一个合适的振动点进行时效处理,自动按稳幅工艺判断处理时间,处理完毕后,振动时效设备自动对被时效处理工件的参数进行再一次检测,以便依据JB/T5926-2005或JB/T10375-2002标准,对振动时效进行定性判定,并记录振前振后数据的变化,然后自动停机,整个时效处理结束。
以上方式在频谱谐波分析的基础上进行,准确分析到工件的残余应力释放点,整个过程始终保持低频处理,保证了被处理工件在可承受的疲劳加载次数的前提下进行时效处理,既保证工件残余应力得到最大程度的释放,又保证了工件安全完好。
根据履带梁的形状、结构、重量,经试验,橡胶减振垫支撑位置间距700mm、激振器与相邻橡胶减振垫间距300mm、传感器放置于工件末端,如图3,激振器偏心位置调到30°,时效时间确定在40分钟,时效处理效果最佳。
3 工藝实施及效果
3.1 振动时效效果判定
振动时效效果评定方法有参数曲线观测法、残余应力测试法、尺寸精度稳定性测试法。履带梁为以尺寸稳定性为主要目的而进行振动时效处理的焊接构件,试验采用尺寸精度稳定性测试法进行效果评定,具体方法如下:对履带梁进行振后精度稳定性检验,精加工后检验,长期放置检验静尺寸稳定性,在放置15天时第一次检验,以后每隔30天检一次,对比履带梁加工面(支重轮安装面)平面度平均变化量。
履带梁热时效、振动时效对比试验检测数据如表1所示。
通过对上表试验检测数据进行分析,得出履带梁加工面平面度平均变化量如表2所示。
从以上试验分析,振动时效能有效释放工件内残余应力,减少履带梁变形,振动时效比热时效提高履带梁尺寸稳定性50%。
3.2 履带梁振动时效技术经济分析
如表3所示。
从表3振动时效与热时效技术经济对比分析可看出,振动时效比热时效投资少、成本低、生产效率高、去应力效果相当。与热时效相比,履带梁振动时效工序周期由24小时缩短为0.7小时,可以节省88万元/年的时效成本,随着产量的扩大,其经济性更加显著。
4 结论
振动时效对降低或均化金属结构件的残余应力,提高抗动载变形能力,稳定尺寸精度和防止裂纹有好的效果,在消除应力方面可取代热时效。
实践证明振动时效替代热时效后可节约能源95%以上,提高抗变形能力30%以上,尺寸稳定性提高30%以上,疲劳寿命提高20%以上。处理时效通常只需15～45分钟,不受工件尺寸、形状、重量等限制。采用振动时效可大幅提高工效、缩短生产周期,是一项投资少、综合效益显著的工艺。由于振动时效的技术经济效果日益显著,其应用范围也不断扩大,现已广泛应用于铸造、锻造和焊接等金属构件的时效处理。
关键词:振动时效热时效退火残余应力工艺改进履带梁
中图分类号:TG44 文献标识码:A 文章编号:1674-098X(2011)06(a)-0075-03
1 现状
焊接结构件由于内部焊接残余应力的存在,致使工件处于不稳定状态,降低了工件的尺寸稳定性和机械物理性能,使工件在使用过程中因残余应力的释放而产生变形,导致机械设备出现不稳定、性能降低,因此有必要对这类工件进行消除残余应力的处理。公司采用的削除焊接残余应力、提高焊接结构件尺寸稳定性的工艺为热时效(退火)及自然时效。因该种履带梁对结构尺寸稳定性有较高的要求,工艺上采用了常用的热时效(退火)工艺消除焊接残余应力、提高其尺寸稳定性,保证质量要求。热时效工艺过程为:将金属结构件加热到一定温度,保温后随炉冷却,达到消除残余应力的目的,并保证工件尺寸的稳定性和防止裂纹产生。履带梁工艺路线为:下料—焊接—热时效(退火)—机加工,工件结构如图1所示,工件重量430kg,因工件长度达3.2m,需采用1台320kW电阻炉,电阻炉的用电量很大,其综合热时效成本为500元/吨。
履带梁生产周期长达8天,为产品中生产周期最长的焊接结构件,其中热时效(退火)工序周期1天(24小时),严重阻碍了生产流程的优化和产能的提升,热时效(退火)因周期过长成为制约生产的瓶颈。为提高满炉率,履带梁热时效工序库存多,且工件炉内多层摆放,热时效中下层工件受重压变形大。随着公司精益制造的深入,产能的扩大,降低工序库存、缩短生产周期已刻不容缓。
2 工艺改进
由于履带梁热时效(退火)工序周期长、成本高,为了缩短生产周期,改善工序瓶颈,提升产能,公司工艺装备研究院经考察、研究及试验,采用振动时效技术取代热时效(退火),并成功应用于生产。
