振動(dòng)時(shí)效的原理及應用

  振動(dòng)時(shí)效的特點(diǎn)及其發(fā)展概況

  振動(dòng)處理技術(shù)又稱(chēng)做振動(dòng)消除應力，在我國又稱(chēng)做振動(dòng)時(shí)效。它是將一個(gè)具有偏心重塊的電機系統(稱(chēng)做激振器)安放在構件上，并將構件用橡膠墊等彈性物體支承。通過(guò)控制器起動(dòng)電機并調節其轉速，使構件處于共振狀態(tài)。約經(jīng)20~30分鐘的振動(dòng)處理即可達到調整殘余應力的目的。

  振動(dòng)時(shí)效工藝特點(diǎn)

  1.機械性能顯著(zhù)提高

  經(jīng)振動(dòng)時(shí)效處理的工件可以使內應力降低30%-80%，高拉應力區消除的比低拉應力區消除的多;從而延長(cháng)工件使用壽命，提高其疲勞強度、降低應力腐蝕。

  2.適用性強

  設備簡(jiǎn)易且易搬動(dòng)，不受工件大小和材料的限制，幾百?lài)嵉墓ぜ歼m用，特別是對一些工件無(wú)法進(jìn)行熱時(shí)效時(shí)，振動(dòng)時(shí)效的優(yōu)越性就體現了出來(lái)。

  3.節省時(shí)間、能源和費用

  振動(dòng)時(shí)效只需30分鐘左右即可進(jìn)行下道工序，無(wú)需消耗大量煤油、電力等能源，可以節省建造大型燜火窯的費用。

  殘余應力

  在各種金屬構件加工制造過(guò)程中，構件內部不可避免地會(huì )產(chǎn)生殘余應力。生產(chǎn)過(guò)程中應力產(chǎn)生主要工藝 分為：鑄造殘余應力、焊接殘余應力、壓力加工殘余應力、切削加工殘余應力、熱處理殘余應力、鍍層殘余 應力、表面硬化處理殘余應力、校直殘余應力等。

  殘余應力的產(chǎn)生

  1. 由于機械加工產(chǎn)生不均勻的塑性變形引起的殘余應力。

  這是金屬構件在加工中易產(chǎn)生的殘余應力。當施加外力時(shí)，物體的一部分出現塑性變形，卸載后，塑 性變形部分限制了與其相鄰部分變形的恢復，因而出現了殘余應力

  2. 由于溫度不均勻造成的局部熱塑性變形或相變作用引起的不均勻塑性變形而產(chǎn)生的殘余應力。

  大多數金屬都不是純彈性或純塑性材料，在冷卻過(guò)程中往往會(huì )發(fā)生塑性至彈性的轉變。以鑄鐵件和碳鋼 焊接件為例;無(wú)論是鑄造和焊接均需要將構件加熱到800℃以上。加工后放在自然溫度環(huán)境中，構件都要經(jīng) 過(guò)這個(gè)塑性—彈性轉變溫度區間700---400℃，由于構件冷卻是從外到內的，就會(huì )產(chǎn)生外部成彈性溫度區 間，而構件內部還處在塑性溫度區間，通俗的講就是構件外部已經(jīng)固化，而內部因為繼續冷卻而收縮，構件 外部不讓其收縮產(chǎn)生殘余應力。

  殘余應力對金屬構件的影響

  殘余應力對疲勞壽命的影響

  宏觀(guān)殘余應力在初期暫時(shí)與作用的交變應力疊加，改變盈利水平，較大的影響著(zhù)疲勞壽命。 而由微觀(guān)組織不均勻性所造成的殘余應力在應力交變過(guò)程中，會(huì )使微觀(guān)區域內的塑性變形積累，使該部分產(chǎn) 生應力集中，并使組織內發(fā)生裂紋。

