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球磨機軸頭是建陶大型旋轉(zhuǎn)粉碎機械的關(guān)鍵部件，它起著支承和旋轉(zhuǎn)球磨機滾筒機體的重要作用。實心軸頭直徑350mm，周圍焊接加強環(huán)直徑590mm厚度200mm，軸頭和加強環(huán)焊接在球磨機圓滾筒上。由于在焊接處產(chǎn)生不均的溫度場，使溫度應(yīng)力和相變應(yīng)力分布不均勻?qū)?dǎo)致焊縫處產(chǎn)生較大的塑性變形，從而產(chǎn)生焊接殘余應(yīng)力。殘余應(yīng)力的存在會影響軸頭的強度疲勞壽命，產(chǎn)生結(jié)構(gòu)變形，焊接件易發(fā)生脆性破壞。因此，球磨機軸頭殘余應(yīng)力測量和消除就變得尤為重要。
盲孔法測殘余應(yīng)力原理
本次試驗采用盲孔法測量球磨機軸頭焊接殘余應(yīng)力，盲孔法測量殘余應(yīng)力就是在被測點上鉆一個小孔，使被測點的應(yīng)力得到部分的釋放，測出的鉆孔前后相應(yīng)的應(yīng)變差，根據(jù)應(yīng)力、應(yīng)變關(guān)系式及無應(yīng)力材料的標(biāo)定值，在根據(jù)彈性力學(xué)理論計算出殘余應(yīng)力，鉆孔的直徑深度都不大，不會影響被測構(gòu)件的正常使用，并且這種方法具有較好的精度，因此，它已成為應(yīng)用比較廣泛的方法。
振動時效工藝原理
本次試驗采用振動時效工藝消除球磨機軸頭焊接殘余應(yīng)力，其工作原理是通過振動，使工件內(nèi)部殘余的內(nèi)應(yīng)力和附加的振動應(yīng)力的矢量和達(dá)到超過材料屈服強度的時候，使材料發(fā)生微量的塑性變形，從而使材料內(nèi)部的內(nèi)應(yīng)力得以松弛和減輕。因其環(huán)保、節(jié)能、省時成為常用的消除應(yīng)力方法。
試驗過程
測量儀器采用JHMK多通道殘余應(yīng)力測量系統(tǒng)，由JHYC靜態(tài)應(yīng)變儀和JHZK鉆孔裝置組成。接線方案采用半橋補償塊補償方法，在軸機頭焊縫附近同一圓周上對稱粘貼A、C、E、G4個直角應(yīng)變花。加強環(huán)焊縫附近同一圓周上也對稱粘貼B、D、F、H4個直角應(yīng)變花，應(yīng)變花粘貼位置如圖1，盲孔的位置在8個應(yīng)變花附近，a=7.5，深度h=16mm。振動時效設(shè)備采用JH-600A液晶交流振動時效設(shè)備，振動時效處理時球磨機軸頭下面墊有四個橡膠墊，如圖1。
圖1球磨機軸頭應(yīng)變花布置圖
測試結(jié)果
振動時效前測得結(jié)果和用振動時效設(shè)備對軸頭進(jìn)行時效后的結(jié)果見表1和表2。
表1振動前后的試驗結(jié)果
測點 | 振前 | 振后 | 平均應(yīng)力降低率（%） | ||||||
με | MPa | με | MPa | ||||||
A | ε1 | -250 | σ1 | -300 | ε1 | -205 | σ1 | -275 | 8 |
ε2 | -55 | σ2 | -90 | ε2 | -85 | σ2 | -85 | ||
ε3 | +55 | σm | +195 | ε3 | 0 | σm | +180 | ||
B | ε4 | -75 | σ1 | -476 | ε14 | -315 | σ1 | +10 | 100 |
ε5 | -5 | σ2 | -213 | ε25 | +10 | σ2 | -10 | ||
ε6 | -265 | σm | +340 | ε36 | 0 | σm | 0 | ||
C | ε7 | +195 | σ1 | +408 | ε7 | -190 | σ1 | -244 | 25 |
ε8 | -130 | σ2 | +62 | ε8 | -75 | σ2 | -106 | ||
ε9 | +40 | σm | +234 | ε9 | +15 | σm | +175 | ||
D | ε10 | -210 | σ1 | -248 | ε10 | -105 | σ1 | -158 | 26 |
ε11 | -60 | σ2 | -73 | ε11 | -98 | σ2 | -78 | ||
ε12 | +50 | σm | +161 | ε12 | -13 | σm | +11 | ||
E | ε13 | -265 | σ1 | -339 | ε13 | -70 | σ1 | -110 | 60 |
ε14 | -90 | σ2 | -142 | ε14 | -50 | σ2 | -80 | ||
ε15 | +25 | σm | +241 | ε15 | -25 | σm | +95 | ||
F | ε16 | -190 | σ1 | -30 | ε16 | -35 | σ1 | -65 | 37 |
ε17 | -190 | σ2 | -160 | ε17 | -35 | σ2 | -55 | ||
ε18 | -40 | σm | +95 | ε18 | -25 | σm | +60 | ||
G | ε19 | -400 | σ1 | -560 | ε19 | -135 | σ1 | -200 | 61 |
ε20 | -225 | σ2 | -280 | ε20 | -100 | σ2 | -130 | ||
ε21 | +20 | σm | +420 | ε21 | -30 | σm | +165 | ||
H | ε22 | -310 | σ1 | -438 | ε22 | -150 | σ1 | -205 | 54 |
ε23 | -215 | σ2 | -242 | ε23 | -90 | σ2 | -105 | ||
ε24 | -30 | σm | +340 | ε24 | -5 | σm | +155 | ||
表2振動前后的分析結(jié)果
測試位置 | 振前平均應(yīng)力 | 振后平均應(yīng)力 | 應(yīng)力降低率 | 振前應(yīng)力幅值△σ1 | 振后應(yīng)力幅值△σ2 | 振前波動率 | 振后波動率 |
軸環(huán)縫 | 272.25 | 153.75 | 43.5% | 654 | 85 | 240% | 55.3% |
加強板環(huán)縫 | 233.87 | 83.25 | 64.4% | 245 | 155 | 104.7% | 186.2% |
結(jié)論
1. 焊接殘余應(yīng)力越高，振動時效處理降低應(yīng)力越多均化應(yīng)力越好。
2. 環(huán)縫殘余應(yīng)力降低43.5%，波動率由240%降低到55.3%，應(yīng)力均化效果好。
3. 加強板環(huán)縫殘余應(yīng)力降低64.4%，波動率變大是由于振后平均應(yīng)力變得很低所致。
4. 采用盲孔法對球磨機軸頭進(jìn)行殘余應(yīng)力測量是可行的。
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