振動時效技術(shù)在輥壓機軸承座制造中的應(yīng)用

董治收

1 前言

構(gòu)件在焊接過程中，由于受熱不均等因素影響，會產(chǎn)生不同程度的焊接殘余應(yīng)力，殘余應(yīng)力的存在對構(gòu)件的結(jié)構(gòu)強度、疲勞壽命及形變等方面均十分有害，消除焊接構(gòu)件的殘余應(yīng)力是機械加工過程中的一項非常重要的工作。

采用振動時效方法代替熱時效方法消除金屬構(gòu)件內(nèi)的殘余應(yīng)力，已被許多國家大量使用，我公司也在該項技術(shù)的機理和應(yīng)用研究上取得了較大的進展。下文將對振動時效技術(shù)在輥壓機軸承座制造中的應(yīng)用進行介紹。

2 振動時效的工作機理

振動時效在國外被稱做“Vibratory Stress Relief”（簡稱VSR），VSR可以降低或均化構(gòu)件內(nèi)的殘余應(yīng)力，提高構(gòu)件的使用強度，減少構(gòu)件形變，保持構(gòu)件精度，防止構(gòu)件在惡劣使用環(huán)境下產(chǎn)生微觀裂紋，具有顯著的節(jié)約能源、提高工效的效果。

振動時效與熱時效的工作機理不同，振動時效是使構(gòu)件在共振頻率下受激發(fā)生共振，振動釋放金屬構(gòu)件的殘余應(yīng)力。構(gòu)件在共振狀態(tài)下，按一定的振型產(chǎn)生彈性變形，彈性變形產(chǎn)生動應(yīng)力，當動應(yīng)力與構(gòu)件上各點的殘余應(yīng)力疊加大于材料的屈服極限后，則在該點出現(xiàn)局部的塑性變形，應(yīng)力即得以釋放。而熱時效是靠升高具有殘余應(yīng)力金屬構(gòu)件的溫度、降低材料的屈服強度以釋放應(yīng)力。

振動時效既可以降低應(yīng)力，也可以消除或降低殘余應(yīng)力對構(gòu)件的影響，其作用有如下幾方面：

（1）減少或防止構(gòu)件形變

構(gòu)件的變形是由殘余應(yīng)力造成，殘余應(yīng)力的分布和量值具有很大的隨機性，其水平與構(gòu)件內(nèi)的動應(yīng)力大小有關(guān)，動應(yīng)力大則消除殘余應(yīng)力的效果好，動應(yīng)力小則消除殘余應(yīng)力的效果差。

（2）降低應(yīng)力，消除應(yīng)力集中，防止出現(xiàn)裂紋

振動中殘余應(yīng)力大的點，應(yīng)力下降比例大，若應(yīng)力值差得太大，易使構(gòu)件產(chǎn)生變形。振動時效技術(shù)的使用，能消除應(yīng)力集中，避免出現(xiàn)裂紋。

（3）延長焊接構(gòu)件的疲勞壽命

大量的實驗和實踐證明，振動時效可延長焊件50%以上的疲勞壽命、0.5~1倍的使用壽命。

1991 年，我國即制定了振動時效技術(shù)的行業(yè)標準JB/T 5928.91；1993年，振動時效技術(shù)被國家科委批準為“國家級科技成果重點推廣計劃”項目，在全國推廣。多年實踐表明，振動時效在去除焊接鑄造構(gòu)件的殘余應(yīng)力方面，效果優(yōu)于熱時效，能為企業(yè)節(jié)省大量資金和時間。

3 基于VSR消除輥壓機軸承座殘余應(yīng)力

3.1 振動時效儀器選型

振動時效消除應(yīng)力儀器采用VSR-60 型多功能便攜式振動消除應(yīng)力系統(tǒng)，單次消除應(yīng)力構(gòu)件的最大重量為100t，主要參數(shù)見表1。

表1 VSR-60型多功能便攜式振動消除應(yīng)力系統(tǒng)主要參數(shù)

