◇陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院 楊 杏 韓 威

針對工件經(jīng)多種工藝加工后其內(nèi)部存在殘余應(yīng)力的問題，依托LabVIEW系統(tǒng)開發(fā)工具，開發(fā)一種大功率振動時效處理裝置。通過選取合適的激振器和加速度傳感器，利用工控機和數(shù)據(jù)采集卡等模塊搭建振動時效處理平臺，并以鋼性焊接件工件為對象對系統(tǒng)進行調(diào)試試驗，試驗證明該裝置能有效降低工件的內(nèi)部殘余應(yīng)力，研究結(jié)果為振動時效處理裝置的優(yōu)化設(shè)計和性能改善提供了科學(xué)依據(jù)。

工件經(jīng)工藝加工后內(nèi)部會存在殘余應(yīng)力，殘余應(yīng)力的產(chǎn)生會嚴(yán)重影響工件的壽命以及質(zhì)量，目前國內(nèi)外多采用熱時效和自然時效的方法來降低殘余應(yīng)力[1][2]。因熱時效法能耗高、污染大以及自然時效法處理周期太長等因素，振動時效處理方法憑借機械性能良好、適用性強、費用低等優(yōu)點逐漸在工業(yè)生產(chǎn)中占據(jù)重要地位[3]。其通過對工件施加一高頻振動后產(chǎn)生動應(yīng)力，動應(yīng)力與工件內(nèi)部殘余應(yīng)力共同作用后會產(chǎn)生一定的塑性形變，同時實現(xiàn)對工件內(nèi)部殘余應(yīng)力的降低和均化。

通過選擇合適的激振器和加速度傳感器搭建振動時效處理裝置平臺，以LabVIEW為系統(tǒng)控制軟件[4]，實現(xiàn)對工件內(nèi)部殘余應(yīng)力的降低，后經(jīng)以鋼性焊接件工件為例對系統(tǒng)進行運行調(diào)試，試驗證明該系統(tǒng)可實現(xiàn)對工件內(nèi)部殘余應(yīng)力的降低，研究具有非常重要的意義。

1 系統(tǒng)控制軟件設(shè)計

1.1 軟件總體設(shè)計

為滿足振動時效處理過程的功能顯示以及技術(shù)要求，軟件設(shè)計依托LabVIEW平臺主要包括系統(tǒng)管理模塊、參數(shù)輸入模板、通信模板、信號采集模塊和信號輸入模塊等五大模板，系統(tǒng)管理模塊主要實現(xiàn)對操作用戶信息的維護，參數(shù)輸入模塊主要實現(xiàn)振動時效過程所需參數(shù)的輸入，通信模塊通過調(diào)用函數(shù)實現(xiàn)上位機和下位機的連接，信息采集模塊通過設(shè)置振動加速度傳感器來獲取振動信號，包括振前和振后兩個過程，信號輸入模塊實現(xiàn)驅(qū)動電壓等參數(shù)的輸入功能，此外軟件還設(shè)置了數(shù)據(jù)顯示、結(jié)果打印、歷史查詢和退出模塊方便用戶對軟件系統(tǒng)的管理。

1.2 掃頻設(shè)計

掃頻分振前和振后兩個過程，振前掃頻和振后掃頻設(shè)計原理類似，此處以振前掃頻為例講述。掃頻前需要完成起始、終止頻率和電流的設(shè)定，后通過激振器完成掃頻過程。需要注意，參數(shù)設(shè)置不得超過激振器所允許的最大激振頻率和激振電流。因工件形狀的復(fù)雜性采用單點激振所獲得的固有頻率會存在一定的偏差，選取工件不同位置處的10個點采用多點激振的方法，對10個點的頻譜圖進行標(biāo)準(zhǔn)化處理，通過處理后的頻率圖計算得到工件的固有頻率。

1.3 振動時效設(shè)計

設(shè)置好激振頻率、時間和電流后開始振動時效處理，達到設(shè)定時間時運行結(jié)束。時效處理過程中采樣通道設(shè)置為連續(xù)采樣，分別通過“AO0”、“AO1”控制端口將采集卡與5V電壓、輸出電壓串聯(lián)，實現(xiàn)脈沖電壓、輸出電壓和數(shù)據(jù)采集的同步運行和停止。

1.4 時效效果判定設(shè)計

采用曲線觀察法對時效效果進行判定[9]，曲線觀察法的判定依據(jù)為：通過振前掃頻和振后掃頻結(jié)果作對比，共振頻率減小、峰值增大或者帶寬減小則認為時效效果良好即達到要求。如果時效效果未達到要求，則須對工件再次進行振動時效處理，直到滿足要求為止。

2 系統(tǒng)調(diào)試及運行

安裝完成的振動時效系統(tǒng)裝置主要有工控機、激振器和傳感器組成，設(shè)備箱里還輔有數(shù)據(jù)采集卡、驅(qū)動電路和輔助電源等模塊組成。團隊選用的數(shù)據(jù)采集卡型號為NI-USB-6211，加速度傳感器型號為YD-12。

2.1 振前、振后掃頻

掃頻前可通過輸入起止頻率和電流等參數(shù)也可通過在數(shù)據(jù)庫中選擇本工件類型自動匹配所需輸入的參數(shù)值，掃頻結(jié)束后通過點擊“數(shù)據(jù)保存”可將本次新輸入的工件類型參數(shù)保存至數(shù)據(jù)庫中以備下次使用。此處選取鋼性焊接件工件進行掃頻，起止頻率分別設(shè)置為50Hz和200Hz，電流設(shè)定為1A，掃頻得該工件的固有頻率為80Hz，振后掃頻與振前掃頻操作相同，掃頻界面如圖1所示。

圖1 振前、振后掃頻界面

2.2 振動時效處理

振動時效處理可通過輸入激振頻率、時間和電流值等參數(shù)也可通過在數(shù)據(jù)庫中直接調(diào)用處理工件的參數(shù)值，時間設(shè)置為25min，電流設(shè)定為2A，點擊“運行”按鈕后開始時效過程，處理過程的加速度隨時間變化曲線實時顯示在時效處理界面中。時效處理界面如圖2所示。

圖2 振動時效處理界面

2.3 時效效果判定

時效效果判定是振動時效處理系統(tǒng)中最關(guān)鍵的部分，技術(shù)人員點擊“工藝結(jié)果”按鈕后開始時效效果判定過程，此時振前掃頻和振后掃頻結(jié)果同時出現(xiàn)在判定界面中，界面如圖3所示。技術(shù)人員可通過曲線觀察法對效果進行判定，從圖中可以看出工件經(jīng)時效處理后效果達到技術(shù)要求。系統(tǒng)軟件設(shè)置一打印機連接接口，可實現(xiàn)對振動時效結(jié)果報告的打印。

圖3 時效效果判定界面

3 結(jié)論

依托LabVIEW可視化系統(tǒng)開發(fā)工具，通過選取合適的傳感器和激振器等搭建大功率振動時效處理平臺，該平臺裝置包括振前掃頻、振動時效處理、振后掃頻和時效效果判定四個部分，工件經(jīng)過四個部分處理后可降低其內(nèi)部殘余應(yīng)力。后以鋼性焊接件構(gòu)建為例來驗證該裝置的時效處理效果，通過曲線觀察法證明該裝置可實現(xiàn)對工件內(nèi)部殘余應(yīng)力的降低且能夠達到技術(shù)要求。