振动时效技术在防止大型内燃机缸套变形中的应用-国营武汉长江船用机械厂   

我厂是原中国船舶工业总公司定点生产柴油机系列配件的专业工厂，其中Φ160mm- 520mm缸径的系列柴油机铝活塞、合金铸铁气缸套是我厂优良产品。

过去几十年我厂对合金铸铁气缸套一直采用热时效处理，但由于热时效的高污染和高耗能，已不能满足我厂对环保和节能要求。近10年来，振动时效工艺发展迅速，并在大重型结构件上得到了应用，为了能给企业创造更高的经济效益，我厂想采用振动时效这项新技术来代替热时效，达到环保降耗，提高工效，减低加工成本的目的。经过对振动时效技术的了解，在国内外未找到振动时效在中大型柴油机离心浇铸气缸套上应用的成功案例。在我厂张厂长的支持下，成立了专门的技术攻关小组，针对振动时效技术在离心浇铸合金铸钢残余应力消除和在加工过程中提高尺寸稳定性的工艺进行了深入研究，并选择了南京聚航科技有限公司作为合作伙伴，共同开展了该项技术改造，并取得了满意的成果。

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较大，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*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*件精度。因此，消除或降低铸件内部的残余应力是很重要的。

大量的文献表明：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%。但我们走访许多厂家，没有得到有力证实。我们须进行试验验证。

由于我厂的产量较大，每个汽缸逐个进行振动时效处理显然不能满足我厂的加工需要，同时也不能满足振动时效的要求，所以南京聚航科技有限公司根据我公司的要求，设计了一个振动平台，每次可处理9个汽缸，这样既满足了生产需求，也有效减低了振动时效的振动频率，不仅能满足振动时效设备的要求，还大大减低了噪音，改善了工作环境。但是我厂的汽缸的结构刚性较强，用振动平台处理可能会减低工件内部的动应力，影响振动时效的效果。南京聚航科技有限公司认为振动平台的设计是确定振动时效工艺效果的关键，他们根据我厂提供了毛胚图样通过有限元分析和多年的实践经验设计了试验平台，并进行了模拟试验，对以上5中毛胚进行了动应力和残余应力测量，*终修订的振动平台设计方案。

该平台既能满足多种工件进行振动时效的要求，又能满足振动时工件中动应力的均匀性，以达到有效减低残余应力的目的，*终使汽缸在加工后不发生变形，保持尺寸精度的稳定性，提高产品质量。

首先选择G8300系列的G-03-B002汽缸 (材料HT 200，单重179kg，*大壁厚30mm，*小壁厚25mm，长804mm)。对其进行热时效处理和振动时效，然后用原有加工工艺进行加工和氮化，并在过程中对试件的圆度进行跟踪测量，以此来判断振动时效的效果。振动时效设备选用的是南京聚航科技有限公司JH-200A3型全自动振动时效装置，试验中得到了该公司大力支持，在此表示感谢。

我厂需要消除应力的毛坯品种：

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，在此温度下保温时间，使应力消除，再缓慢冷却，缸套的热时效工艺如图1所示。

图1 汽缸热时效工艺 

1.2 振动时效工艺方案

振动消除残余应力使工件获得尺寸稳定性的机理可以从宏观和微观两方面解释：

宏观上，当σ动＋σ残 ≥σＳ时（σ动－－激振器施加给工件的周期性动应力，σ残－－残余应力，σＳ－－材料屈服强度*限），工件会产生少量的塑性变形，使残余应力峰值下降，原来不稳定的残余应力得到松弛和匀化。同时由于包辛格效应，经时间的循环后，工件材料的当量屈服强度由原来的σＳ上升，直到与所受的应力相等，工件内部不再产生新的塑性变形，此时塑性变形变成弹性变形，工件的弹性性能得到强化，从而使工件的几何尺寸趋于稳定。

