采用振动时效工艺预防柴油机机体变形

某厂新研发了一款w型大功率电喷柴油机，在进行性能试验后，对机体尺寸精度及各项形位公差进行重新检测，发现机体变形严重。而产生变形的原因之一就是残余应力，残余应力主要包括机体铸件残余应力和冷加工残余应力的矢量和，所以需要对柴油机机体进行消除残余应力处理。经过多次研究讨论后，决定采用振动时效工艺消除机体残余应力，并对振动时效前后的残余应力值进行检测，定量判断振动时效效果。
柴油机机体结构
柴油机机体是v型结构，油管为衬管铸造，外形尺寸为4500*1480*1390，机体材料为球墨铸铁。w型柴油机机体是一个满足较大强度和刚度设计的整体铸造件，用来安装曲轴、凸轮轴、动力组和其他安装在柴油机上的附件，铸件还包括安装座。内部通道有主机油道和冷却水通道。
退火并粗加工后机体残余应力测试
盲孔法是常用的残余应力测试方法之一，易于现场操作，精度高。本次采用盲孔法对退火并粗加工后机体进行残余应力测试，仪器为聚航科技生产的jhmk残余应力测试系统。
试件的选取
随机取一台经过退火处理并经过粗加工的柴油机体，粗加工后机体留量2mm作为测试的试件。
测点布置
在机体的侧面、**面及断面各布置9个测点，测得的的数据见表1。
表1 w型柴油机机体应力检测
点号
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
应力水平
-188.7
-167
残余应力数据分析
由表1可知，粗加工后机体内应力水平不算太高，但是有个明显的特点，即应力分布不均匀，如垂直机体长度的方向的应力ε⊥中，*9点为-300mpa，而较小的*6点只有-119mpa。这种不均匀分布是造成结构易变形的根源，需要粗加工后进行处理，降低均匀残余应力。
振动时效工艺
根据机体长宽高比率的结构特点，分析它的共振频率较高。根据结构动力学的原理，工作时其支撑位置应尽量选在机体共振时的节线处，以保证工件共振时不消耗能量和产生噪声。根据国内外振动时效工艺的实践经验，当工件的长与宽之比大于3，长与厚之比大于5时，则认为工件是梁型，在机体一侧距两端各2/9处用两位支撑，机体另一侧居中处用一位支撑。
将激振器装夹在输出端台面右侧，拾振器放在工件左**。
振动时效工艺参数的选择
设备采用聚航科技的jh-300a振动时效设备，将机体放置好，然后将激振器刚性固定连接到振动时效设备上。调整激振力的档级，开始放在较小为宜。根据初步估算，动应力较大的点在工件**，打磨并安装拾振器，上述准备工作完成后，开始选择振动时效工艺参数，过程如下：
1.使用该设备的手动调频，同时观察控制器绘制的曲线。当机体出现共振现象时，振幅频率将出现一个波峰，动应力的曲线也将出现一个较大值，一直扫频到设备的额定频率。
2.观察在设备允许的范围内机体出现的共振次数及其共振频率和在共振情况下动应力的较大值。
3.观察在每个共振频率下机体的共振形式，以调整支撑位置到节线上。在停机后再适当调整激振器的位置，使机体产生较大的振幅。并根据动应力测试的结果，多次反复调整激振器的偏心档级。
4.根据上述试振情况，确定了试验性振动处理工艺参数，包括激振频率。激振档级等主要参数作为试振时的处理参数；
5.最后是试振，用上述方法选择的参数对被试油底壳进行全程振动时效处理，观察振动加速度的变化规律，时间-振幅曲线应是上升、上升-下降、下降型三种中的一种，振幅-频率曲线上的共振峰应该是升高并左移，如果均符合要求，则该组曲线即可作为机体初定工艺参数。
柴油机机体取两件，其中一件做工艺参数的选择，另一件是用反复试振选择一组参数处理，并做振前振后的残余应力测试，得出消除率来检验参数的合理性，较终确定工艺参数。
残余应力数据分析
对振动处理后的机体做残余应力测试，结果见表2。从数据中可知，振动时效处理后机体的残余应力得到了降低，应力得到明显的均化。其降低率在40%以上，说明达到了标准，振动处理有效。
表2 w型柴油机机体振动时效前后残余应力数值
振动时效后
σ⊥
%
σ//
%
点号
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
应力水平
-188.7
-105.5
-44.1
-167
-97.8
-41.4
总结
1.铸件中的残余应力是造成铸件变形和开裂的主要原因之一。研究表明，粗加工后的柴油机机体采用振动时效处理工艺，可有效地降低柴油机机体铸件的残余应力，完全符合gb/t25713-2010标准要求。
通过振动时效处理，降低铸件中的残余应力，有效地防止了柴油机机体的变形，可用于w型柴油机机体批量生产中。
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