3.2 輥壓機軸承座殘余應(yīng)力的形成原因

輥壓機軸承座由軸承座體和襯套通過焊接制作而成。軸承座體為鑄鋼件，在鑄造期間，軸承座毛坯件需完成兩次熱時效處理。襯套為用鋼板卷制的圓筒，在卷制過程中，材料內(nèi)部會產(chǎn)生一個比較大的彈性應(yīng)力，在焊接時，焊縫處也會形成焊接應(yīng)力。在軸承座體內(nèi)孔和襯套外圓精加工完成后，將襯套熱裝到軸承座體內(nèi)孔中，對軸承座上、下兩道環(huán)形焊口進行焊接，焊縫處會形成焊接應(yīng)力。輥壓機軸承座作為輥壓機的重要部件，在不同工況環(huán)境下，均不能出現(xiàn)疲勞破壞，故降低或均化焊接殘余應(yīng)力是一項很重要的制作工序。

3.3 振動平臺設(shè)計

振動時效的工作機理是，通過掃頻檢測出構(gòu)件的固有頻率，在固有頻率下使構(gòu)件產(chǎn)生共振，在共振的狀態(tài)下消除構(gòu)件應(yīng)力。振動時效儀器的最高工作頻率＜166Hz，通常構(gòu)件的固有頻率不會超過這個頻率，可以直接對構(gòu)件進行振動時效處理。但輥壓機軸承座整體鋼性比較集中，軸承座的固有頻率超出振動時效儀器的工作頻率范圍，直接進行振動時效的工作頻率較高，將會影響振動時效效果。根據(jù)JB/T 5926-2005《振動時效效果評定方法》中5.3.3 組合振動原則，采用振動平臺工藝對構(gòu)件進行振動時效處理，也稱組合振動。振動平臺根據(jù)TRP220-160型號輥壓機軸承座的重量及體積進行設(shè)計，采用鋼結(jié)構(gòu)形式焊接制作而成，如圖1所示。

圖1 振動時效平臺簡圖

3.4 振動時效處理過程

處理前，先在振動平臺和地面之間設(shè)4個彈性支撐點，使其與地面的摩擦達到最佳的振動時效效果，然后用壓板將軸承座固定在振動平臺上，使其與平臺成為一體，對平臺軸承座進行組合振動時效處理。軸承座振動時效處理簡圖如圖2所示。

圖2 軸承座振動時效處理簡圖

（1）支承方式。在振動平臺與地面之間設(shè)置4個橡膠支撐點，以降低振動阻力。

（2）激振點。激振器安裝在振動平臺中部邊緣處，采用壓板將激振器與振動平臺進行鋼性連接。

（3）測振點。測振點即振動傳感器安裝位置。用傳感器測量振動構(gòu)件的振動幅度，以便快速掌握構(gòu)件的振動狀態(tài)，科學(xué)調(diào)整激振力，使之達到最佳的振動時效效果。振動傳感器安裝在平臺邊緣處振動幅度最大的位置，用低噪聲屏蔽信號電纜，與計算機控制終端相連，監(jiān)控軸承座的振動狀態(tài)。

（4）激振力。激振器偏心檔位的選擇應(yīng)當保證構(gòu)件產(chǎn)生合適振幅。本次振動消除應(yīng)力偏心檔位選擇為4 檔（約15~20kN）激振力，確保構(gòu)件能夠產(chǎn)生超過4g加速度的振幅。

（5）共振頻率。共振頻率即振動臺固有頻率。振動時效系統(tǒng)主控機通過自動掃頻裝置，檢測振動臺軸承座的固有頻率，判斷有效共振峰，自動選擇頻率，對構(gòu)件進行振動時效處理。

（6）處理時間。振動時效時間10~45min，可根據(jù)振動幅度的大小調(diào)節(jié)振動時間，該平臺軸承座的振動時間為25min。

（7）操作流程。振動時效系統(tǒng)全過程自動進行，實施振動時效前，掃頻檢測構(gòu)件的固有頻率，對構(gòu)件進行振動時效處理；實施振動時效后，掃頻檢測構(gòu)件的固有頻率，打印構(gòu)件振動時效數(shù)據(jù)曲線。

