Существуют различные способы виброобработки. Для каждого конкретного случая можно подобрать определенный вид нагруже­ния (вибрационного и статического), который обеспечит необхо­димое снижение остаточных напряжений и деформаций, например для оболочек — крутильные вибрационные колебания, для конст­рукций большой протяженности — изгибные вибрационные коле­бания, и т. д. Противоречивость результатов эффективности вибро­обработки свидетельствует о том, что к выбору способа обработки, ее параметров, схем закрепления и нагружения необходимо под­ходить строго индивидуально, в зависимости от типа конструк­ции [95]. Поэтому для успешного применения вибрационного нагру­жения требуется предварительно провести определенный объем ис­следовательских работ применительно к конкретному произ­водству.

Ниже приведено описание некоторых способов вибробработки, разработанных для различных типов конструкций.

Анализ результатов экспериментальных исследований [87] позволил установить, что для балочных конструкций наиболее экономичным и эффективным является разработанный в МВТУ им. Баумана метод вибросиловой правки в режиме резонанса час­тоты возмущающей силы и частоты свободных колебаний стати­чески нагруженной вибрационной системы. Причем силовое воз­действие статического усилия и вибрации должно осуществляться в одном и том же направлении, перпендикулярном продольной оси балки в плоскости ее изгиба. Теоретический анализ схем закреп­ления [82, 86, 87] при вибростабилизации балочных конструкций показал, что наибольшие амплитуды колебаний при наименьших частотах имеют место при шарнирном закреплении концов балок.

Из работ [76, 96] следует, что наибольший эффект при виброоб­работке сварных трубчатых ферм и сварных рам достигается при жестко закрепленных концах изделий на опорах. Это объясняет­ся увеличением изгибающего момента и возникновением дополни­тельной продольной составляющей усилия, возникающего в за­делке.

Таким образом, выявлены оптимальные схемы закрепления при виброобработке балочных [87], трубчатых [76] и рамных [96] кон­струкций.

В связи с тем, что известные способы снятия остаточных на­пряжений недостаточно эффективны для деталей рамной конструк­ции, в ИЭС им. Е. О. Патона разработан способ [98], позволяю­щий обрабатывать одновременно несколько собранных в пакет деталей рамной конструкции. При установке деталей, как показа­но на рис. 6, значительно увеличиваются жесткость конструкции и собственная частота колебаний системы. Детали 1 и 2 распола­гают симметрично друг другу через прокладки 3 переменной высо­ты и стягивают зажимами 4, а концы изделий соединяют с по­мощью удаляемых накладок 5.

Рис. 6. Схема установки для собран­ных в пакет деталей рамной конст­рукции

В известном способе вибростабилизации при наложении допол­нительного статического усилия обеспечивается прогиб детали лишь в направлении действия силы. Для громоздких деталей или деталей коробчатой формы изменение направления нагружения затруднено или невозможно. В Харьковском филиале ВНИИлит — маша [99] разработан метод, позволяющий создавать знакопере­менные напряжения в деталях различной жесткости и конфигура­ции без дополнительного их кантования. Необходимая величина напряжений может быть получена либо во всей детали, либо (в случае коробчатой формы) в каждом ее элементе. Сущность пред­лагаемого метода заключается в статическом характере нагружения и импульсной разгрузке. Причем время снижения нагрузки не ме­нее чем в десять раз ниже четверти периода собственных колеба­ний детали с наибольшей амплитудой. Статический характер на­гружения обеспечивает деформацию всей детали в направлении действия силы, а импульсная разгрузка вызывает затухающие ко­лебания с собственной частотой. В результате создается знакопе­ременное нагружение всего объема детали. Необходимый характер цикла «нагружение—разгрузка» может быть получен с помощью гидравлических устройств специальных магнитоимпульсных установок. Помимо возможности обработки деталей различной жесткости и конфигурации способ открывает широкие возможности для управления процессом по заданной программе контроля.