  殘余應力對構件變形的影響

  殘余應力對構件變形的影響包括兩個(gè)方面，一方面是構件抗靜、動(dòng)荷載的變形能力，另一方面是荷載卸 除后變形的恢復能力。

  具有表面拉伸殘余應力的構件其尺寸穩定性遠遠不如具有表面壓縮殘余應力的構件尺寸穩 定性好。

  殘余應力對金屬脆性破壞的影響

  脆性破壞是構建在幾乎不存在塑性變形情況下的突然開(kāi)裂。它在溫度突然下降或變形速度突然上升的情 況下易發(fā)生。這是塑性變形處于壓抑狀態(tài)，如在突然受到較大的作用應力等原因，就易于發(fā)生存型斷裂破 壞。殘余應力是作為初始應力存在于構件內，特別是拉伸殘余應力與作用拉應力疊加而加速了脆性破壞。

  時(shí)效方法簡(jiǎn)介

  自然時(shí)效

  自然時(shí)效是較古老的時(shí)效方法。它是把構件露天放置于室外，經(jīng)過(guò)幾個(gè)月至幾年的風(fēng)吹.日曬.雨淋和季 節溫度的變化，給構件多次造成反復的溫度應力。在溫度應力形成的過(guò)載下促使殘余應力發(fā)生松弛而使尺寸 精度獲得穩定。

  自然時(shí)效降低的殘余應力不大，但對工件尺寸穩定性很好，原因是工件經(jīng)過(guò)長(cháng)時(shí)間的放置石墨頂部及其 它線(xiàn)缺陷頂部附近產(chǎn)生應力集中，發(fā)生了塑性變松弛了應力，同時(shí)也強化了這部分基體，于是該處的松弛剛 度也提高了，增加了這部分材質(zhì)的抗變形能力，自然時(shí)效降低了少量殘余應力，卻提高了構件的松弛剛度， 對構件的尺寸穩定性較好，方法簡(jiǎn)單易行，但生產(chǎn)周期長(cháng).占用場(chǎng)地大，不易管理，不能及時(shí)發(fā)現構件內的 缺陷，已逐漸被淘汰。

  熱時(shí)效

  熱時(shí)效是將構件由室溫緩慢均勻加熱至550℃左右，保溫4—8小時(shí)，再?lài)栏窨刂平禍厮俣戎?50℃以下 出爐。

  熱時(shí)效工藝要求是嚴格的，如要求爐內溫度差不大于±25℃，升溫速度不大于50℃/小時(shí)，降溫速度不 大于20℃/小時(shí)。爐內溫度不許超過(guò)570℃，保溫時(shí)間也不易過(guò)長(cháng)，如果溫度高于570℃，保溫時(shí)間過(guò)長(cháng)會(huì )引起石墨化使構件強度降低。如果升溫速度過(guò)快，構件在升溫中薄壁處升溫速度比厚壁處快的多，構件各部分的溫差急劇增會(huì )造成附加溫度應力。如果附加應力與構件本身的殘余應力疊加超過(guò)強度極限，就會(huì )造 成構件開(kāi)裂。熱時(shí)效降溫不當，會(huì )使時(shí)效效果大為降低，甚至產(chǎn)生與原殘余應力相同的溫度應力(二次應力)，并殘留在構件中，從而破壞了已取得的熱時(shí)效效果。

  振動(dòng)時(shí)效

  振動(dòng)時(shí)效，在國外稱(chēng)之為“VSR”技術(shù)，它是在激振器的周期性外力(激振力 )的作用下，使被處理 的工件產(chǎn)生共振，并通過(guò)這種共振方式將一定的振動(dòng)能量傳遞到工件的所有部位，使工件內部發(fā)生微觀(guān)的塑 性變形—被歪曲的晶格逐漸恢復平衡狀態(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，終防止工件在加工和使用過(guò)程中變形和開(kāi)裂，保證工件尺寸精度的穩定性。

  振動(dòng)時(shí)效技術(shù)的原理及應用

  振動(dòng)時(shí)效工藝的簡(jiǎn)單程序

  振動(dòng)處理技術(shù)又稱(chēng)做振動(dòng)消除應力法，在我國稱(chēng)做振動(dòng)時(shí)效。它是將一個(gè)具有偏心重塊的電機系統稱(chēng)做 激振器安放在構件上，并將構件用橡膠墊等彈性物體做支撐，如圖所示。