3.5 振動時效數(shù)據(jù)曲線的處理分析

用振動平臺對軸承座進行振動時效處理，振動時效處理時間25min，處理結(jié)束后打印時效數(shù)據(jù)曲線。振動時效曲線圖如圖3所示。

3.5.1 振動時效數(shù)據(jù)曲線分析

振動時效處理前，構(gòu)件的固有頻率（時效轉(zhuǎn)數(shù)）為5 965r/min，振動幅度4.97g；振動時效處理后，構(gòu)件的固有頻率（時效轉(zhuǎn)數(shù)）為5 917r/min，振動幅度7.97g；

由圖3中的數(shù)據(jù)分析可知，振動時效處理后的固有頻率比振動時效處理前的固有頻率向左移了48r/min，振動時效處理后的振幅比振動時效處理前的振幅升高了3g；振動時效處理過程中，a—t曲線常出現(xiàn)先上升后下降，最終處于平穩(wěn)的狀態(tài)。

圖3 振動時效曲線圖（2020年5月8日）

3.5.2 振動時效效果評估

按照JB/T 5926-2005《振動時效效果評定方法》第6.1條參數(shù)曲線觀測法的規(guī)定，可根據(jù)振動時效過程中實時打印的a—t曲線及a—n曲線振動時效處理前后的變化，評估振動時效的實際效果。出現(xiàn)下列情況之一時，即可判定振動時效有效：

a—t曲線上升后變平；

a—t曲線上升后下降，最終變平穩(wěn)；

a—n曲線振動時效處理后，共振峰發(fā)生了單項特征或組合特征的變化（出現(xiàn)振幅升高、降低、左移、右移）；

a—n曲線振動時效處理后變得簡潔而平滑；

a—n曲線振動時效處理后出現(xiàn)低幅振峰增值現(xiàn)象。

3.5.3 結(jié)果分析

振動時效處理前、后，掃頻檢測數(shù)據(jù)固有頻率及振動幅度變化明顯；檢測數(shù)據(jù)符合標準（a—n曲線振動時效處理后，共振峰振幅明顯升高，固有頻率左移）；振動時效曲線開始出現(xiàn)明顯上升，后期趨于平穩(wěn)，符合標準（a—t曲線上升后變平穩(wěn)）。

由上述情況可判定，本次振動時效處理有效。

3.6 軸承座振動時效處理效果

采用盲孔法檢測軸承座殘余應(yīng)力。測試點處材料厚度應(yīng)大于鉆孔直徑的4 倍，構(gòu)件的5 個測試點應(yīng)選在焊縫中心或焊縫根部。

計算振動時效處理前后構(gòu)件的應(yīng)力消除率，軸承座振動時效處理前，主應(yīng)力平均為256.10MPa；振動時效處理后，主應(yīng)力平均值為120.60MPa，應(yīng)力消除率為52.91%，符合JB/T 5926-2005標準中振動時效處理后應(yīng)力消除率＞30%的要求。軸承座振動時效處理前后測量數(shù)據(jù)見表2，應(yīng)力消除率計算結(jié)果見表3。

表2 軸承座測量數(shù)據(jù)，MPa

表3 應(yīng)力消除率計算結(jié)果，MPa

4 振動時效實際應(yīng)用效果

4.1 工藝操作簡便

采用振動時效工藝，2h 內(nèi)即可完成全部時效工作（包含準備工作），比熱時效時間縮短約5d，提高了工作效率，縮短了產(chǎn)品制造周期。

4.2 工藝成本低

以TRP180-160 輥壓機浮動軸承座制作為例，采用熱時效工藝消除軸承座的殘余應(yīng)力費用約為6 900元/個，而采用振動時效工藝消除軸承座殘余應(yīng)力僅需要人工費200元/個，一個軸承座可節(jié)省成本6 700元，成本降低了90%以上。

4.3 節(jié)能環(huán)保

采用振動時效代替熱時效，可以避免電能和天燃氣的消耗，節(jié)約了能源，減少了碳排放量和有害物質(zhì)的排放量。

振動時效工藝處理過程無環(huán)境污染，無明顯噪聲，社會效益及經(jīng)濟效益顯著。目前振動時效工藝已應(yīng)用到國內(nèi)外多個項目的輥壓機產(chǎn)品上，很好地滿足了產(chǎn)品質(zhì)量要求。實踐證明，振動時效工藝是一種高效、節(jié)能、可靠的工藝措施，同時，該工藝還可拓展到其他構(gòu)件的制作，具有較大的應(yīng)用前景。