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(yīng)力，殘余應(yīng)力主要包括機體鑄件殘余應(yīng)力和冷加工殘余應(yīng)力的矢量和，所以需要對柴油機機體進行消除殘余應(yīng)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(yīng)力，并對振動時效前后的殘余應(yīng)力值進行檢測，定量判斷振動時效效果。
柴油機機體結(jié)構(gòu)
柴油機機體是V型結(jié)構(gòu)，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最大強度和剛度設(shè)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(yīng)力測試
盲孔法是常用的殘余應(yīng)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(yīng)力測試，儀器為聚航科技生產(chǎn)的JHMK殘余應(yīng)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、頂面及斷面各布置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(yīng)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(yīng)力水平 | -188.7 | -167 |
殘余應(yīng)力數(shù)據(jù)分析
由表1可知，粗加工后機體內(nèi)應(yīng)力水平不算太高，但是有個明顯的特點，即應(yīng)力分布不均勻，如垂直機體長度的方向的應(yīng)力ε⊥中，第9點為-300MPa，而最小的第6點只有-119MPa。這種不均勻分布是造成結(jié)構(gòu)易變形的根源，需要粗加工后進行處理，降低均勻殘余應(yīng)力。
振動時效工藝
根據(jù)機體長寬高比率的結(jié)構(gòu)特點，分析它的共振頻率較高。根據(jù)結(jié)構(gòu)動力學的原理，工作時其支撐位置應(yīng)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)，拾振器放在工件左前端。
振動時效工藝參數(shù)的選擇
設(shè)備采用聚航科技的JH-300A振動時效設(shè)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(shè)備上。調(diào)整激振力的檔級，開始放在最小為宜。根據(jù)初步估算，動應(yīng)力較大的點在工件前端，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(shè)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(yīng)力的曲線也將出現(xiàn)一個最大值，一直掃頻到設(shè)備的額定頻率。
2. 觀察在設(shè)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(yīng)力的最大值。
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)生最大的振幅。并根據(jù)動應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)力測試，得出消除率來檢驗參數(shù)的合理性，最終確定工藝參數(shù)。
殘余應(yīng)力數(shù)據(jù)分析
對振動處理后的機體做殘余應(yīng)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(yīng)力得到了降低，應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)力，完全符合GB/T25713-2010標準要求。
2. 通過振動時效處理，降低鑄件中的殘余應(yīng)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。
