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振動時效技術應用

一、振動時效技術應用
　　振動時效技術，國外稱之為“Vibrating Stress Relief”簡稱“VSR”,旨在 通過專業(yè)的振動時效設備，使被處理的工件產生共振，并通過這種共振方式將一定的振動能量傳遞到工件的所有部位，使工件內部發(fā)生微觀的塑性變形――被歪曲的晶格逐漸 回復平衡狀態(tài)。位錯重新滑移并釘扎，從而使工件內部的殘余應力得以消除和均化，最終防止工件在加工和使用過程中變形和開裂，保證工件尺寸精度的穩(wěn)定性。
　　二、 振動時效的特點
　　1. 時效效果好
　　2. 靈活性強
　　3. 徹底解決了熱時效爐窯的環(huán)境污染問題
　　4. 投資少
　　5. 節(jié)能顯著
　　6. 效率高
　　7. 特別時候不宜高溫時效的材料和零件的消除應力處理
　　表一 振動時效與熱時效特點比較
　　項目 熱時效 振動時效
　　應力消除 40－80％ 30－90％
　　能源消耗 高 比熱時效節(jié)能95％
　　環(huán)境保護 有煙氣粉塵廢渣排放 無污染
　　尺寸穩(wěn)定性 較好 比熱時效提高30％以上
　　生產費用 150－300元/噸 4－10元/噸
　　時效周期 20－60小時 20－50分鐘
　　抗變形 較差 比熱時效提高30－75％
　　時效氧化 較大 可忽略不計
　　時效變形 有 無
　　大型工件 無法進爐處理 可方便就地處理
　　三、 振動時效的由來及現(xiàn)狀
　　1. 由來及國外的應用情況
　　在工件的鑄造、焊接、鍛造、機械加工、熱處理、校直等制造過程中在工件的內部產生殘余應力，而殘余應力的存在 必然會導致一些不良的后果出現(xiàn)。
　　如：降低工件的實際承載能力而生裂紋；
　　易發(fā)生變形而影響工件的尺寸精度；
　　加速應力腐蝕；
　　降低工件的疲勞壽命等。
　　消除應力有：自然時效、熱時效、振動時效、靜態(tài)過載時效、爆炸時效、循環(huán)加載時效等，雖然都有有缺點，但都在一定程度上達到消除和均化的目的。
　　振動時效源自于敲擊時效，在焊接中，施焊一段時間后立即用小錘對焊縫及周邊進行敲擊以防止裂紋產生，其原因就是隨時將焊接應力消除一些，以免最終產生較大的應力集中。
　　敲擊法能量有限，后來發(fā)現(xiàn)使工件產生共振時，可給工件出入最大的振動能力，從而于1915年在美國產生世界上第一臺關于振動消除殘余應力的專利。直到五十年代后期，電動機制造水平的提高，輕巧的振動時效設備陸續(xù)在美國、德國、英國、法國、蘇聯(lián)等國家出現(xiàn)，并不斷地被應用到機械制造業(yè)中，大量的實際應用證明這種方法比熱時效更能提高工件的尺寸穩(wěn)定性。
　　2. 國內發(fā)展及現(xiàn)狀
　　國內發(fā)展較晚，首先由孫照清總工程師等老一輩技術專家于74年出國考察，把技術帶回國內，并開始在機械部、航空部研究移植，并在“六五”期間在機械部提出攻關課題―――提高機床鑄件產品質量的大課題里面確定“振動時效可行性研究”。八五年機械部特批二萬五千美金與美國馬丁公司合作，引進當時世界上最先進的VSR－－790型振動時效設備及相關技術。
　　特別是九一年JB/T5926-91《振動時效工藝參數(shù)選擇及技術時效設備要求》標準的誕生，使該技術得以較快的推廣和發(fā)展。
　　四、 振動時效的特點
　　振動時效的實質是以共振的形式給工件施加附加動應力，當附加動應力與殘余應力疊加后，達到或超過材料的屈服極限時，工件發(fā)生微觀或宏觀塑性變形，從而降低和均化工件內部的殘余應力，并使其尺寸精度達到穩(wěn)定。
　　其特點有：
　　1. 投資少
　　2. 生產周期短
　　3. 使用方便
　　4. 適應性強
　　5. 節(jié)約能源，降低成本
