振动时效消除液压支架油缸缸筒残余应力的应用与研究

　　0　引言

　　液压支架千斤顶油缸使用过程中一般受到高压作用,通常工艺为管料调质后进行粗车、推镗、精车等机械加工,特别是推镗过程会产生较大的加工应力,在加工后缸筒产生明显的变形,不能满足设计公差的要求,严重时会造成废品。传统的时效处理方法有自然时效法和热时效法。自然时效法处理周期长,效果差;热时效法不仅成本高,还可能改变材料的微观结构与性能。与上述两种方法相比较,振动时效具有明显的优点,它能使构件的机械性能显著提高,且使用方便、耗能低、耗时短,具有很强的适应性[1],本文应用先进的频振动时效方法有效均化了液压支架油缸的加工残余应力,改善了加工应力引起的变形。

　　1　振动时效的原理

　　振动时效,又称为“VSR”方法,又称振动消除应力法,是利用共振原理消除和均化金属结构件内部残余应力,可取代传统的自然时效和热时效的一种新工艺方法[1-2]。即利用工件的共振对工件施加交变应力或变形,当附加交变应力的幅值与工件某点的残余应力叠加达到或超过材料的屈服极限时,工件发生微观或宏观弹塑性变化;若这种交变应力使工件内部的某些点产生晶格滑移,尽管宏观上没有达到屈服极限,但在微观上会产生塑性变形,而且这种变形一般发生在残余应力最大的点上,因此这种受约束的变形得以释放,从而降低和均化工件内的残余应力,并使其尺寸精度达到稳定。这就是振动时效的原理[4-11]。

　　振动时效过程是将一个具有偏心重块的电动机(即激振器)安放在工件上,并将工件用橡皮垫等弹性物体支承起来,通过振动控制器调节电机转速,使电机的转动频率接近工件的固有频率,构件与激振器处于共振状态,产生最大的交变应力。

　　2　振动时效前后残余应力的检测

　　本文采用频谱谐波振动对缸筒施加共振,为了对振动时效应力消除效果进行检测,在频谱谐波振动时效前后采用金属磁记忆应力检测仪进行应力检测。金属磁记忆应力检测仪检测方法的基本原理是金属在残余应力集中区域中产生漏磁场现象,而漏磁场的变化反映导磁率张量,这一张量相当于金属在载荷作用下形成的变形或应力张量。通过金属磁记忆应力检测仪对实验工件(缸筒类零件)振动前后漏磁场分布的检测,判断工件内部残余应力分布情况,从而直观地观察振动时效前后应力消除和均化效果。

　　3　振动时效处理方案

　　采用振动时效处理工艺,整体调整工件的残余应力分布状态,使之达到均化、消除的目的,主要从以下三方面考虑进行时效处理:一是根据缸筒的形状及焊接情况,对工件进行合理的支撑、装卡激振器;二是根据缸筒焊接的部位和方向,选择合理的振型,以期均化和消除缸筒高峰值点的残余应力;三是根据工艺要求合理地调整激振力,激振力方向和时间的长短,应力分布状态,使之达到均化的目的,以使处于焊缝区的残余应力得到松弛和均化。考虑到缸筒的具体结构形式,采用四点支撑方式。