  通過(guò)控制器啟動(dòng)電機并調節其轉速，使構件處于共振狀態(tài)，約經(jīng)20—30分鐘的振動(dòng)處理即可達到調整 殘余應力的目的。圖中的振動(dòng)測試系統是用來(lái)監測動(dòng)應力幅值及其變化的。實(shí)際生產(chǎn)上使用中不需要做動(dòng)應 力監測，振動(dòng)時(shí)效設備本身具有模擬振幅監測系統。

  振動(dòng)時(shí)效的原理

  從宏觀(guān)角度分析，振動(dòng)時(shí)效使零件產(chǎn)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(wú)意識導致零件尺寸精度穩定的基本原因。從分析殘余應力松弛和零件變形中可知，殘余應力的存在及其不穩定性造成了應力松弛和再分布，使零件發(fā)生塑性變形。故通常采用熱時(shí)效方法以消除和降低殘余應力，特別是危險的峰值應力。振動(dòng)時(shí)效同樣可以降低殘余應力。零件在振動(dòng)處理后殘余應力通?？山档?0~55﹪，同時(shí) 也使峰值應力降低，使應力分布均勻化。

  從微觀(guān)方面分析，振動(dòng)時(shí)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動(dòng)應力。工程上采用的材料都不是理想的彈性體，其內部存在著(zhù)不同類(lèi)型的微觀(guān)缺陷。鑄鐵中更是存在著(zhù)大量形狀各異的切割金屬基體得石墨。故而無(wú)論是鋼、鑄鐵或其他金屬，其中的微觀(guān)缺陷附近都存在著(zhù)不同程度的應力集中。當受到振動(dòng)時(shí)，施加于零件上的交變應力與零件中的殘余應力疊加。當應力疊加的結果達到一定的數值時(shí)，在應力集中嚴重的部位就會(huì )超過(guò)材料的屈服極限而發(fā)生塑性變形。這種塑性變形降低了該處殘余應力峰值，并強化了金屬機體。而后，振動(dòng)又在一些應力集中較嚴重的部位上產(chǎn)生同樣作用，直至振動(dòng)附加應力與殘余應力疊加的代數和不能引起任何部位的塑性性別為止，此時(shí)，振動(dòng)便不再產(chǎn)生消除和均化殘余應力及強化金屬作用。

  振動(dòng)時(shí)效工藝

  振動(dòng)時(shí)效的工藝過(guò)程分四步進(jìn)行：

  第1步：首先用彈性橡膠墊將要時(shí)效處理的工件在其節線(xiàn)附近支撐起來(lái)，并將激振器用弓形卡具卡緊在 工件振動(dòng)時(shí)的波峰處，將測試工件振動(dòng)情況的傳感器用磁坐吸緊在工件上，并使用專(zhuān)業(yè)的電纜線(xiàn)將激振器、傳感器和控制器連接起來(lái)，這一步又稱(chēng)為準備過(guò)程。

  第2步：振動(dòng)時(shí)效設備以?huà)呙璧姆绞阶詣?dòng)檢測出被時(shí)效處理工件的固有共振頻率和應該給工件振動(dòng)能量 的大小，這一步又稱(chēng)為振前掃描。

  第3步：振動(dòng)時(shí)效設備以第二步測得參數為依據自動(dòng)確定出對工件進(jìn)行振動(dòng)處理的振動(dòng)頻率，并對工件 進(jìn)行振動(dòng)時(shí)效處理，在處理過(guò)程中隨時(shí)檢測振動(dòng)參數和工件殘余應力的變化，而殘余應力不再消除時(shí)即適時(shí) 停止處理過(guò)程，這一步又稱(chēng)為振動(dòng)處理過(guò)程。

  第4步：振動(dòng)處理完畢后，振動(dòng)時(shí)效設備自動(dòng)對被時(shí)效處理工件的參數進(jìn)行再一次檢測，以便依據JB/ T5926-91或JB/T10375-2002標準，對振動(dòng)時(shí)效進(jìn)行判定。這一步又稱(chēng)為時(shí)效效果檢測過(guò)程或振后掃描。

  振動(dòng)時(shí)效工藝應用實(shí)例

  振動(dòng)時(shí)效工藝應用實(shí)例、方型工件的振動(dòng)時(shí)效工藝、圓環(huán)型構件的振動(dòng)時(shí)效工藝、圓環(huán)型構件的振動(dòng)時(shí)效工藝、軸類(lèi)零件的振動(dòng)時(shí)效工藝、振動(dòng)平臺振動(dòng)時(shí)效工藝