Существует способ местного снятия остаточных напряжений путем наложения вибраций на поля остаточных напряжений, где вибрационные нагрузки прикладываются в одной плоскости, сов­падающей обычно с плоскостью действия остаточных напряжений.

Способ виброобработки с приложением крутильных колебаний позволяет снимать остаточные напряжения в любой плоскости и особенно эффективен для конструкций, где практически невозмож­но приложить вибрации в направлении действия главной составля­ющей остаточных напряжений. Снижение напряжений происходит вследствие одновременного действия вибрации, крутильных коле­баний и кругового движения.

В США широко применяется метод снятия напряжений в изде­лии посредством вибрации на частотах, соответствующих резо­нансным колебаниям каждой части изделия, в которой предпола­гается уменьшить напряжения [90, 91].

При виброобработке сварных конструкций повышенной жест­кости из высокопрочных сталей возможно появление трещин в зо­не сварного соединения [91]. Для предотвращения образования ус­талостных трещин и интенсификации процесса снятия внутренних напряжений в сварных изделиях (типа роторов турбин) предложен способ, при котором виброобработка всего изделия в резонансном режиме осуществляется одновременно с местным нагревом узкой зоны сварного шва [100].

Контроль воздействия виброобработки на конструкцию произ­водится тензометрическим, магнитоупругим и другими методами. Однако после измерений может оказаться, что процесс обработки следует продолжить, для чего требуется заново установить вибро­оборудование. Метод контроля, описанный в работе [85], заклю­чается в том, что о завершении процесса судят по смещению ре­зонансных пиков на шкале частот в процессе виброобработки и их стабильном положении впоследствии. Такой процесс связан с мно­гократным переключением возбуждающего вибратора для провер­ки всего частотного диапазона и довольно продолжительным ре­гистрированием положения резонансных пиков в шкале частот.

Для упрощения контроля снятия напряжений и увеличения про­изводительности процесса снижения остаточных напряжений в различных конструкциях предложен способ контроля процесса виброобработки, при котором периодически измеряют затухание свободных колебаний обрабатываемой конструкции, вычисляют величину логарифмического декремента затухания и заканчивают процесс виброобработки по достижении его постоянного значения [101]. Определение уровня остаточных напряжений по этому спосо­бу основано на предположении [93], что логарифмический декре­мент затухания колебаний является функцией остаточных напря­жений и деформаций изделия. Следовательно, его измерение дает информацию о наличии и величине остаточных напряжений.

В технической литературе содержится мало данных о примене­нии способа виброобработки для реальных сварных конструкций. Из всего объема научно-исследовательских работ лишь приблизи­тельно 5% касаются определения эффективности этого перспектив­ного метода обработки для конкретных видов изделий [91]. Это объясняется, по-видимому, недостаточной изученностью проблемы. Тем не менее, с каждым годом виброобработка все шире внедряет­ся в производство. В частности, в СССР этот способ внедрен на Сызранском заводе тяжелого машиностроения для стабилизации размеров сварных трубчатых ферм, в новосибирском производст­венном объединении «Тяжстанкогидропресс» — после черновой механической обработки станин (экономический эффект 36 600 руб.), Ивановском СПО, на Тираспольском заводе литейных машин, им. С. М. Кирова, Краснодарском станкостроительном заводе им. Г. М. Седина, Юргинском машиностроительном заводе (годовая эко­номия электроэнергии —3 млн. кВт) и др. Проводятся поисковые работы и исследования по снятию напряжений методом вибрации в штампо-сварных конструкциях арматуры с целью дальнейшего внедрения этого метода в производство. При этом установлено, что после виброобработки остаточные напряжения в стержневых об­разцах снижаются в два раза.