微观上，因金属具有将机械能转变成热能的性质，即使在σ动＋σ残≤σＳ时，也会产生微观的塑性变形。其机理为：由振动输入的活化能使位错移动，在位错塞积群的前沿引起应力集中而产生塑性变形；同时，迁移的位错切割位错群，以致使位错钉轧，材料基体得到强化，使松弛刚度*大，工件获得尺寸稳定性。

1.2.1 振动平台的设计

理论上讲被振工件在任何振动频率下只要动应力足够大就都能达到均化残余应力和稳定尺寸的效果。但为了能用*小的能量激发汽缸产生较大的动应力，我们须使汽缸在振动平台这个新的振动系统中能发生弹性形变，这就要使平台和装夹装置的刚性足够大，并能使振动能量传递到汽缸体上，并使汽缸产生径向振动，这就要求振动平台产生弯曲振型。通过如图所示的有限元分析，我们将激振器放置在两支点的波峰处，并使偏心轮的旋转面垂直于支点的平面，从而使平台产生弯曲共振。这种振动使装夹在平台上的气缸体产生较大的动应力，加速度传感器应放在远离激振点的气缸体上，以获得汽缸体上真实的的振动信号，具体布置见图。

1.2.2 多频振动

在同一种激振状态下(支点和激点都不改变位置)，可以采用不同的频率进行振动。若激振器功率大，还可以采用强迫振动。这种方案由于振动波长改变后动应力的峰值区域也发生变化，所以每改变一次频率都应改变加速度传感器的位置。

1.3 工艺实施和数据测量

振动处理前，现将振动平台进行一次振动预处理，消除平台的残余应力，减少振动平台在振动过程中应力变化对振动参数的影响，提高振动时效设备判断的准确性。预处理后将汽缸按要求装夹好后，先用手动模式确定激振器偏心量和传感器位置，然后按全自动运行进行振动，振动过程中JH-200A全自动振动时效装置动态跟踪汽缸内残余应力的变化，实时进行自动调节，直到检测到的A-T曲线稳定后，设备会自动进行时效后扫描，并与振前扫描进行数据对比，机器会自动按照JB/T5926-2005标准的要求判断时效结果。整个处理过程方便，直观，省事。充分体现了振动时效工艺的优良性。

数据分析：

(1) 从A-N曲线看汽缸体均获得了三个关键的共振频率。因为在对物体进行振动时效时，物体本身也是一个振动体，它与固定支承点组成了一个振动系统，动应力是振动时效中的关键参数，其大小直接影响振动时效的效果。动应力的大小振型和与激振器的距离有关，为了获得较好的振动时效效果，应使用不同的振型进行振动。振动时从各个方位测得的动应力值均大于10Mpa，满足了理论上的数值要求，达到了预期的振动时效效果。 

(2) 影响焊接件尺寸稳定性的不仅仅是残余应力数值的大小，还有残余应力的均匀性。振动时效不仅能消除应力，而且能消除应力峰值，使应力均匀化。从A-T曲线看，振动峰值升高后减低，又升高后变平，反映了气缸内残余应力的释放过程，并有效减低了残余应力峰值。

2　时效结果的测定

  测试设备为外径千分尺，两种时效方法的精度测量结果见下图所示：

3　经济效益分析

　　通过统计，热时效与振动时效耗能、成本比较见下表所示。

　  从表来看，振动时效比热时效节能(21.14-0.67)÷21.14×*=96.8%，成本降低(119.20-2.00)÷119.20×*=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。

4　结论

1、JH-200A全自动振动时效装置完全能够满足我厂对汽缸铸件尺寸稳定性的要求。如果消除应力的目的是为了提高工件尺寸的稳定性，则完全可以用振动时效替代热时效，并能获得明显的经济效益，且方便、灵活，非常适合生产周期和交货期短的市场经济要求。

2、采用振动时效工艺解决了我厂热时效炉窑对环境的污染问题。

3、小型*件的振动时效处理用振动平台同样可达到振动消除残余应力的目的。