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振動時效的大型數控機床床身結構特點如下：
(1)其機床床身的結構較長,長度為8800mm;
(2)機床床身內部的加強筋較多;
(3)機床床身在鑄造過程中,導軌面朝下,澆注口和冒口在兩端;
(4)由于機床床身鑄造后變形量較大,則鑄造時給粗加工留有較大的加工余量。
該大型數控機床的床身為鑄件,材質是HT300,其外形尺寸為8800mm×1300mm×660mm。由于機床床身在鑄造及粗加工后,存在有殘余應力,且殘余應力不穩定性,造成應力松弛和應力的再分布,使工件產生變形,影響機床精度,因此需要在粗加工后進行振動時效處理消除殘余應力。
振動時效處理設備采用振動時效裝置,電機調速范圍為1000～10000r/s,zui大激振力為10kN,加速度測量范圍為0～50g。由振動時效機理分析可知:振動時效是基于諧波共振原理。在振動時效過程中工件處在外部激振器激振力的持續作用下,零件處于“受迫振動”時的一個特殊狀態,即在激振器所產生的周期性外力的作用下使零件產生共振,從而使工件的殘余應力得到部分消除和均布,從而達到時效的目的。
由振動理論可知,振動時效工藝方案的確定包括以下6個方面的內容:(1)支撐點的選擇;(2)激振點的選擇;(3)傳感器安放位置;(4)主振頻率的確定;(5)激振力的大小;(6)振動時間的確定。
1、支撐點的選擇
機床床身的支撐選用4個橡膠墊作支撐,支撐點選擇在機床床身振動的節線處。選擇節線處作支撐點,以避免零件和支撐物在振動時因相互撞擊而消耗能量和產生噪音,同時可以減小能量,獲得較大的振幅。其方法是在振動時,在機床床身的導軌面上拋撒砂子,砂子聚集處位置為節線位置,將位置作為支撐點。
2、激振點和傳感器位置選擇
當對工件進行振動時,其振動值zui大處稱為波峰。激振器夾持在工件波峰處,這樣激振器即可以zui小能量激發工件產生較大振動。傳感器放置在另一波峰處有利于振動信號的拾取,因為傳感器所拾取的信號一般需經放大器放大后才能進行后續處理。
3、主振頻率的確定
激振頻率的選擇與工件本身的形狀、重量、材質和剛性等因素有關。機床床身的固有頻率用振動時效設備的掃頻功能來確定。在掃頻的過程中,工件有時候會出現幾個共振峰。在一般情況下,時效處理應選擇在一階亞共振區進行,亞共振區是指一階共振峰的前沿,即zui大加速度值的1/3～2/3處,這一點的頻率就是振動主頻率,這樣不會對工件造成疲勞損傷,相反還會提高工件的疲勞壽命。
4、激振力的確定
振動時效時激振力使機床床身產生動應力。振動時效裝置的激振力是偏心質量旋轉產生的離心力(F=meω2sinωt)。激振力的大小通過調節偏心距e獲得,所以振動時效是簡諧激勵下的受迫振動。機床床身內部動應力的大小除與激振力的大小有關外,還與振型、頻率等有關,即與機床床身的剛度和振動時的支撐狀態有關,也就是說當激振頻率和振型為機床床身的某價固有頻率和振型時,才可以發生共振,獲得較大振幅,相應的動應力也較大,降低殘余應力的效果也較好。根據振動時效機理,確定激振力大小的原則是激振器產生的動應力的幅值與殘余應力之和應稍大于機床床身的屈服強度,而動應力的值應小于疲勞極限。
5、振動時間的確定
在振動時效處理過程中,隨著殘余應力的降低和均化,工件的振動頻率及振幅等均隨之發生變化。以振幅-時間曲線為例,振幅-時間曲線的“升高”是殘余應力下降、結構阻尼減小的反映;而振幅-時間曲線的“變平”表明振動附加動應力與殘余應力的疊加已不能引起任何部位的塑性變形,即式(1),(2)已不成立,延長一段時間的目的是為了使殘余應力得到進一步釋放以穩定振動處理效果。實踐證明振動處理的前5min殘余應力變化zui快,15min后基本處于穩定,說明殘余應力下降到一定程度后就不再發生變化了。因此選擇在主振頻率處,進行振動時效處理15min,在附振處分別振動時效處理5min。
