CN110578050A - 一种降低焊接结构床身残余应力的复合时效处理工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种降低焊接结构床身残余应力的复合时效处理工艺：床身在完成焊接后先进行振动时效，以消除其残余应力集中处的应力峰值，均匀化床身的应力大小和分布；然后进行高温热时效，以降低床身的整体残余应力水平；之后进行粗加工和半精加工：再进行低温热时效或者超声波时效，进一步降低残余应力和提高床身的尺寸稳定性，同时提高其承载能力、松弛刚度和抗温度变化的能力；最后进行抛丸处理，将床身的拉应力转变为压应力，使床身的最大残余应力低于50MPa。本发明创造性的采用了“振动时效‑两次热时效‑抛丸处理”的复合时效处理工艺，充分降低了焊接机床床身的残余应力，提高了床身的装配和使用过程中的精度保持性。

Description

一种降低焊接结构床身残余应力的复合时效处理工艺
技术领域
本发明涉及数控机床制造领域，尤其是涉及一种降低焊接结构床身残余应力的复合时效处理工艺。
背景技术
随着国内对数控机床的需求量日益增长，高档数控机床制造已逐渐向个性化、定制化、单件小批量化方向发展。机床零部件以钢板焊接结构代替铸铁件的研究应用不断增加，采用产能利用率高、环境污染率相对较小的焊接工艺进行床身的加工制造逐渐成为发展趋势。德国格劳博机床集团(Grobgroup)已大量采用焊接结构床身，制造技术已经成熟，英国600集团设计制造的M300型焊接床身，已经销售300台以上。由于焊接床身具有刚度好、重量轻、生产周期短、制造成本低、结构设计灵活、柔性高等优点，非常容易实现机床个性化、定制化、单件小批量和绿色制造。
目前我国在焊接床身的生产制造过程中，存在结构设计、焊接工艺、应力变形和时效处理等较多难题，突出的问题是时效处理工艺不当，例如时效工序安排不当，热时效温度、保温时间、升降温速度和炉温温差控制不当等，使得焊接床身在处理后残余应力不降反升，甚至导致床身开裂。据实际测试，某焊接床身因热时效不当使得处理后残余应力达到254MPa，导致床身应力变形大、精度稳定性较差等。所以设计一种合理有效的时效处理工艺，以降低焊接床身的残余应力，提高其在装配和使用过程中的精度保持性，成为制造低应力高精度保持性焊接床身的关键。
发明内容
本发明的目的在于提供一种降低焊接结构床身残余应力的复合时效处理工艺，以解决焊接床身残余应力较大以及因应力释放导致床身变形严重、精度稳定性差的问题。
为实现上述目的，本发明可采取下述技术方案：
本发明所述的降低焊接结构床身残余应力的复合时效处理工艺，包括下述步骤：
第一步，对焊接完成的床身进行振动时效处理，以消除其残余应力集中处的应力峰值，均匀化床身的应力大小和分布；
第二步，对振动时效处理后的床身进行高温热时效处理，以降低床身的整体残余应力水平；
第三步，对上述处理后的床身进行粗加工和半精加工；
第四步，对半精加工后的床身进行低温热时效处理或超声波时效处理，进一步降低残余应力，提高床身的尺寸稳定性，同时提高其承载能力、松弛刚度和抗温度变化的能力；
第五步，最后对床身进行抛丸处理，将床身的拉应力转变为压应力；处理完毕后，床身的最大残余应力低于50MPa。
具体来说：
第一步振动时效处理采用主频叠振时效处理系统，处理时间为50~60min。
第二步高温热时效处理采用台车式热时效炉，其工艺参数如下：退火温度620~650℃，升温速度30℃/h，保温时间4~6h，其中当温度分别升至200℃、400℃时保温1小时；降温速度20℃/h，分别在降至550℃、450℃、350℃、250℃、150℃、100℃时保温1小时，然后随炉冷却至室温；炉温温差保持在±5℃。
第四步低温热时效处理采用台车式热时效炉，其工艺参数如下：退火温度270~300℃，升温速度30℃/h，保温时间4~6h，其中当温度升至150℃时保温1小时；降温速度30℃/h，其中温度降至150℃时保温1小时，降至80℃以下时随炉冷却至室温；炉温温差保持在±5℃。
第五步的抛丸处理采用直径1~2mm的钢丸，抛丸处理时间为50~60min。
本发明创造性的采用了“振动时效-两次热时效-抛丸处理”的复合时效处理工艺，充分降低了焊接机床床身的残余应力，提高了床身装配和使用过程中的精度保持性。
本发明优点主要体现在以下几个方面：1、床身在焊接完成之后，存在较大的焊接应力、且分布差异较大，先进行一次振动时效，使床身在周期性附加应力的作用下，应力集中处首先发生局部塑性变形，继而又在整体上发生较大的塑性变形，峰值应力处产生的塑性变形较大，而其他部位相对较小，从而使床身的应力峰值降低，同时均匀化整体残余应力；2、通常的时效工艺是在振动时效之后进行粗加工，粗加工之后再进行热时效，本发明的复合时效处理工艺是在振动时效之后先采用高温热时效，以降低床身的整体残余应力，降低工件硬度、改善工件加工性能，然后再进行加工，避免了加工之后在热时效过程因加工应力和温差应力引起的工件变形或开裂；3、常规的处理工艺只进行一次热时效，本发明的复合时效处理工艺在半精加工之后再进行低温热时效或者超声波时效，可进一步消除第一次热时效时未能释放的那部分应力以及粗加工、半精加工时产生的加工应力，提高了尺寸精度稳定性，同时提高了床身的承载能力和抗温度变化的能力；4、最后进行抛丸处理，以清除床身表面的氧化皮；同时处理时床身在高速钢丸的击打作用下，床身的拉应力可转变为压应力。综上，焊接结构床身在这种“焊接后--振动时效--高温热时效--粗加工--半精加工--低温热时效（或者超声波时效）--抛丸处理”的复合时效处理工艺及工序安排下，最终可使焊接床身的最大残余拉应力降低至50MPa以下。
附图说明
图1是焊接床身的结构图。
图2为按本发明工艺处理后的床身图片。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明处理工艺做更加详细的说明。
首先采用Q235钢板焊接一件立式加工中心床身，床身的焊缝位置如图1所示。在床身完成焊接后测试其残余应力，最大为279MPa。
按照本发明的复合时效处理工艺对上述床身进行处理，其具体步骤为：
第一步，对焊接完成的床身先进行振动时效处理：采用主频叠振时效处理系统对床身进行振动时效处理，降低导轨四周角焊缝的残余应力，振动处理时间为57min；处理后，测量其残余应力最大为158MPa；
第二步，对振动时效处理后的床身进行高温热时效处理：采用精确控温节能型台车式热时效炉，其高温热时效工艺参数如下：退火温度640℃，升温速度30℃/h，保温时间4h，其中当温度分别升至200℃、400℃时保温1小时；降温速度20℃/h，分别在降至550℃、450℃、350℃、250℃、150℃、100℃时保温1小时，然后随炉冷却至室温；炉温温差保持在±5℃；高温热时效处理后测试其残余应力最大为92MPa；
第三步，对经上述处理后的床身按常规方法进行粗加工和半精加工；由于降低了残余应力，改善了工件（床身）的加工性能，使得采用数控铣床加工床身导轨面时，切削抗力小，表面粗糙度值低，断屑性好；
第四步，半精加工后，再对床身进行低温热时效处理：采用精确控温节能型台车式热时效炉，其低温热时效工艺参数如下：退火温度280℃，升温速度30℃/h，保温时间6h，其中当温度升至150℃时保温1小时；降温速度30℃/h，其中温度降至150℃时保温1小时，降至80℃以下时随炉冷却至室温；炉温温差保持在±5℃；低温热时效处理后测试其残余应力最大为54MPa；
若采用超声波时效处理时，可使用超声波时效仪，将输出电流调节在1.9A，手持冲击枪与母材成90°，冲击焊脚位置：在待处理部位做往复运动，处理速度控制在0.5米/分钟，使处理部位表面受到均匀的冲击力，以确保处理效果。
第五步，最后对床身进行抛丸处理：采用直径1.2mm的钢丸，抛丸时间50min；抛丸处理后测试其残余应力最大为36MPa。
处理后的床身如图2所示。

