由于彈性元件在毛坯鍛造、機(jī)械加工、熱處理、表面打磨、電阻應(yīng)變計粘貼和加壓固化等工藝過程中產(chǎn)生各種殘余應(yīng)力,隨著時間和使用條件的變化不斷松弛釋放,而造成測力傳感器的性能波動,主要表現(xiàn)在零點和靈敏度不穩(wěn)定。
為使測力傳感器在生產(chǎn)過程中渡過初始不穩(wěn)定期,采用工藝手段模擬各種使用條件進(jìn)行試驗,使其盡快穩(wěn)定的工藝稱為穩(wěn)定性處理,也稱人工老煉試驗。測力傳感器釋放殘余應(yīng)力的穩(wěn)定性處理方法,除制造工藝流程中常用的溫度老化和電老化處理外,主要有兩種方法,即熱處理法和機(jī)械法。
1、熱處理法
多應(yīng)用于鋁合金測力傳感器,在毛坯加工成彈性元件后進(jìn)行,主要有反淬火法、冷熱循環(huán)法和恒溫時效法。
(1) 反淬火法
國內(nèi)也稱深冷急熱法。將鋁合金彈性元件置于-196℃的液氮中,保溫12小時后,迅速用新生的高速蒸汽噴射或放入沸水之中。因深冷與急熱產(chǎn)生的應(yīng)力方向相反而相互抵消,達(dá)到釋放殘余應(yīng)力的目的。試驗表明,采用液氮———高速蒸汽法可降低殘余應(yīng)力84%,采用液氮———沸水法可降低殘余應(yīng)力50%。
(2) 冷熱循環(huán)法
冷熱循環(huán)穩(wěn)定性處理工藝為- 196℃×4小時/190℃×4小時,循環(huán)3次,可使殘余應(yīng)力下降90%左右,并且組織結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,微量塑性變形抗力高,尺寸穩(wěn)定性好。釋放殘余應(yīng)力的效果如此明顯,一是因為加熱時原子熱運(yùn)動能量增加,點陣畸變減小或消失,內(nèi)應(yīng)力下降,上限溫度越高,原子熱運(yùn)動越大塑性越好,越有利于殘余應(yīng)力釋放。二是因為冷熱溫度梯度產(chǎn)生的熱應(yīng)力與殘余應(yīng)力相互作用,使其重新分布而獲得殘余應(yīng)力下降的效果。
(3) 恒溫時效法
恒溫時效即可消除機(jī)械加工產(chǎn)生的殘余應(yīng)力,又能消除熱處理引入的殘余應(yīng)力。LY12硬鋁合金在200℃高溫下恒溫時效時,殘余應(yīng)力釋放與時效時間關(guān)系表明,保溫24小時,可使殘余應(yīng)力下降50%左右。
2、機(jī)械法
機(jī)械法穩(wěn)定性處理,多在測力傳感器電路補(bǔ)償與調(diào)整和防護(hù)密封后,基本形成產(chǎn)品時進(jìn)行。主要工藝有脈動疲勞法、超載靜壓法和振動時效法。
(1) 脈動疲勞法
將測力傳感器安裝在低頻疲勞試驗機(jī)上,施加上限為額定載荷或120%額定載荷,以每秒3~5次的頻率進(jìn)行5000~10000次的循環(huán)。可有效的釋放彈性元件、電阻應(yīng)變計、應(yīng)變粘結(jié)劑膠層的殘余應(yīng)力,提高零點和靈敏度穩(wěn)定性的效果極為明顯。
(2) 超載靜壓法
理論上適用于各種量程,但在實際生產(chǎn)中以鋁合金小量程測力傳感器應(yīng)用較多。
其工藝是:在專用的標(biāo)準(zhǔn)砝碼加載裝置中或簡易的機(jī)械螺旋加載設(shè)備上,對測力傳感器施加125%額定載荷,保持4~8小時,或施加110%額定載荷,保持24小時,兩種工藝都可以達(dá)到釋放殘余應(yīng)力,提高零點和靈敏度穩(wěn)定性的目的。由于超載靜壓工藝所用設(shè)備簡單,成本低,效果好,為鋁合金測力傳感器制造企業(yè)廣泛采用。
(3) 振動時效 (Vibratory Sterss Reliering) 法
將測力傳感器安裝在額定正弦推力滿足振動時效要求的振動臺上,根據(jù)稱重傳感器的額定量程估算頻率,來決定施加的振動載荷、工作頻率和振動時間。共振時效比振動時效釋放殘余應(yīng)力的效果更好,但必須測量出測力傳感器的固有頻率。振動時效和共振時效工藝的特點是:能耗低,周期短,效果好,不損壞彈性元件表面,而且操作簡單。振動時效的機(jī)理,目前尚無定論。國外專家提出的理論和觀點有:塑性變形理論、疲勞理論、晶格錯位滑移理論、能量觀點及材料力學(xué)觀點等。只是作出了不同程度的解釋,但都沒有充分的、有說服力的、權(quán)威性的試驗證明。
這些理論和觀點往往是相互交叉的,所以可認(rèn)為振動時效的機(jī)理是一個復(fù)雜的過程。經(jīng)過振動時效的試驗研究,有些專家傾向于用材料力學(xué)的重復(fù)應(yīng)力過載的觀點,解釋振動時效的機(jī)理。即作用在彈性元件上的振動應(yīng)力與其內(nèi)部的殘余應(yīng)力相互作用,使殘余應(yīng)力松弛并釋放。
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