數(shù)控機(jī)床床身在鑄造和機(jī)械加工等工藝過(guò)程中,由于受熱或受力不均勻,其內(nèi)部都會(huì)產(chǎn)生不同程度的殘余應(yīng)力。殘余應(yīng)力的存在,極大地影響了機(jī)床床身的尺寸穩(wěn)定性、剛度、強(qiáng)度和機(jī)械加工性能等,嚴(yán)重影響著機(jī)床的裝配和正常使用。振動(dòng)時(shí)效技術(shù)是繼熱時(shí)效和自然時(shí)效后的一項(xiàng)環(huán)保型新技術(shù)。基本思想是通過(guò)對(duì)應(yīng)力工件施以循環(huán)載荷,使工件內(nèi)應(yīng)力釋放,從而使工件殘余應(yīng)力降低,達(dá)到時(shí)效之目的。; g8 B! L/ X s. \
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本文針對(duì)大型數(shù)控機(jī)床床身的特點(diǎn),進(jìn)行了大型數(shù)控機(jī)床床身振動(dòng)時(shí)效機(jī)理、振動(dòng)時(shí)效工藝和振動(dòng)時(shí)效效果的研究,得到了大型數(shù)控機(jī)床床身振動(dòng)時(shí)效工藝的工藝規(guī)范,提高了機(jī)床床身的尺寸穩(wěn)定性、剛度、強(qiáng)度和機(jī)械加工性能等。 9 Y7 D3 W; e7 O, e% E
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1 數(shù)控機(jī)床床身振動(dòng)時(shí)效機(jī)理 ! c, U2 ]7 Y9 ~. P* M( Z& O! V( r
: n( b% T; d" M 從材料的應(yīng)力應(yīng)變特性角度分析。工程上采用的材料都不是理想的彈性體,其內(nèi)部存在著不同類(lèi)型的微觀缺陷,鑄鐵中更是存在著大量形狀各異的切割金屬基體的石墨,其中的微觀缺陷附近都存在著不同程度的應(yīng)力集中。振動(dòng)時(shí)效消除殘余應(yīng)力的必要條件是動(dòng)應(yīng)力(激振力)和殘余應(yīng)力之和大于材料的屈服極限。
. x" M- W) d7 g在工件內(nèi)殘余應(yīng)力的高峰值處將產(chǎn)生局部屈服,引起微小塑性變形,使得工件內(nèi)部殘余應(yīng)力高峰值降低和殘余應(yīng)力重新均勻分布,使工件內(nèi)原來(lái)不穩(wěn)定的殘余應(yīng)力得到松弛和勻化;同 時(shí),由于包辛格效應(yīng),經(jīng)過(guò)一段時(shí)間循環(huán)后,工件的屈服極限上升,直到與所受應(yīng)力相等,工件內(nèi)部不再產(chǎn)生新的塑性變形,工件的彈性性能得到強(qiáng)化,金屬基體達(dá)到強(qiáng)化,增強(qiáng)了抗變形能力,提高了工件尺寸精度穩(wěn)定性。
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2 i/ C: Z* N5 O2 v$ r/ z 機(jī)床床身的應(yīng)力集中區(qū),絕大部分是在工件的微觀缺陷區(qū),如位錯(cuò)、空位、夾雜等,引起金屬內(nèi)缺陷區(qū)大量位錯(cuò)移動(dòng)。位錯(cuò)滑移一開(kāi)始就相當(dāng)于晶體開(kāi)始屈服,工件的自變形就是位錯(cuò)滑移的結(jié)果。如果有某種方式使易動(dòng)位錯(cuò)先滑移,余下位錯(cuò)不易滑移,其最終結(jié)果就可減少構(gòu)件的自變形使尺寸穩(wěn)定。位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)一方面產(chǎn)生位錯(cuò)增殖及亞結(jié)構(gòu)的變化;另一方面使晶體產(chǎn)生微觀塑性變形。位錯(cuò)增殖及亞結(jié)構(gòu)的變化將使金屬發(fā)生強(qiáng)烈的加工硬化,即繼續(xù)塑性變形的抗力增大,強(qiáng)度大大提高,從而提高工件抗變形能力和尺寸穩(wěn)定性。而金屬晶體的微觀塑性變形將使高殘余應(yīng)力得以釋放,消除或降低應(yīng)力集中,達(dá)到均化應(yīng)力的目的。
' D6 V- a6 M. K8 |+ z 從以上分析可知:當(dāng)工件受到動(dòng)應(yīng)力的作用時(shí),在其內(nèi)部激起局部應(yīng)變,應(yīng)力集中越大的區(qū)域產(chǎn)生的應(yīng)變也越大,結(jié)果耗掉了應(yīng)力峰值,使應(yīng)力均化并降低。
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2數(shù)控機(jī)床床身振動(dòng)時(shí)效工藝
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: j0 g2 @3 r! x7 r4 @ 振動(dòng)時(shí)效的大型數(shù)控機(jī)床床身特點(diǎn)如下:
r6 |8 A6 P. N8 y2 w' M' u(1)其機(jī)床床身的結(jié)構(gòu)較長(zhǎng);
5 Z# T1 i3 f8 U& S$ H# L4 y(2)機(jī)床床身內(nèi)部的加強(qiáng)筋較多;; r# g* W7 L' W8 X; b7 D
(3)機(jī)床床身在鑄造過(guò)程中,導(dǎo)軌面朝下,澆注口和冒口在兩端;
+ D! \3 {9 l( G) }* d# R- L0 a(4)由于機(jī)床床身鑄造后變形量較大,則鑄造時(shí)給粗加工留有較大的加工余量。數(shù)控機(jī)床的床身為鑄件,由于機(jī)床床身在鑄造及粗加工后,存在有殘余應(yīng)力,且殘余應(yīng)力不穩(wěn)定性,造成應(yīng)力松弛和應(yīng)力的再分布,使工件產(chǎn)生變形,影響機(jī)床精度,因此需要在粗加工后進(jìn)行振動(dòng)時(shí)效處理消除殘余應(yīng)力。
