振动时效技术在齿轮箱加工中的应用

■ 淄柴动力有限公司 （山东淄博 255000） 李西望 梁艳辉 赵 辉

我公司生产的齿轮箱体是铸铁件，外形尺寸为790mm×760mm，厚度为105mm。箱体内部是空腔，壁厚为15mm，属于薄壁件。箱体两端面为7级精度要求，表面粗糙度值Ra=3.2μm。两端面是在立式车床上经过粗、精车两道工序加工，加工后经过检验，两端面的平面度、平行度超差。经过分析认为，薄壁件在加工过程中易产生塑性变形、热变形和残余应力变形，其中残余应力是引起零件变形的主要原因。铸件存在两种残余应力：一种是铸造残余应力；另一种是加工残余应力。铸造残余应力可以通过退火处理，释放残余应力后以平衡状态存在于零件内部。在切削加工中，由于材料的去除，打破了原来残余应力的平衡状态，从而引起零件的变形，最终影响零件的尺寸精度、几何精度及尺寸的稳定性，由此可以确定，加工残余应力是引起零件在加工中变形的主要原因，因此消除加工残余应力是必要的。

1. 消除加工残余应力方法的选用

目前消除加工残余应力常用的方式是时效处理，时效方式有：自然时效、热时效、振动时效和频谱谐波时效等。由于我公司的齿轮箱体体积小、产量高，因此选用一种合适、合理及性价比较好的时效方式是很重要的。通过表1的时效方式对比，选用振动时效处理作为消除加工残余应力的方法。

2. 振动时效工艺方案设计

（1）工艺路线的确定 为了消除齿轮箱体加工残余应力，决定在原工艺路线中增加一道振动时效处理工序。根据振动时效使用的技术要求及安排，应在粗加工后、精加工前增加振动时效工序。工艺路线对比如下。原工艺路线：铸造→退火处理→粗加工→精加工。新工艺路线：铸造→退火处理→粗加工→振动时效处理→精加工。

表1 时效方式对比

（2）装夹方式 激振器装夹方式有两种，一种是直接装夹方式，直接用弓形钢把激振器装夹在工件上，适用于大型、产量少的工件；另一种是辅助工装装夹方式，激振器不能直接装夹在工件上，需要通过时效平台对工件进行时效，适用于小型、产量大的工件。我公司的齿轮箱体属于小型工件，且产量较大，因此采用辅助工装装夹齿轮箱体，进行振动时效处理，振动效率高。

（3）时效平台的设计制作 为了提高振动时效效率，按照一次装夹6件齿轮箱体设计时效平台。时效平台的设计原则是：长宽比为2∶1、厚度一般不低于50mm的钢板；工作面表面粗糙度质量要高于被时效工件，另一平面用加强筋固定，防止平面变形。我公司选用的时效平台材料为Q235A，钢板厚度为60mm，尺寸为3 000mm×1 500mm。在钢板底面焊接4个宽140mm的槽钢作为加强筋。为了消除工装焊接应力，先对时效平台进行时效振动，然后对工作平面进行精铣，来保证时效平台的平面度。要求工作面表面粗糙度值Ra=6.3μm，小于工件粗加工时的表面粗糙度值Ra=12.5μm。振动时效平台如图1所示。

3. 振动时效工艺参数的选择

（1）激振点位置的选择 激振点就是激振器在时效平台上装夹的位置。由于振动时效平台长宽比为2∶1，且长与厚之比＞5，所以激振点在时效平台长度方向的中间位置，即激振器应该装夹在长度方向的中间位置。

（2）工件的定位压紧 为了提高零件的振动效果，由于在节线处振动值最小，要避免把工件装夹在时效平台的节线处。在确定激振点的位置后，通过对时效平台的振动，利用撒切屑法来判断节线位置，切屑集中的地方为时效平台的节线处。本时效平台有两处节线，分布在时效平台距两端的800mm处，在长度方向约2/9处，与经验值相吻合。工件装夹在时效平台的中间和两端处，通过压板和螺栓紧固工件，螺栓必须具有足够的强度，选用M20双头螺栓，并用螺母固定在时效平台上，且压板必须双边压实工件。

图1 振动时效平台

（3）支撑位置的选择 根据支撑点确定原则，支撑点尽可能选择在振动节线处。前面已经确定了节线处，在节线处放置支撑体。支撑体常选用有一定弹性的材料，这里采用的是圆形橡胶垫，将4个橡胶垫分别支撑在两节线两端，如图2所示。

（4）拾振点位置的选择 在确定了激振点和节线后，拾振点的位置应该远离激振点和节线，故选在激振点对角处。激振点、支撑点及工件装夹位置如图3所示。

（5）激振频率的选择 由于齿轮箱体结构简单、体积小，选用的是一阶弯曲振动，也是目前常用的振型。一阶振动易使残余应力释放。公司采购的是VSR-环天968型振动时效仪，它能自动在一定的频率范围内通过拾振器扫描出一阶共振频率为5 000r/min，加速度最大值达到15g。振动时效处理一般选择在亚共振区内，在亚共振区内进行振动时效处理时，不会对工件造成任何疲劳损坏。在亚共振区内选择共振频率的1/3～2/3处为激振频率，故设置激振频率在2 000～3 000r/min。

（6）激振力的确定 激振力的大小是通过工件承受动应力大小来衡量的，VSR-环天968型振动时效仪通过改变偏心轮的距离来调节激振力的大小。主振峰时效装置的偏心位置，应在工件的动应力峰值达到工作应力的1/3～2/3处，但要与降低噪声相结合。因此设置偏心挡4挡。

图2 激振点、支撑点及工件装夹位置设计

图3 激振点、支撑点及工件装夹位置

（7）振动时间的确定 时效平台和工件的质量在3t左右，振动时间30min即可。由于齿轮箱体是薄壁件，加工残余应力不均匀情况比较严重，为了使齿轮箱体的加工残余应力消除和均化到理想程度，将振动时间延长至40min。

4. 试验结果分析

在工艺方案确定、时效平台制作完成及工艺参数确定后，进行了振动时效试验。试验结果依据JB/T 5926－2005振动时效效果评定方法进行判定，出现下列情况之一时，即可判定为达到振动时效工艺效果：①振幅－时间（a－t）曲线上升后变平。②振幅－频率（a－f）曲线振后比振前的峰值升高、峰值点左移。

经试验，得出振幅－时间（a－t）曲线如图4所示，振幅－频率（a－f）曲线如图5所示。

由图4可以看出，曲线先上升后变平，加速度基本维持在12.1g左右；由图5可以看出，振前峰值在2 792r/min处为9.8g，振后峰值在2 682r/min处为12.1g，振后峰值比振前峰值升高且峰值点左移。试验结果符合JB/T 5926－2005振动时效效果评定方法中规定的判定条件，因此判定振动时效可达到工艺要求的效果。

图4 振幅－时间（a－t）曲线

图5 振幅－频率（a－f）曲线

5. 结语

采用振动时效工艺消除薄壁件加工中存在的残余应力，最终使齿轮箱两端平面的平面度、平行度达到了设计要求，说明振动时效工艺对消除加工残余应力十分有效。