Claims (5)

1.一种降低焊接结构床身残余应力的复合时效处理工艺，其特征在于：包括下述步骤：
第一步，对焊接完成的床身进行振动时效处理，以消除其残余应力集中处的应力峰值，均匀化床身的应力大小和分布；
第二步，对振动时效处理后的床身进行高温热时效处理，以降低床身的整体残余应力水平；
第三步，对上述处理后的床身进行粗加工和半精加工；
第四步，对半精加工后的床身进行低温热时效处理或超声波时效处理，进一步降低残余应力，提高床身的尺寸稳定性，同时提高其承载能力、松弛刚度和抗温度变化的能力；
第五步，最后对床身进行抛丸处理，将床身的拉应力转变为压应力；处理完毕后，床身的最大残余应力低于50MPa。
2.根据权利要求1所述的降低焊接结构床身残余应力的复合时效处理工艺，其特征在于：所述第一步振动时效处理采用主频叠振时效处理系统，处理时间为50~60min。
3.根据权利要求1所述的降低焊接结构床身残余应力的复合时效处理工艺，其特征在于：所述第二步高温热时效处理采用台车式热时效炉，其工艺参数如下：退火温度620~650℃，升温速度30℃/h，保温时间4~6h，其中当温度分别升至200℃、400℃时保温1小时；降温速度20℃/h，分别在降至550℃、450℃、350℃、250℃、150℃、100℃时保温1小时，然后随炉冷却至室温；炉温温差保持在±5℃。
4.根据权利要求1所述的降低焊接结构床身残余应力的复合时效处理工艺，其特征在于：所述第四步低温热时效处理采用台车式热时效炉，其工艺参数如下：退火温度270~300℃，升温速度30℃/h，保温时间4~6h，其中当温度升至150℃时保温1小时；降温速度30℃/h，其中温度降至150℃时保温1小时，降至80℃以下时随炉冷却至室温；炉温温差保持在±5℃。
5.根据权利要求1所述的降低焊接结构床身残余应力的复合时效处理工艺，其特征在于：所述第五步的抛丸处理采用直径1~2mm的钢丸，抛丸处理时间为50~60min。
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