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數控機床床身在鑄造和機械加工等工藝過程中，由于受熱或受力不均勻，其內部都會產生不同程度的殘余應力。殘余應力的存在，極大地影響了機床床身的尺寸穩定性、剛度、強度和機械加工性能等，嚴重影響著機床的裝配和正常使用。振動時效技術是繼熱時效和自然時效后的一項環保型新技術。基本思想是通過對應力工件施以循環載荷，使工件內應力釋放，從而使工件殘余應力降低，達到時效之目的。
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: e$ B- M8 ^; `' X* N 本文針對大型數控機床床身的特點，進行了大型數控機床床身振動時效機理、振動時效工藝和振動時效效果的研究，得到了大型數控機床床身振動時效工藝的工藝規范，提高了機床床身的尺寸穩定性、剛度、強度和機械加工性能等。
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: ^( ?" b/ n3 W! R 1 數控機床床身振動時效機理 # N7 u O& C! S7 e
8 [9 e, g7 k0 m; l+ e6 h 從材料的應力應變特性角度分析。工程上采用的材料都不是理想的彈性體，其內部存在著不同類型的微觀缺陷，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力集中。振動時效消除殘余應力的必要條件是動應力（激振力）和殘余應力之和大于材料的屈服極限。5 x: M1 }7 h6 i( w/ L" Q
在工件內殘余應力的高峰值處將產生局部屈服，引起微小塑性變形，使得工件內部殘余應力高峰值降低和殘余應力重新均勻分布，使工件內原來不穩定的殘余應力得到松弛和勻化；同 時，由于包辛格效應，經過一段時間循環后，工件的屈服極限上升，直到與所受應力相等，工件內部不再產生新的塑性變形，工件的彈性性能得到強化，金屬基體達到強化，增強了抗變形能力，提高了工件尺寸精度穩定性。4 D: T0 u L/ x4 f* p7 s$ @
/ b( A& @. j z5 z6 J. @, a) ^. f4 V( B 機床床身的應力集中區，絕大部分是在工件的微觀缺陷區，如位錯、空位、夾雜等，引起金屬內缺陷區大量位錯移動。位錯滑移一開始就相當于晶體開始屈服，工件的自變形就是位錯滑移的結果。如果有某種方式使易動位錯先滑移，余下位錯不易滑移，其最終結果就可減少構件的自變形使尺寸穩定。位錯運動一方面產生位錯增殖及亞結構的變化；另一方面使晶體產生微觀塑性變形。位錯增殖及亞結構的變化將使金屬發生強烈的加工硬化，即繼續塑性變形的抗力增大，強度大大提高，從而提高工件抗變形能力和尺寸穩定性。而金屬晶體的微觀塑性變形將使高殘余應力得以釋放，消除或降低應力集中，達到均化應力的目的。 - G, E( P! K7 u9 _1 X& t" g/ S; K
從以上分析可知：當工件受到動應力的作用時，在其內部激起局部應變，應力集中越大的區域產生的應變也越大，結果耗掉了應力峰值，使應力均化并降低。6 e$ Z" l0 o* K
% T: N7 {* m# ]% a$ |/ e 2數控機床床身振動時效工藝
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6 B( G0 z( h) |: Z/ e. g+ m9 ]2 m% n 振動時效的大型數控機床床身特點如下：4 U; O1 C/ i! I# W; i% A
（1）其機床床身的結構較長；$ G/ {# o1 r$ ?# u8 J
（2）機床床身內部的加強筋較多； l- H8 B* S+ c2 _6 S6 x. a
（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； C) d H. p1 T# m# K% y
（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。數控機床的床身為鑄件，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。
1 c- E6 L9 n8 o: e* h& h% R9 j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。
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HK振動時效消除機床導軌應力
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. [# d4 }: B( M" Y( e1 R- X" B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。 ! e( b) F% o; e! P* E: N2 e
) {( x) }" }8 D 2.1支撐點的選擇
+ w( m9 _+ {. F% e* m* }! u 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。 6 [7 T' }; g0 v2 n9 q0 C9 D6 m
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2.2 激振點和傳感器位置選擇 $ x y* n* u% P2 L! U4 `* M
當對工件進行振動時，其振動值最大處稱為波峰。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。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，傳感器固定在遠離激振器且振幅較大的床身靠端部的平面導軌上
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' Q; ^$ ?, I! W& K1 i! S- u7 `8 K8 ~ 2.3 主振頻率的確定
7 U& s7 Q% g6 K- _ 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，即最大加速度值的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。
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. ?' A, z# V2 ~" ?/ y 2.4激振力的確定 " k: H+ U6 p7 q! o' e/ }
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。 3 E& G3 w, O* g D5 i
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3 結束語 ; j9 {7 ~1 h9 x1 {( J
利用振動時效消除機床床身鑄件殘余應力長期實踐表明，振動時效能有效地消除和均化機床床身的殘余應力，并取得明顯的效果；振動時效工藝大大縮短了機床床身的制造時間，提高了生產效率和經濟效益，解決了制造過程的變形問題，提高了機械制造質量。
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發表于 2018-8-31 11:34:12
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