采用振動時效工藝預防柴油機機體變形

某廠新研發了一款w型大功率電噴柴油機，在進行性能試驗后，對機體尺寸精度及各項形位公差進行重新檢測，發現機體變形嚴重。而產生變形的原因之一就是殘余應力，殘余應力主要包括機體鑄件殘余應力和冷加工殘余應力的矢量和，所以需要對柴油機機體進行消除殘余應力處理。經過多次研究討論后，決定采用振動時效工藝消除機體殘余應力，并對振動時效前后的殘余應力值進行檢測，定量判斷振動時效效果。
柴油機機體結構
柴油機機體是v型結構，油管為襯管鑄造，外形尺寸為4500*1480*1390，機體材料為球墨鑄鐵。w型柴油機機體是一個滿足較大強度和剛度設計的整體鑄造件，用來安裝曲軸、凸輪軸、動力組和其他安裝在柴油機上的附件，鑄件還包括安裝座。內部通道有主機油道和冷卻水通道。
退火并粗加工后機體殘余應力測試
盲孔法是常用的殘余應力測試方法之一，易于現場操作，精度高。本次采用盲孔法對退火并粗加工后機體進行殘余應力測試，儀器為聚航科技生產的jhmk殘余應力測試系統。
試件的選取
隨機取一臺經過退火處理并經過粗加工的柴油機體，粗加工后機體留量2mm作為測試的試件。
測點布置
在機體的側面、**面及斷面各布置9個測點，測得的的數據見表1。
表1 w型柴油機機體應力檢測
點號
ε0
ε45
ε90
ε⊥
ε//
1
195
103
75
-167
-157
2
171
168
76
-171
-124
3
247
128
75
-236
-150
4
147
98
158
-180
-185
5
70
122
183
-123
-179
6
108
43
79
-119
-105
7
158
131
151
-187
-183
8
189
157
159
-216
-201
9
298
177
135
-300
-219
應力水平
-188.7
-167
殘余應力數據分析
由表1可知，粗加工后機體內應力水平不算太高，但是有個明顯的特點，即應力分布不均勻，如垂直機體長度的方向的應力ε⊥中，*9點為-300mpa，而較小的*6點只有-119mpa。這種不均勻分布是造成結構易變形的根源，需要粗加工后進行處理，降低均勻殘余應力。
振動時效工藝
根據機體長寬高比率的結構特點，分析它的共振頻率較高。根據結構動力學的原理，工作時其支撐位置應盡量選在機體共振時的節線處，以保證工件共振時不消耗能量和產生噪聲。根據國內外振動時效工藝的實踐經驗，當工件的長與寬之比大于3，長與厚之比大于5時，則認為工件是梁型，在機體一側距兩端各2/9處用兩位支撐，機體另一側居中處用一位支撐。
將激振器裝夾在輸出端臺面右側，拾振器放在工件左**。
振動時效工藝參數的選擇
設備采用聚航科技的jh-300a振動時效設備，將機體放置好，然后將激振器剛性固定連接到振動時效設備上。調整激振力的檔級，開始放在較小為宜。根據初步估算，動應力較大的點在工件**，打磨并安裝拾振器，上述準備工作完成后，開始選擇振動時效工藝參數，過程如下：
1.使用該設備的手動調頻，同時觀察控制器繪制的曲線。當機體出現共振現象時，振幅頻率將出現一個波峰，動應力的曲線也將出現一個較大值，一直掃頻到設備的額定頻率。
2.觀察在設備允許的范圍內機體出現的共振次數及其共振頻率和在共振情況下動應力的較大值。
3.觀察在每個共振頻率下機體的共振形式，以調整支撐位置到節線上。在停機后再適當調整激振器的位置，使機體產生較大的振幅。并根據動應力測試的結果，多次反復調整激振器的偏心檔級。
4.根據上述試振情況，確定了試驗性振動處理工藝參數，包括激振頻率。激振檔級等主要參數作為試振時的處理參數；
5.最后是試振，用上述方法選擇的參數對被試油底殼進行全程振動時效處理，觀察振動加速度的變化規律，時間-振幅曲線應是上升、上升-下降、下降型三種中的一種，振幅-頻率曲線上的共振峰應該是升高并左移，如果均符合要求，則該組曲線即可作為機體初定工藝參數。
柴油機機體取兩件，其中一件做工藝參數的選擇，另一件是用反復試振選擇一組參數處理，并做振前振后的殘余應力測試，得出消除率來檢驗參數的合理性，較終確定工藝參數。
殘余應力數據分析
對振動處理后的機體做殘余應力測試，結果見表2。從數據中可知，振動時效處理后機體的殘余應力得到了降低，應力得到明顯的均化。其降低率在40%以上，說明達到了標準，振動處理有效。
表2 w型柴油機機體振動時效前后殘余應力數值
振動時效后
σ⊥
%
σ//
%
點號
ε0
ε45
ε90
振前
振后
消除率
振前
振后
消除率
1
75
2
85
-167
-105
-157
-89
2
77
70
55
-171
-81
-124
-79
3
112
119
52
-236
-104
-150
-95
4
118
122
59
-180
-112
-185
-103
5
77
36
58
-123
-85
-179
-79
6
84
74
37
-119
-76
-105
-71
7
103
93
84
-187
-114
-183
-112
8
69
115
129
-216
-124
-201
-117
9
166
139
68
-300
-147
-219
-136
應力水平
-188.7
-105.5
-44.1
-167
-97.8
-41.4
總結
1.鑄件中的殘余應力是造成鑄件變形和開裂的主要原因之一。研究表明，粗加工后的柴油機機體采用振動時效處理工藝，可有效地降低柴油機機體鑄件的殘余應力，完全符合gb/t25713-2010標準要求。
通過振動時效處理，降低鑄件中的殘余應力，有效地防止了柴油機機體的變形，可用于w型柴油機機體批量生產中。
南京聚航科技有限公司專注于應變儀,殘余應力檢測儀,殘余應力消除設備等