Разработаны вибрационная установка и технология снижения остаточных напряжений в сварных деталях газопроводов. Испыта­ния данной установки показали удовлетворительные результаты и продемонстрировали преимущества виброобработки перед отжи­гом [92]. Виброспособ применяется также при изготовлении водо­охлаждаемых планок, представляющих собой сложную сварную конструкцию из кислотоупорной нержавеющей жаропрочной стали (экономический эффект—40000 руб.) [102].

Исследования процесса виброобработки сварных конструкций проводятся в Венгрии, Румынии и других промышленно развитых странах. В Институте сварки ПНР [83] для определения влияния вибронагружения на сохранение размеров сварных элементов кон­струкций, подвергаемых механообработке, проводились экспери­менты с фундаментными рамами дробильных мельниц и корпусами полуосей грузовых автомобилей. Наименьшие отклонения от плос­костности фундаметных рам были зафиксированы при двухкратной вибрационной обработке после сварки и черновой механообработ­ки. Установлено, что изменение размеров и форм этих конструкций в результате виброобработки (так же, как и при отжиге) находит­ся в допускаемых пределах.

Наибольшее распространение этот способ получил в США, ФРГ. В Англии он все больше привлекает к себе внимание при изготов­лении химической и нефтяной аппаратуры, машин для целлюлозно — бумажной, пищевой промышленности, корпусов насосов, аппаратов

для точечной и шовной сварки, а также в станкостроительной про­мышленности.

Многолетний опыт западноевропейских фирм, использующих метод виброобработки для снижения остаточных напряжений и стабилизации размеров, доказал высокую его эффективность, воз­можность обеспечения достаточно жестких допусков для изделий, к которым предъявляются высокие требования по точности [89]. Так, в авиационной промышленности ФРГ виброобработка круп­ногабаритных сварных конструкций позволяет получить отклоне­ние от плоскостности поверхности обрабатываемого изделия в пре­делах ±0,025 мм, в то время как термический способ снижения на­пряжений не дает ожидаемого результата.

Фирма Voest-Alphine AG (Австрия), выпускающая кузнечно­прессовое оборудование, применяет этот метод с 1972 г. взамен от­жига. Время обработки уменьшилось с нескольких часов до 20 мин при идентичных результатах.

Фирма Nagel (ФРГ), специализирующаяся на изготовлении прецизионных и специальных металлорежущих станков, применяет способ виброобработки взамен термообработки для крупногаба­ритных конструкций массой до 14 т с 1974 г. и получает экономию в размере1200 долл, на каждое изделие.

Фирма Hermann (ФРГ), выпускающая литейные машины, ис­пользует виброобработку для сварно-литых конструкций массой 6804—13 700 кг в течение восьми лет, причем данный процесс при­меняется как после, так и во время сварки. В результате получена значительная экономия времени, энергии, снизились трудоемкость и транспортные расходы.

Специалисты старейшей в ФРГ фирмы Karmann считают, что метод виброобработки лучше, чем термообработка позволяет вы­держивать жесткие допуски при изготовлении кондукторов и дру­гих зажимных и сборочных приспособлений.

По данным работы [91], в Англии почти на всех станкострои­тельных предприятиях используют вибрационный способ снижения напряжений в основаниях, стойках, направляющих и других дета­лях станков и прессов как в сварном, так и литом варианте изго­товления. Эффективность виброобработки подобных конструкций возросла при создании вибраторов, работающих на переменном токе и обладающих большей мощностью. Подобное оборудование позволяет проводить виброобработку на меньших частотах, благо­даря чему значительно уменьшается риск появления трещин в де­талях из легированных высокопрочных сталей в процессе обработ­ки и эксплуатации.

Одна из ведущих станкостроительных фирм Англии [91], под­считав экономическую эффективность применения вибрационного способа снижения напряжений в конструкциях взамен термообра­ботки в течение трех-четырех лет, определила, что годовая эконо­мия составляет 30000 ф. ст. О высокой эффективности Способа

свидетельствуют также данные, приведенные в работах [76, 89], в соответствии с которыми стоимость виброобработки на 80—90% ниже стоимости общей термической обработки.