振动时效技术在工程机械上的应用

1 引言

   小型挖掘机的底盘、平台、动臂和斗杆等均是焊接结构件，焊接后会有残余应力，残余应力是导致其变形或者开裂的重要原因，因此要对这些工件进行消除残余应力的时效处理。

时效有自然时效、热时效和振动时效三种基本工艺技术。自然时效是将工件在室温条件下放置一年左右，自然释放残余应力的时效技术；热时效是将工件放置在电炉中，在约600℃保温5小时左右随炉缓冷的消除残余应力的时效技术；振动时效是使用振动时效设备，对工件进行半小时左右的亚共振振动，消除残余应力的时效技术。

自然时效由于时效周期太长，不能满足生产进度要求，不可能应用；热时效设备投资较大，时效成本很高，生产效率较低，应用有难度；振动时效设备投资少，生产效率高，时效成本低，是比较理想的。通过对三种时效技术的综合分析比较，决定采用振动时效技术。         

本文比较详细地介绍了振动时效技术在挖掘机工程机械上应用的振动时效技术、设备、工艺、工艺效果、工艺管理和经济效益，以期为振动时效技术在我国工程机械上的推广应用起到抛砖引玉的目的。

2 振动时效技术与设备

2.1振动时效技术

振动时效是使用振动时效设备，对金属工件进行半小时左右的亚共振振动，降低和均化残余应力，防止应力变形或者开裂的时效高新技术，广泛用于对铸件和焊接件的时效处理。

振动时效的工艺过程很简便。首先用胶垫支撑好工件，然后将激振器和测振器固定在工件上，就可以开机进行振动时效处理了。如果使用全自动工艺，先是振前扫频搜寻共振峰，找到共振峰后，设备将自动优选*佳亚共振点共振时效半小时左右，并自动进行振后扫频和打印时效曲线作为质检依据，整个时效过程就完成了。

振动时效消除残余应力的基本原理是这样的。从振动时效工艺过程分析，在数万次亚共振振动过程中，工件已经产生微观塑性变形，而且变形已趋稳定，残余应力已经释放，处于平衡状态。从振动的动应力分析，在振动时效时，工件会受到一个较大的交变动应力作用，这个动应力与残余应力叠加，达到数值后，在应力集中*严重的部位，就会超过屈服*限而产生塑性变形，从而降低了该处的残余应力，而后振动又在另处应力集中较严重的部位产生同样作用，直到不能引起任何部位的塑性变形为止。因此，振动时效可以将残余应力集中现象消除，使残余应力处于平衡状态，从而能有效防止应力变形或者开裂。

2.2 振动时效设备

振动时效设备是成功地应用振动时效技术的基本条件。通过对国内外振动时效设备生产企业的综合分析比较，*终公司选择了南京聚航科技有限公司生产的JH-200A全自动振动时效装置。JH-200A全自动振动时效装置具有的全自动功能，可以一次性全自动完成振动时效工艺全过程，不仅能确保振动时效工艺效果，而且操作简单方便，性能稳定可*。公司2000年所购买的两套振动时效设备，经常都要加班加点使用，很好地确定了振动时效生产需求。

3 振动时效工艺

   公司生产的小型挖掘机的底盘、平台、动臂、斗杆等焊接结构件，均要进行振动时效处理。其中底盘和平台比较大的工件，可以单件进行振动时效处理，动臂和斗杆比较小的工件，原来也曾经试用单件振动时效处理，但是其固有共振频率很高，振动时效的声音很大，激振器在高转速状态下运行也容易出现故障，因此改用振动平台进行批量振动时效处理，大大降低了工件的固有共振频率和振动时效的声音。

