采用振動時效工藝預防柴油機機體變形

時間：2023-07-26

某廠新研發(fā)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(fā)現(xiàn)機體變形嚴重。而產(chǎn)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(jīng)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(jié)構

柴油機機體是V型結(jié)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(nèi)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(xiàn)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(chǎn)的JHMK殘余應力測試系統(tǒng)。

試件的選取

隨機取一臺經(jīng)過退火處理并經(jīng)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(cè)面、**面及斷面各布置9個測點，測得的的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)分析

由表1可知，粗加工后機體內(nèi)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(jié)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(jù)機體長寬高比率的結(jié)構特點，分析它的共振頻率較高。根據(jù)結(jié)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(jié)線處，以保證工件共振時不消耗能量和產(chǎn)生噪聲。根據(jù)國內(nèi)外振動時效工藝的實踐經(jīng)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(cè)距兩端各2/9處用兩位支撐，機體另一側(cè)居中處用一位支撐。

將激振器裝夾在輸出端臺面右側(cè)，拾振器放在工件左**。

振動時效工藝參數(shù)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(diào)整激振力的檔級，開始放在較小為宜。根據(jù)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(shù)，過程如下：

1. 使用該設備的手動調(diào)頻，同時觀察控制器繪制的曲線。當機體出現(xiàn)共振現(xiàn)象時，振幅頻率將出現(xiàn)一個波峰，動應力的曲線也將出現(xiàn)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(nèi)機體出現(xiàn)的共振次數(shù)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(diào)整支撐位置到節(jié)線上。在停機后再適當調(diào)整激振器的位置，使機體產(chǎn)生較大的振幅。并根據(jù)動應力測試的結(jié)果，多次反復調(diào)整激振器的偏心檔級。

4. 根據(jù)上述試振情況，確定了試驗性振動處理工藝參數(shù)，包括激振頻率。激振檔級等主要參數(shù)作為試振時的處理參數(shù)；

5. 最后是試振，用上述方法選擇的參數(shù)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(guī)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(shù)。

柴油機機體取兩件，其中一件做工藝參數(shù)的選擇，另一件是用反復試振選擇一組參數(shù)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(shù)的合理性，較終確定工藝參數(shù)。

殘余應力數(shù)據(jù)分析

對振動處理后的機體做殘余應力測試，結(jié)果見表2。從數(shù)據(jù)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(shù)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(jié)

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(chǎn)中。

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