理论上,就单纯以消除应力为目的,振动时效处理完全可以取代热时效处理,既节能环保、方便易用,又可以提高生产加工效率。

      摘要 通过对机座及其它铸铁件进行振动时效和热时效处理,用X射线衍射法测量其时效效果,得出振动时效能消除残余应力的42%~62%,热时效能消除残余应力的50%~70%。
      关键词 残余应力 振动时效 热时效

    铸件凝固以后在冷却过程中会产生残余应力,残余应力对铸件质量影响大,尤其在交变载荷作用下的工件,当载荷作用方向与残余应力方向一致时,内外应力总和可能超过材料的强度极限,严重时使铸件局部或整体断裂;有残余应力的铸件,经机械加工,往往会发生变形或降低零件精度。因此,消除或降低铸件内部的残余应力是十分必要的。
  传统的时效方法是热时效,这种方法耗能大、成本高;环境污染严重;生产周期长、不易配炉;更重要的是炉温均匀性差,升、降温速度不易控制,易产生二次残余应力、微观裂纹,甚至造成铸件报废。
  振动时效能消除铸件内部残余应力的20%~80%,热时效能消除铸件内部残余应力的50%~80%,且振动时效所消耗能源仅为热时效的5%。
  为了能给企业创造更高的经济效益,本厂采用振动时效这项新技术,首先选择铸铁件Z01.1.18机座(材料HT 200,单重900kg,最大壁厚50mm,最小壁厚20mm)。对其进行振动时效和热时效处理,然后用X射线衍射法分别测量其时效结果。

1 时效工艺方案的确定
    1.1 热时效工艺方案
  热时效是将铸件加热到塑性状态的温度范围,在此温度下保温一定的时间,使应力消除,再缓慢冷却,机座的热时效工艺如图1所示。
    1.2 振动时效工艺方案
  (1) 支撑点的选择、激振点的确定、传感器的安放位置见图2所示。
振动时效处理与热时效消除应力的时效效果对比振动时效处理与热时效消除应力的时效效果对比
图1 机座热时效工艺                      图2 机座
  (2) 工艺参数见表1所示。
表1 工艺参数
档位 主振频率 激振时间 振前 振后
Vo/V Io/A Vt/V It/A
3 4820r/min 30 129 3.5 126 2.8

  
    (3) 特性曲线见图3所示。

2 时效结果的测定
    2.1 测试设备
  测试设备为X射线应力测量仪,见图4所示。
振动时效处理与热时效消除应力的时效效果对比振动时效处理与热时效消除应力的时效效果对比   
图3 特性曲线                       图4 X射线应力测量仪
   2.2 应力测试
  根据机座的结构,A点(见图2)残余应力较大,为易裂部位,因此,对A点振动时效前、后,热时效前、后分别进行应力测量,测试数据见表2。
表2 测试数据
  铸号 时效前
(MPa)
时效后
(MPa)
消除
(%)
平均
(%)
热时效 3393
3394
14.8
13.7
7.0
5.4
53
61
57
振动时效 3395
3396
15.7
15.4
8.1
9.0
48
42
45
注:此项测试结果是1993年4月完成的
  2.3 测试结果分析
  从表2测试数据来看,热时效能消除机座A点残余应力的51%,振动时效能消除残余应力的45%,结果比较理想,也符合资料上的介绍情况。

3 其它铸铁件应力测试结果
  除了对机座进行应力测试外,对工作台、并条等铸件也采用同样的方法进行测试,结果也与预期的相吻合(见表3)。
表3 测试结果
  名称 时效前
(MPa)
时效后
(MPa)
消除(%)
热时效 工作台
并条
23
10
7
5
70
50
振动时效 工作台
并条
21
13
8
6
62
54


4 经济效益分析

  通过统计,热时效与振动时效耗能、成本比较见表4所示。
表4 热时效、振动时效、成本比较
  耗能(元/t) 成本(元/t)
热时效 21.14 119.20
振动时效 0.76 2.00

  
    从表4来看,振动时效比热时效节能(21.14-0.67)÷21.14×100%=96.8%,成本降低(119.20-2.00)÷119.20×100%=98%。由此看来,振动时效新技术与热时效相比经济效益十分显著。

5 结论

  通过采用X射线衍射法测量铸铁件器热时效与振动时效前后的残余应力,说明热时效能消除残余应力的50%~70%,振动时效能消除残余应力的42%~62%,振动时效比热时效节能96.8%,成本降低98%。振动时效是一项可广泛应用的新技术。
兰州石油化工机器总厂铸铁厂  刘文显 选自《机械研究与应用》

 

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