振動(dòng)時(shí)效設(shè)備-為機(jī)械制造業(yè)搭橋

第一章  振動(dòng)時(shí)效背景

一、振動(dòng)時(shí)效技術(shù)應(yīng)用

振動(dòng)時(shí)效技術(shù)，國(guó)外稱(chēng)之為“Vibrating Stress Relief”簡(jiǎn)稱(chēng)“VSR”,旨在 通過(guò)專(zhuān)業(yè)的振動(dòng)時(shí)效設(shè)備，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(nèi)部發(fā)生微觀(guān)的塑性變形――被歪曲的晶格逐漸 回復(fù)平衡狀態(tài)。位錯(cuò)重新滑移并釘扎，從而使工件內(nèi)部的殘余應(yīng)力得以消除和均化，最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(wěn)定性。

二、振動(dòng)時(shí)效的特點(diǎn)

1.       時(shí)效效果好

2.       靈活性強(qiáng)

3.       徹底解決了熱時(shí)效爐窯的環(huán)境污染問(wèn)題

4.       投資少

5.       節(jié)能顯著

6.       效率高

7.       特別時(shí)候不宜高溫時(shí)效的材料和零件的消除應(yīng)力處理

表一 振動(dòng)時(shí)效與熱時(shí)效特點(diǎn)比較

三、振動(dòng)時(shí)效的由來(lái)及現(xiàn)狀

1.       由來(lái)及國(guó)外的應(yīng)用情況

在工件的鑄造、焊接、鍛造、機(jī)械加工、熱處理、校直等制造過(guò)程中在工件的內(nèi)部產(chǎn)生殘余應(yīng)力，而殘余應(yīng)力的存在 必然會(huì)導(dǎo)致一些不良的后果出現(xiàn)。

如：降低工件的實(shí)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(yīng)力腐蝕；

降低工件的疲勞壽命等。

消除應(yīng)力有：自然時(shí)效、熱時(shí)效、振動(dòng)時(shí)效、靜態(tài)過(guò)載時(shí)效、時(shí)效、循環(huán)加載時(shí)效等，雖然都有有缺點(diǎn)，但都在一定程度上達(dá)到消除和均化的目的。

振動(dòng)時(shí)效源自于敲擊時(shí)效，在焊接中，施焊一段時(shí)間后立即用小錘對(duì)焊縫及周邊進(jìn)行敲擊以防止裂紋產(chǎn)生，其原因就是隨時(shí)將焊接應(yīng)力消除一些，以免最終產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中。

敲擊法能量有限，后來(lái)發(fā)現(xiàn)使工件產(chǎn)生共振時(shí)，可給工件出入最大的振動(dòng)能力，從而于1915年在美國(guó)產(chǎn)生世界上第一臺(tái)關(guān)于振動(dòng)消除殘余應(yīng)力的專(zhuān)利。直到五十年代后期，電動(dòng)機(jī)制造水平的提高，輕巧的振動(dòng)時(shí)效設(shè)備陸續(xù)在美國(guó)、德國(guó)、英國(guó)、法國(guó)、蘇聯(lián)等國(guó)家出現(xiàn)，并不斷地被應(yīng)用到機(jī)械制造業(yè)中，大量的實(shí)際應(yīng)用證明這種方法比熱時(shí)效更能提高工件的尺寸穩(wěn)定性。

2.       國(guó)內(nèi)發(fā)展及現(xiàn)狀

   國(guó)內(nèi)發(fā)展較晚，首先由孫照清總工程師等老一輩技術(shù)專(zhuān)家于74年出國(guó)考察，把技術(shù)帶回國(guó)內(nèi)，并開(kāi)始在機(jī)械部、航空部研究移植，并在“六五”期間在機(jī)械部提出攻關(guān)課題―――提高機(jī)床鑄件產(chǎn)品質(zhì)量的大課題里面確定“振動(dòng)時(shí)效可行性研究”。八五年機(jī)械部特批二萬(wàn)五千美金與美國(guó)馬丁公司合作，引進(jìn)當(dāng)時(shí)世界上最先進(jìn)的VSR－－790型振動(dòng)時(shí)效設(shè)備及相關(guān)技術(shù)。

  特別是九一年JB/T5926-91《振動(dòng)時(shí)效工藝參數(shù)選擇及技術(shù)時(shí)效設(shè)備要求》標(biāo)準(zhǔn)的誕生，使該技術(shù)得以較快的推廣和發(fā)展。

第二章 關(guān)于殘余應(yīng)力

一、             殘余應(yīng)力的分類(lèi)

1.力相互作用或平衡范圍分類(lèi)

2.金屬學(xué)分類(lèi)

3.       應(yīng)力產(chǎn)生的工藝過(guò)程分類(lèi)：

鑄造殘余應(yīng)力

焊接殘余應(yīng)力

壓力加工殘余應(yīng)力

切削加工殘余應(yīng)力

熱時(shí)效殘余應(yīng)力

鍍層殘余應(yīng)力

表面硬化處理殘余應(yīng)力

校直殘余應(yīng)力等

4.       按引起殘余應(yīng)力的工藝機(jī)構(gòu)分類(lèi)

5.       按物理學(xué)分類(lèi)

6.       按應(yīng)力存在時(shí)間的長(zhǎng)短分類(lèi)

