大型數(shù)控機床床身在鑄造和機械加工等工藝過程中, 由于受熱或受力不均勻, 其內(nèi)部都會產(chǎn)生不同程度的殘余應(yīng)力。殘余應(yīng)力的存在, 極大地影響了機床床身的尺寸穩(wěn)定性、剛度、強度和機械加工性能等, 嚴(yán)重影響著機床的裝配和正常使用。因此, 消除機床床身的殘余應(yīng)力是機床行業(yè)的一項十分重要的任務(wù), 必須予以重視 。傳統(tǒng)的消除殘余應(yīng)力的時效方法有熱時效和自然時效。振動時效技術(shù)是繼熱時效和自然時效后的一項環(huán)保型新技術(shù)。其基本思想是通過對應(yīng)力工件施以循環(huán)載荷, 使工件內(nèi)應(yīng)力釋放, 從而使工件殘余應(yīng)力降低, 達(dá)到時效之目的。由于振動時效具有投資少、生產(chǎn)周期短、使用方便、降低成本、操作簡便、易于實現(xiàn)機械化、自動化等特點, 是目前最好的時效方法。本文針對大型數(shù)控機床床身的特點, 進行了大型數(shù)控機床床身振動時效機理、振動時效工藝和振動時效效果的研究, 得到了大型數(shù)控機床床身振動時效工藝的工藝規(guī)范, 提高了機床床身的尺寸穩(wěn)定性、剛度、強度和機械加工性能等

1　大型數(shù)控機床床身振動時效機理

從材料的應(yīng)力應(yīng)變特性角度分析。工程上采用的材料都不是理想的彈性體, 其內(nèi)部存在著不同類型的微觀缺陷, 鑄鐵中更是存在著大量形狀各異的切割金屬基體的石墨, 其中的微觀缺陷附近都存在著不同程度的應(yīng)力集中。振動時效消除殘余應(yīng)力的必要條件是動應(yīng)力(激振力)和殘余應(yīng)力之和大于材料的屈服極限。若以σa表示動應(yīng)力, σn表示殘余應(yīng)力, σs表示屈服極限, 則振動時效消除殘余應(yīng)力的必要條件可表示為

σa+σn≥ σs (1)

當(dāng)式(1)成立時, 在工件內(nèi)殘余應(yīng)力的高峰值處將產(chǎn)生局部屈服, 引起微小塑性變形, 使得工件內(nèi)部殘余應(yīng)力高峰值降低和殘余應(yīng)力重新均勻分布, 使工件內(nèi)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)過一段時間循環(huán)后, 工件的屈服極限上升, 直到與所受應(yīng)力相等, 工件內(nèi)部不再產(chǎn)生新的塑性變形, 工件的彈性性能得到強化, 金屬基體達(dá)到強化, 增強了抗變形能力, 提高了工件尺寸精度穩(wěn)定性。

從位錯理論的微觀角度分析。殘余應(yīng)力的本質(zhì)是晶格畸變, 而晶格畸變在很大程度上是由位錯引起的。根據(jù)能量原理, 較小的間隙原子優(yōu)先處在位錯旁的空洞里, 它們起著釘住位錯, 阻礙位錯滑移的作用。如果要位錯脫出釘錨, 產(chǎn)生滑移, 需要足夠的分切應(yīng)力。所有阻礙位錯滑移的因素均會提高臨界分切應(yīng)力。在振動時效時, 需要加大動應(yīng)力, 以便在振動過程中金屬材料內(nèi)部的位錯滑移產(chǎn)生微觀塑性變形, 使殘余應(yīng)力得以釋放。若以τa表示外加動應(yīng)力, τn表示殘余應(yīng)力, τs表示流變應(yīng)力, 則振動時效消除殘余應(yīng)力的微觀必要條件可表示為

τa+τn≥ τs (2)