4 振动时效工艺效果

  为了了解振动时效工艺效果，我们从振动时效前后残余应力检测、振动时效工艺曲线和振动时效工件的实际使用效果等方面进行了综合考察。结果表明振动时效工艺效果都很好。

4.1 振动时效前后残余应力检测

为了定量了解振动时效工艺效果，使用磁测应力仪，检测了挖掘机平台等工件焊缝处振动时效前后的残余应力。

   测量结果表明，挖掘机平台在振动处理前，焊缝处残余应力集中现象较严重。在焊缝*心区域应力较高，*大剪切残余应力值约为54-67MPa，已经接近了许用安*剪切应力,为不安*的残余应力。在焊缝非*心区域应力较低，约为30-50MPa。经振动时效处理，焊缝处残余应力集中现象已消除，焊缝*心区域和非焊缝区域，应力值已相近，峰值残余应力已经从60MPa左右，下降到25MPa左右，下降率约为60％，远小于许用安*剪切应力，平台处于安*的低应力平衡状态。表1为挖掘机平台振动时效前后残余应力检测数据。

表1 挖掘机平台振动时效前后残余应力检测数据

4.2 振动时效工艺曲线

在振动处理平台的时候，振动时效设备所记录和打印的振动时效工艺曲线，包括振前扫频曲线、时效曲线和振动时效前后扫频比较曲线，这三个曲线综合反映了振动时效的亚共振振动的实质，而且符合振动时效技术行业标准【1】的“参数曲线观测法”的要求，据此也判定达到了振动时效工艺效果。在实际生产上，都是依据振动时效工艺曲线来快速评定振动时效工艺效果的。

4.3 振动时效工件的实际使用效果

   公司从2000年起应用振动时效技术5年多来，累计约有5000台挖掘机产品的焊接结构件都进行了振动时效处理，此外公司是通过ISO9001：2000认证的企业，对产品的质量都有一套跟踪检查制度。在没有应用振动时效技术之前，从产品使用质量反馈信息分析，底盘、动臂、平台和斗杆焊接件的变形和开裂质量问题比较突出，应用振动时效技术之后，这个质量问题基本上解决了。可见振动时效的实际使用效果是很好的。

5 振动时效工艺管理

   在实际生产上，公司是通过振动时效工艺曲线来检测振动时效效果的。每振动时效处理一个工件，都须要有相应的振动时效工艺曲线，这个工艺曲线，要经过质量检验部门依据工艺部门制订的振动时效工艺卡的标准曲线进行验收，如果达不到验收标准，还要返工重振。验收合格后，振动时效操作人员才有工时计算工资，振动时效处理的工件才能转到下一工序。通过这样严格的工艺管理，有效地确定了振动时效工艺质量稳定。

6 振动时效经济效益分析

   要消除挖掘机工程机械的焊接结构件的残余应力，只能应用热时效或者振动时效。以下通过热时效和振动时效的费用比较来说明应用振动时效技术的经济效益。

   从2000年开始公司累计振动时效处理了5000台产品的焊接件，每台产品的焊接结构件平均重量约为1吨，总计处理了约5000吨。公司购买了两套振动时效设备，设备购置费为10万元，操作人员1人，5年累计工资额为8万元，振动时效设备每天耗电量为10度，每度电按照0.8元计，5年累计使用电费为1.4万元。5年累计振动时效的总费用为19.4万元。

   如果使用热时效，需要购买热时效炉，因为环境污染问题，不能使用燃煤热时效，只能使用电炉热时效。按照公司的产量，需要购买5台100Kw的电炉，设备投资约100万元，电炉的用电量很大，其综合热时效成本为每吨500元，处理5000吨工件，需要250万元。

5年累计热时效的总费用需要350万元。

   与热时效相比，振动时效可以节省330万元的时效费用，由此可见应用振动时效技术的经济效益是相当显著的。

7 结束语

   振动时效可以有效消除挖掘机工程机械焊接结构件的残余应力，防止其变形或者开裂，提高工程机械产品质量，能取得相当显著的技术和经济效益。

参考文献：

[1] 振动时效技术行业标准（JB/T5926-91  JB/T10375-2002）