" t+ c) d, ?/ |振動(dòng)時(shí)效是基于諧波共振原理。在振動(dòng)時(shí)效過(guò)程中工件處在外部激振器激振力的持續(xù)作用下,零件處于“受迫振動(dòng)”時(shí)的一個(gè)特殊狀態(tài),即在激振器所產(chǎn)生的周期性外力的作用下使零件產(chǎn)生共振,從而使工件的殘余應(yīng)力得到部分消除和均布,從而達(dá)到時(shí)效的目的。7 K( s8 ^! z3 N; B0 D& s9 s
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HK振動(dòng)時(shí)效消除機(jī)床導(dǎo)軌應(yīng)力 $ ~! p+ J6 R9 I _7 `* D
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振動(dòng)時(shí)效工藝方案的確定包括以下6個(gè)方面的內(nèi)容: (1)支撐點(diǎn)的選擇; (2)激振點(diǎn)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; (6)振動(dòng)時(shí)間的確定。
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7 S* F$ \- _: n 2.1支撐點(diǎn)的選擇 4 \- r+ n5 V. f8 k4 b4 q9 I
機(jī)床床身的支撐選用4個(gè)橡膠墊作支撐,支撐點(diǎn)選擇在機(jī)床床身振動(dòng)的節(jié)線處。選擇節(jié)線處作支撐點(diǎn),以避免零件和支撐物在振動(dòng)時(shí)因相互撞擊而消耗能量和產(chǎn)生噪音,同時(shí)可以減小能量,獲得較大的振幅。其方法是在振動(dòng)時(shí),在機(jī)床床身的導(dǎo)軌面上拋撒砂子,砂子聚集處位置為節(jié)線位置,將位置作為支撐點(diǎn)。 / B5 d) y O, g% a, W% H) O* R
) M4 ?: Z2 v' m+ v% n6 k 2.2 激振點(diǎn)和傳感器位置選擇
- A1 K2 N- t! ] 當(dāng)對(duì)工件進(jìn)行振動(dòng)時(shí),其振動(dòng)值最大處稱為波峰。激振器夾持在工件波峰處,這樣激振器即可以最小能量激發(fā)工件產(chǎn)生較大振動(dòng)。傳感器放置在另一波峰處有利于振動(dòng)信號(hào)的拾取,因?yàn)閭鞲衅魉叭〉男盘?hào)一般需經(jīng)放大器放大后才能進(jìn)行后續(xù)處理。圖1所示是將激振器剛性地固定在床頭箱部位一邊的波峰處,傳感器固定在遠(yuǎn)離激振器且振幅較大的床身靠端部的平面導(dǎo)軌上 : N- v) B! M7 f0 y! M: g& O
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2.3 主振頻率的確定 6 V7 z, \4 f g
激振頻率的選擇與工件本身的形狀、重量、材質(zhì)和剛性等因素有關(guān)。機(jī)床床身的固有頻率用振動(dòng)時(shí)效設(shè)備的掃頻功能來(lái)確定。在掃頻的過(guò)程中,工件有時(shí)候會(huì)出現(xiàn)幾個(gè)共振峰。在一般情況下,時(shí)效處理應(yīng)選擇在一階亞共振區(qū)進(jìn)行,亞共振區(qū)是指一階共振峰的前沿,即最大加速度值的1/3~2/3處,這一點(diǎn)的頻率就是振動(dòng)主頻率,這樣不會(huì)對(duì)工件造成疲勞損傷,相反還會(huì)提高工件的疲勞壽命。
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1 ]* a% A, f9 J 2.4激振力的確定
" S% n) Y* F5 _7 w7 S 激振力的大小通過(guò)調(diào)節(jié)偏心距e獲得,所以振動(dòng)時(shí)效是簡(jiǎn)諧激勵(lì)下的受迫振動(dòng)。機(jī)床床身內(nèi)部動(dòng)應(yīng)力的大小除與激振力的大小有關(guān)外,還與振型、頻率等有關(guān),即與機(jī)床床身的剛度和振動(dòng)時(shí)的支撐狀態(tài)有關(guān),也就是說(shuō)當(dāng)激振頻率和振型為機(jī)床床身的某價(jià)固有頻率和振型時(shí),才可以發(fā)生共振,獲得較大振幅,相應(yīng)的動(dòng)應(yīng)力也較大,降低殘余應(yīng)力的效果也較好。根據(jù)振動(dòng)時(shí)效機(jī)理,確定激振力大小的原則是激振器產(chǎn)生的動(dòng)應(yīng)力的幅值與殘余應(yīng)力之和應(yīng)稍大于機(jī)床床身的屈服強(qiáng)度,而動(dòng)應(yīng)力的值應(yīng)小于疲勞極限。
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% E( O( z8 P2 {6 K; I7 a- E 3 結(jié)束語(yǔ) " l Q$ D7 i% }* [- b
利用振動(dòng)時(shí)效消除機(jī)床床身鑄件殘余應(yīng)力長(zhǎng)期實(shí)踐表明,振動(dòng)時(shí)效能有效地消除和均化機(jī)床床身的殘余應(yīng)力,并取得明顯的效果;振動(dòng)時(shí)效工藝大大縮短了機(jī)床床身的制造時(shí)間,提高了生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效益,解決了制造過(guò)程的變形問(wèn)題,提高了機(jī)械制造質(zhì)量。
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