機床床身的應(yīng)力集中區(qū), 絕大部分是在工件的微觀缺陷區(qū), 如位錯、空位、夾雜等。當(dāng)式(2)成立時, 將引起金屬內(nèi)缺陷區(qū)大量位錯移動。位錯滑移一開始就相當(dāng)于晶體開始屈服, 工件的自變形就是位錯滑移的結(jié)果。如果有某種方式使易動位錯先滑移, 余下位錯不易滑移, 其最終結(jié)果就可減少構(gòu)件的自變形使尺寸穩(wěn)定。位錯運動一方面產(chǎn)生位錯增殖及亞結(jié)構(gòu)的變化;另一方面使晶體產(chǎn)生微觀塑性變形。位錯增殖及亞結(jié)構(gòu)的變化將使金屬發(fā)生強烈的加工硬化, 即繼續(xù)塑性變形的抗力增大, 強度大大提高,從而提高工件抗變形能力和尺寸穩(wěn)定性。而金屬晶體的微觀塑性變形將使高殘余應(yīng)力得以釋放, 消除或降低應(yīng)力集中, 達(dá)到均化應(yīng)力的目的。

從以上分析可知:當(dāng)工件受到動應(yīng)力的作用時, 在其內(nèi)部激起局部應(yīng)變, 應(yīng)力集中越大的區(qū)域, 產(chǎn)生的應(yīng)變也越大, 結(jié)果耗掉了應(yīng)力峰值, 使應(yīng)力均化并降低。

2　大型數(shù)控機床床身振動時效工藝

振動時效的大型數(shù)控機床床身結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示

其特點如下:

(1) 其機床床身的結(jié)構(gòu)較長, 長度為8 800 mm;

(2) 機床床身內(nèi)部的加強筋較多;

(3) 機床床身在鑄造過程中, 導(dǎo)軌面朝下, 澆注口和冒口在兩端;

(4) 由于機床床身鑄造后變形量較大, 則鑄造時給粗加工留有較大的加工余量。

該大型數(shù)控機床的床身為鑄件, 材質(zhì)是HT300, 其外形尺寸為8 800 mm×1 300 mm×660 mm。由于機床床身在鑄造及粗加工后, 存在有殘余應(yīng)力, 且殘余應(yīng)力不穩(wěn)定性, 造成應(yīng)力松弛和應(yīng)力的再分布,使工件產(chǎn)生變形, 影響機床精度, 因此需要在粗加工后進行振動時效處理消除殘余應(yīng)力。振動時效設(shè)備采用海倫博大振動時效設(shè)備有限公司的VSR-N06振動時效裝置, 電機調(diào)速范圍為1000 ～ 10 000 r/s, 最大激振力為10 kN, 加速度測量范圍為0 ～ 50 g。

由振動時效機理分析可知:振動時效是基于諧波共振原理。在振動時效過程中工件處在外部激振

器激振力的持續(xù)作用下, 零件處于“受迫振動”時的一個特殊狀態(tài), 即在激振器所產(chǎn)生的周期性外力的作用下使零件產(chǎn)生共振, 從而使工件的殘余應(yīng)力得到部分消除和均布, 從而達(dá)到時效的目的.

由振動理論可知, 振動時效工藝方案的確定包括以下6個方面的內(nèi)容:

(1) 支撐點的選擇;(2)激振點的選擇;(3)傳感器安放位置;(4)主振頻率的確定;(5)激振力的大小;(6)振動時間的確定。

2.1　支撐點的選擇

機床床身的支撐選用4 個橡膠墊作支撐, 支撐點選擇在機床床身振動的節(jié)線處。選擇節(jié)線處作支撐點, 以避免零件和支撐物在振動時因相互撞擊而消耗能量和產(chǎn)生噪音, 同時可以減小能量, 獲得較大的振幅。其方法是在振動時, 在機床床身的導(dǎo)軌面上拋撒砂子, 砂子聚集處位置為節(jié)線位置,將位置作為支撐點。支撐點位置見圖1所示。

2.2　激振點和傳感器位置選擇

當(dāng)對工件進行振動時, 其振動值最大處稱為波峰。激振器夾持在工件波峰處, 這樣激振器即可以最小能量激發(fā)工件產(chǎn)生較大振動。傳感器放置在另一波峰處有利于振動信號的拾取, 因為傳感器所拾取的信號一般需經(jīng)放大器放大后才能進行后續(xù)處理。圖1所示是將激振器剛性地固定在床頭箱部位一邊的波峰處, 傳感器固定在遠(yuǎn)離激振器且振幅較大的床身靠端部的平面導(dǎo)軌上。

