振动时效的大型数控机床床身结构特点如下：
(1)其机床床身的结构较长,长度为8800mm;
(2)机床床身内部的加强筋较多;
(3)机床床身在铸造过程中,导轨面朝下,浇注口和冒口在两端;
(4)由于机床床身铸造后变形量较大,则铸造时给粗加工留有较大的加工余量。

   该大型数控机床的床身为铸件,材质是HT300,其外形尺寸为8800mm×1300mm×660mm。由于机床床身在铸造及粗加工后,存在有残余应力,且残余应力不稳定性,造成应力松弛和应力的再分布,使工件产生变形,影响机床精度,因此需要在粗加工后进行振动时效处理消除残余应力。

    振动时效处理设备采用振动时效装置,电机调速范围为1000～10000r/s,zui大激振力为10kN,加速度测量范围为0～50g。由振动时效机理分析可知:振动时效是基于谐波共振原理。在振动时效过程中工件处在外部激振器激振力的持续作用下,零件处于“受迫振动”时的一个特殊状态,即在激振器所产生的周期性外力的作用下使零件产生共振,从而使工件的残余应力得到部分消除和均布,从而达到时效的目的。

     由振动理论可知,振动时效工艺方案的确定包括以下6个方面的内容:(1)支撑点的选择;(2)激振点的选择;(3)传感器安放位置;(4)主振频率的确定;(5)激振力的大小;(6)振动时间的确定。

1、支撑点的选择

   机床床身的支撑选用4个橡胶垫作支撑,支撑点选择在机床床身振动的节线处。选择节线处作支撑点,以避免零件和支撑物在振动时因相互撞击而消耗能量和产生噪音,同时可以减小能量,获得较大的振幅。其方法是在振动时,在机床床身的导轨面上抛撒砂子,砂子聚集处位置为节线位置,将位置作为支撑点。

2、激振点和传感器位置选择

   当对工件进行振动时,其振动值zui大处称为波峰。激振器夹持在工件波峰处,这样激振器即可以zui小能量激发工件产生较大振动。传感器放置在另一波峰处有利于振动信号的拾取,因为传感器所拾取的信号一般需经放大器放大后才能进行后续处理。

3、主振频率的确定

    激振频率的选择与工件本身的形状、重量、材质和刚性等因素有关。机床床身的固有频率用振动时效设备的扫频功能来确定。在扫频的过程中,工件有时候会出现几个共振峰。在一般情况下,时效处理应选择在一阶亚共振区进行,亚共振区是指一阶共振峰的前沿,即zui大加速度值的1/3～2/3处,这一点的频率就是振动主频率,这样不会对工件造成疲劳损伤,相反还会提高工件的疲劳寿命。

4、激振力的确定

   振动时效时激振力使机床床身产生动应力。振动时效装置的激振力是偏心质量旋转产生的离心力(F=meω2sinωt)。激振力的大小通过调节偏心距e获得,所以振动时效是简谐激励下的受迫振动。机床床身内部动应力的大小除与激振力的大小有关外,还与振型、频率等有关,即与机床床身的刚度和振动时的支撑状态有关,也就是说当激振频率和振型为机床床身的某价固有频率和振型时,才可以发生共振,获得较大振幅,相应的动应力也较大,降低残余应力的效果也较好。根据振动时效机理,确定激振力大小的原则是激振器产生的动应力的幅值与残余应力之和应稍大于机床床身的屈服强度,而动应力的值应小于疲劳极限。

5、振动时间的确定

   在振动时效处理过程中,随着残余应力的降低和均化,工件的振动频率及振幅等均随之发生变化。以振幅-时间曲线为例,振幅-时间曲线的“升高”是残余应力下降、结构阻尼减小的反映;而振幅-时间曲线的“变平”表明振动附加动应力与残余应力的叠加已不能引起任何部位的塑性变形,即式(1),(2)已不成立,延长一段时间的目的是为了使残余应力得到进一步释放以稳定振动处理效果。实践证明振动处理的前5min残余应力变化zui快,15min后基本处于稳定,说明残余应力下降到一定程度后就不再发生变化了。因此选择在主振频率处,进行振动时效处理15min,在附振处分别振动时效处理5min。