  梁型工件的振動(dòng)處理工藝

  某廠(chǎng)成批生產(chǎn)的B1010A刨床的床身，材質(zhì)為HT200，重量問(wèn)6500kg，輪廊尺寸為 6900×980×580mm，為典型的梁型件，我們首先用四個(gè)橡膠墊在床身下面距端部2/9L即1530mm處將床 身支撐起來(lái)。該床身兩頭為油箱，中間夾激振器不方便，所以我們把激振器用弓形卡具卡緊在床身端頭油箱 處。加速度計用磁鐵吸緊在床身的另一端頭。

  用VSRDS-08型振動(dòng)時(shí)效裝置對床身進(jìn)行掃頻處理，測得其一階固有頻率為2334r/min,即38.9Hz，共 振加速度值為48.9m/s2。這時(shí)K2型激振器的偏心率調在26%(本激振器偏心裝置在0～100%范圍內無(wú)極可 調)。

  我們按峰值48.9m/s2 的1/2確定振動(dòng)頻率為2303r/min振動(dòng)處理約10分鐘，加速度值基本保持不變了， 再處理3分鐘，即共13分鐘。然后再對床身進(jìn)行掃頻處理，發(fā)現共振頻率已發(fā)生前移，峰值已升高，符合JB/ T5926—2005驗收標準中第4.12條第c、d兩項驗收指標，達到消除和均化殘余應力的目的。

  方型工件的振動(dòng)時(shí)效工藝

  某廠(chǎng)生產(chǎn)的J31—400壓力機的橫梁，為焊接結構件，重量為137000kg，輪廓尺寸為 2090×2030×1520，為較為典型的方型件。我們在其底面采用三點(diǎn)支撐方式，橡膠墊距相鄰的兩端面的 距離約為該邊長(cháng)度的1/3。激振器用螺栓擰緊在橫梁頂面的中間部位，加速度計吸緊在靠近一側的中間位置 上。如圖用VSRDS-08型振動(dòng)時(shí)效裝置對其進(jìn)行掃頻處理，測得其固有共振頻率為4572r/min即76.2Hz, 共振峰高度為32.6m/s2,鑒于該工件剛性較大，我們選擇其共振峰值32.6 m/s2的2/3來(lái)確定振動(dòng)頻率為4551r/ min,振動(dòng)處理18分鐘，VSRDS-08型微機內部的專(zhuān)家系統就判定為達到效果而自動(dòng)關(guān)機，從隨后第二次掃頻的數據和曲線(xiàn)圖上看，與第1次掃頻的比較，已出現共振頻率左移、峰值升高、帶變窄三種現象，符合JB/ T5926-2005標準中的第4.12條的c、d、e三項驗收指標

  圓環(huán)型構件的振動(dòng)時(shí)效工藝

  某廠(chǎng)生產(chǎn)的SYI1920/2850型風(fēng)機葉輪是專(zhuān)門(mén)為發(fā)電廠(chǎng)引排粉塵設備配套的，以前一直沿用熱時(shí)效方式 來(lái)消除焊接應力，由于量大，交貨期短，熱時(shí)效變形較嚴重，故委托我公司進(jìn)行振動(dòng)時(shí)效處理。 該葉輪外徑2850mm，內徑1920mm，厚度350mm，為焊接結構，屬較典型園環(huán)形件，我們采用三點(diǎn)支 撐，沿圓周上三點(diǎn)均布。激振器用C形卡具卡緊在內圓處，傳感器放在葉輪的外圓周上。

  用VSRDS-08型振動(dòng)時(shí)效裝置測得該葉輪固有頻率為10532r/min，共振峰值為43.3m/，這時(shí)選擇的是 K2型激振器，偏心量為28%左右。我們選擇在峰值43.3m/的1/3所對應的頻率10486 r/min下進(jìn)行振動(dòng)時(shí)效處 理12分鐘，在進(jìn)行第二次掃頻，可知，對該葉輪的振動(dòng)時(shí)效處理時(shí)間為14分鐘。