2.3　主振頻率的確定

激振頻率的選擇與工件本身的形狀、重量、材質(zhì)和剛性等因素有關(guān)。機床床身的固有頻率用振動時效設(shè)備的掃頻功能來確定。在掃頻的過程中, 工件有時候會出現(xiàn)幾個共振峰。在一般情況下, 時效處理應(yīng)選擇在一階亞共振區(qū)進行, 亞共振區(qū)是指一階共振峰的前沿, 即最大加速度值的1/3 ～ 2/3處, 這一點的頻率就是振動主頻率, 這樣不會對工件造成疲勞損傷, 相反還會提高工件的疲勞壽命。

2.4　激振力的確定

振動時效時激振力使機床床身產(chǎn)生動應(yīng)力。振動時效裝置的激振力是偏心質(zhì)量旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力(F=meω2 sinωt)。激振力的大小通過調(diào)節(jié)偏心距e獲得, 所以振動時效是簡諧激勵下的受迫振動。機床床身內(nèi)部動應(yīng)力的大小除與激振力的大小有關(guān)外, 還與振型、頻率等有關(guān), 即與機床床身的剛度和振動時的支撐狀態(tài)有關(guān), 也就是說當(dāng)激振頻率和振型為機床床身的某價固有頻率和振型時, 才可以發(fā)生共振, 獲得較大振幅, 相應(yīng)的動應(yīng)力也較大, 降低殘余應(yīng)力的效果也較好。

根據(jù)振動時效機理, 確定激振力大小的原則是激振器產(chǎn)生的動應(yīng)力的幅值與殘余應(yīng)力之和應(yīng)稍大于機床床身的屈服強度, 而動應(yīng)力的值應(yīng)小于疲勞極限。

2.5　振動時間的確定

在振動時效處理過程中, 隨著殘余應(yīng)力的降低和均化, 工件的振動頻率及振幅等均隨之發(fā)生變化。以振幅-時間曲線為例, 振幅-時間曲線的“升高”是殘余應(yīng)力下降、結(jié)構(gòu)阻尼減小的反映;而振幅-時間曲線的“變平”表明振動附加動應(yīng)力與殘余應(yīng)力的疊加已不能引起任何部位的塑性變形, 即式(1), (2)已不成立, 延長一段時間的目的是為了使殘余應(yīng)力得到進一步釋放以穩(wěn)定振動處理效果。實踐證明振動處理的前5 min殘余應(yīng)力變化最快, 15 min后基本處于穩(wěn)定, 說明殘余應(yīng)力下降到一定程度后就不再發(fā)生變化了。因此選擇在主振頻率處, 進行振動時效處理15min, 在附振處分別振動時效處理5 min。

3　大型數(shù)控機床床身振動時效結(jié)果分析

大型數(shù)控機床床身振動時效的結(jié)果如圖2所示。圖2a是時效振動前的掃描圖, 圖2b是振動時效圖,圖2c是振動時效后的掃描圖, 其振動時效時間為40min。依據(jù)我國航空工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)HB/Z229— 93規(guī)定, 從圖2a分析得到:本試驗的一階亞共振振動頻率是49.2 Hz, 激振力是7.4 kN;由圖2b分析可知:振動時效的前幾分鐘振動加速度降低, 而后加速度相對應(yīng)穩(wěn)定且曲線光滑, 表明:機床床身內(nèi)的殘余應(yīng)力消除或已均化;由圖2c分析可知:振動時效后的掃描曲線中

共振頻率降低, 且共振峰值增高、共振峰的頻帶變窄, 這些都表明振動時效消除或均化了機床床身的殘余應(yīng)力, 并且強化了材料的剛度, 達(dá)到了時效的目的。

4　結(jié)束語

利用振動時效消除機床床身鑄件殘余應(yīng)力長期實踐表明, 振動時效能有效地消除和均化床床身的殘余應(yīng)力, 并取得了明顯的效果;振動時效工藝大大縮短了機床床身的制造時間, 提高了生產(chǎn)效率和經(jīng)濟效益, 同時解決了原來大型數(shù)控機床床身制造過程的變形問題, 穩(wěn)定大型數(shù)控機床床身的尺寸及精度, 提高了大型數(shù)控機床的制造質(zhì)量。