2.1 振动时效的工作原理
振动时效是给被时效处理的工件,施加一个与固有谐振频率相一致的周期激振力,使其产生振动,从而使工件获得一定的振动能量,使工件内部产生微观的塑性变形,从而使造成残余应力的晶格被渐渐地恢复平衡状态,晶粒内部的位错逐渐滑移并重新缠绕钉扎,从而使工件内部的残余应力得以消除和均化,并使其尺寸精度达到稳定,防止工件在加工和使用过程中变形和开裂。
2.2 振动时效工艺方案
公司选用HK2009B1交流变频振动时效设备,振动时效工艺过程简便,其安装示意见图2,根据振动时效的工件形状,确定进行时效工件的橡胶减振垫支撑位置、激振器的装夹位置和传感器的放置位置,并按下列步骤进入运行准备过程:
(1)选择工件振动时效时振幅最小处(称为节点)为支撑点,将工件放置在橡胶减振垫上,橡胶减振垫的数目以工件外形尺寸及重量来确定,支撑点越少越好,尽量采用3点支撑,但要保证工件平稳。
(2)选择好激振器的放置位置后,将激振器用两个弓形卡具夹紧,装夹位置应尽量靠近工件共振时的波峰处。之后,调整激振器的偏心,偏心的调整以工件能够顺利起振,达到设备要求的振动强度范围即可。若需要进行振动时效的工件是安装在夹具或振动平台上的,可适当增大偏心。
(3)将传感器用磁座吸紧在工件共振时的波峰处,因工件共振时有多个波峰,所以传感器和激振器尽量不要放在工件的同一个波峰处。若工件为非磁性的,需采用粘合剂将传感器粘贴在工件上。
(4)连接好激振器电缆、传感器电缆及控制器电源电缆线。
完成以上工作后启动控制器进入工作状态,HK2009B1交流变频振动时效系统具有亚共振时效功能,即系统在频谱谐波分析到最佳频率后,自动扫描得到一个满足处理条件的最佳共振峰值,根据工件的材料特性将自动在亚共振区选择一个合适的振动点进行时效处理,自动按稳幅工艺判断处理时间,处理完毕后,振动时效设备自动对被时效处理工件的参数进行再一次检测,以便依据JB/T5926-2005或JB/T10375-2002标准,对振动时效进行定性判定,并记录振前振后数据的变化,然后自动停机,整个时效处理结束。
以上方式在频谱谐波分析的基础上进行,准确分析到工件的残余应力释放点,整个过程始终保持低频处理,保证了被处理工件在可承受的疲劳加载次数的前提下进行时效处理,既保证工件残余应力得到最大程度的释放,又保证了工件安全完好。
根据履带梁的形状、结构、重量,经试验,橡胶减振垫支撑位置间距700mm、激振器与相邻橡胶减振垫间距300mm、传感器放置于工件末端,如图3,激振器偏心位置调到30°,时效时间确定在40分钟,时效处理效果最佳。
3 工藝实施及效果
3.1 振动时效效果判定
振动时效效果评定方法有参数曲线观测法、残余应力测试法、尺寸精度稳定性测试法。履带梁为以尺寸稳定性为主要目的而进行振动时效处理的焊接构件,试验采用尺寸精度稳定性测试法进行效果评定,具体方法如下:对履带梁进行振后精度稳定性检验,精加工后检验,长期放置检验静尺寸稳定性,在放置15天时第一次检验,以后每隔30天检一次,对比履带梁加工面(支重轮安装面)平面度平均变化量。
履带梁热时效、振动时效对比试验检测数据如表1所示。
通过对上表试验检测数据进行分析,得出履带梁加工面平面度平均变化量如表2所示。
从以上试验分析,振动时效能有效释放工件内残余应力,减少履带梁变形,振动时效比热时效提高履带梁尺寸稳定性50%。
3.2 履带梁振动时效技术经济分析
如表3所示。
从表3振动时效与热时效技术经济对比分析可看出,振动时效比热时效投资少、成本低、生产效率高、去应力效果相当。与热时效相比,履带梁振动时效工序周期由24小时缩短为0.7小时,可以节省88万元/年的时效成本,随着产量的扩大,其经济性更加显著。
4 结论
振动时效对降低或均化金属结构件的残余应力,提高抗动载变形能力,稳定尺寸精度和防止裂纹有好的效果,在消除应力方面可取代热时效。
实践证明振动时效替代热时效后可节约能源95%以上,提高抗变形能力30%以上,尺寸稳定性提高30%以上,疲劳寿命提高20%以上。处理时效通常只需15～45分钟,不受工件尺寸、形状、重量等限制。采用振动时效可大幅提高工效、缩短生产周期,是一项投资少、综合效益显著的工艺。由于振动时效的技术经济效果日益显著,其应用范围也不断扩大,现已广泛应用于铸造、锻造和焊接等金属构件的时效处理。