　　6. 機械性能顯著提高
　　7. 符合環(huán)保要求
　　8. 操作簡單，易于實現(xiàn)機械自動化。
　　9. 可避免金屬零件在熱時效過程中產生的翹曲變形、氧化、脫碳及硬度降低等缺陷。
　　五、 振動時效的機理
　　1. 從宏觀的角度分析，振動時效使零件產生塑性變形，降低和均化殘余應力并提高材料的抗變形能力，無疑是導致零件尺寸精度穩(wěn)定的基本原因。由振動時效的加載試驗結果可知，振動時效件的抗變形能力不僅高于未經時效的零件，也高于經熱時效處理的零件。
　　2. 從微觀方面分析，振動時效可視為一種以循環(huán)載荷的形式施加于零件上的一種附加的動應力。
　　3. 從錯位、晶格滑移等金屬學理論上解釋，其主要觀點是振動時效處理過程實際上是通過在工件的共振狀態(tài)下，給工件的每一部位（晶格）施加一定的動能量，如果施加的這個能量值與微觀組織本身原有的能量值之和，足以克服微觀組織周圍的井勢（恢復平衡的束縛力），則微觀區(qū)域必然會產生塑性變形，使產生殘余應力的歪曲晶格得以慢慢地恢復平衡狀態(tài)，使應力集中處的錯位得以滑移并重新釘扎，達到消除和均化殘余應力的目的。
　　六、 振動時效工藝過程
　　A.振動工藝裝備如圖所示：它是將一個具有偏心重塊的電機系統(tǒng)(激振器)用卡具安放在工件上并將工件用膠墊等彈性物體支承。通過主機控制電機并調速，使工件處于共振狀態(tài)。一般工件經30分鐘的振動處理即可達到調整均化殘余應力的目的。
　　主機：控制電機的啟動及調速、信號的收集、處理、顯示及打印參數(shù)
　　激振器：強迫工件振動并將電機轉速及激振頻率反饋回主機
　　拾振器：把振動響應如加速度幅值等反饋回主機
　　卡具：將激振器牢牢固定在工件正確位置上
　　膠墊：隔振、降噪，防跑件
　　B.工藝選擇
　　1、激振頻率：選擇共振區(qū)別明顯處，一般鑄件可以采用中頻大激振力，焊接件可分頻激振。
　　2、激振力：由構件上最大的動應力來確定，即應保證 σd+σr≥[σ]。Σd與構件的材料和結構有關，一般鑄件為?2kgf/mm2,軟鋼件為?7kgf/mm2。
　　3、激振時間：振動的前10分鐘殘余應力變化最快，20分鐘后趨于穩(wěn)定，一般認為處理20-50分鐘即可。
　　工件重量（T） ﹤1 1-3 3-6 6-10 10-50 ﹥50
　　振動時間（min） 10 12 15 20 25 30-50
　　4、激振點和支撐點：支撐點應該在工件振動節(jié)點上，激振點一般在兩點支撐點間剛性較大的位置上。(亞共振方式，或者傳統(tǒng)振動時效）
　　5、用振動時效過程中測出的動態(tài)參數(shù)曲線，根據(jù)曲線的變化、現(xiàn)場，及時判斷振動效果，是國內外推薦認可的方法。
　　振動時效最重要的幾個參數(shù)是：“支撐點、振型、激振點、拾振點、加速度、固有頻率、時間。”其中振動加速度、共振頻率、共振時間是決定時效工藝效果的主要參數(shù)。
　　振動時效的實質，是在工件的低頻亞共振點，穩(wěn)定地亞共振振動15-30分鐘左右，使共振峰出現(xiàn)變化，內部發(fā)生微觀的彈性塑性力學變化，從而實現(xiàn)時效目的。
　　六，傳統(tǒng)振動時效設備在應用中的問題有那些？
　　1 振動時效必須是受過專業(yè)培訓的人員操作，一般的工人即使受過培訓也很難掌握這項技術；
　　2 有些復雜的工件必須是熟練的專業(yè)技術人員操作，一般工廠很難做到；
　　3 工件在單件生產時調整相當繁瑣，拾振器支撐點和激振點很難調到最佳狀態(tài)，一種工件就需要制訂一種工藝；
　　4 需要操作者確定處理參數(shù)，對人的技能要求比較高
　　5 由于有效振型較少，經振動時效處理后達不到較高精度要求,很難納入工藝
　　6 許多工件由于剛性和固有頻率太高，找不到共振峰無法振動；機械制造業(yè)覆蓋面僅為23%
　　7 噪聲過大也是難以推廣的主要原因。