二、殘余應(yīng)力的機(jī)理

1.       由于機(jī)械加工產(chǎn)生不均勻的塑性變形引起的殘余應(yīng)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(yīng)力。

3.       由于公差產(chǎn)生的殘余應(yīng)力。

4.       還有由于化學(xué)變化等多種原因都可能產(chǎn)生殘余應(yīng)力。

三、殘余應(yīng)力對(duì)金屬構(gòu)件的影響

1.       對(duì)金屬材料屈服極限的影響

2.       殘余應(yīng)力對(duì)疲勞壽命的影響

3.       殘余應(yīng)力對(duì)構(gòu)件變形的影響

4.       殘余應(yīng)力對(duì)金屬脆性破壞的影響

第三章消除殘余應(yīng)力的方法

一、自然時(shí)效

自時(shí)效是通過(guò)把零件暴露于室外，經(jīng)過(guò)幾個(gè)月甚至幾年的時(shí)間，使其尺寸精度達(dá)到穩(wěn)定的一種方法。這種時(shí)效方法早已被普遍采用。大量的試驗(yàn)研究和生產(chǎn)實(shí)踐證明，自然時(shí)效具有穩(wěn)定鑄件尺寸精度的良好效果。

二、熱時(shí)效

1.用的工藝方法就是進(jìn)行消除應(yīng)力的退火，這種方法的特點(diǎn)就是能夠大幅度的降低構(gòu)件的殘余應(yīng)力，尺寸精度穩(wěn)定。

構(gòu)件加熱到400－700°C時(shí)，技術(shù)構(gòu)件即具有相當(dāng)?shù)膯涡?，同時(shí)具有明顯的塑性，這個(gè)溫度范圍稱(chēng)為彈性轉(zhuǎn)變溫度。

2.影響熱時(shí)效效果的因素

a.     熱時(shí)效中，退火溫度是影響消除殘余應(yīng)力效果的最重要因素。

b.     熱時(shí)效保溫時(shí)間

c.     熱時(shí)效升溫速度

d.     熱時(shí)效降溫速度

e.     熱時(shí)效爐的溫差

f.     工件在爐中的放置與支撐

三、靜態(tài)過(guò)載法   

是以靜力或靜力矩的形式，暫時(shí)加載于構(gòu)件上，并在這種載荷下保持一段時(shí)間，從而使零件尺寸精度獲得穩(wěn)定的時(shí)效方法。

用于焊接件時(shí)需要將載荷加大到使原來(lái)應(yīng)力與附加應(yīng)力之和接近于材料的屈服極限，才能消除殘余應(yīng)力。

靜態(tài)過(guò)載法的精度穩(wěn)定性效果，取決于附加應(yīng)力的大小及應(yīng)力下保持時(shí)間。

特別指出，靜態(tài)過(guò)載法處理后構(gòu)件中仍然保持著相當(dāng)大的殘余應(yīng)力。

四、熱沖擊時(shí)效法

1970年前后出現(xiàn)的一種新穎的穩(wěn)定工件尺寸精度的時(shí)效工藝法。

其實(shí)質(zhì)就是將工件進(jìn)行快速加熱，使加熱過(guò)程中造成的熱應(yīng)力正好與殘余應(yīng)力疊加，超過(guò)材料的屈服極限引起塑性變形，從而使原始?xì)堄鄳?yīng)力很快松弛并穩(wěn)定化。

五、超聲波時(shí)效法

超聲波時(shí)效法首先在前蘇聯(lián)誕生，并在發(fā)達(dá)國(guó)家得到推廣，該方法起先主要應(yīng)用于船舶、核潛艇、航空航天等對(duì)消除應(yīng)力非常嚴(yán)格的軍事領(lǐng)域。

第四章 振動(dòng)時(shí)效原理

一、振動(dòng)時(shí)效的特點(diǎn)

  振動(dòng)時(shí)效的實(shí)質(zhì)是以共振的形式給工件施加附加動(dòng)應(yīng)力，當(dāng)附加動(dòng)應(yīng)力與殘余應(yīng)力疊加后，達(dá)到或超過(guò)材料的屈服極限時(shí)，工件發(fā)生微觀(guān)或宏觀(guān)塑性變形，從而降低和均化工件內(nèi)部的殘余應(yīng)力，并使其尺寸精度達(dá)到穩(wěn)定。

其特點(diǎn)有：

1.     投資少

2.     生產(chǎn)周期短

3.     使用方便

4.     適應(yīng)性強(qiáng)

5.     節(jié)約能源，降低成本

6.     機(jī)械性能顯著提高

7.     符合環(huán)保要求

8.     操作簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)機(jī)械自動(dòng)化。

9.     可避免金屬零件在熱時(shí)效過(guò)程中產(chǎn)生的翹曲變形、氧化、脫碳及硬度降低等缺陷。

二、振動(dòng)時(shí)效的機(jī)理

1.     從宏觀(guān)的角度分析，振動(dòng)時(shí)效使零件產(chǎn)生塑性變形，降低和均化殘余應(yīng)力并提高材料的抗變形能力，無(wú)疑是導(dǎo)致零件尺寸精度穩(wěn)定的基本原因。由振動(dòng)時(shí)效的加載試驗(yàn)結(jié)果可知，振動(dòng)時(shí)效件的抗變形能力不僅高于未經(jīng)時(shí)效的零件，也高于經(jīng)熱時(shí)效處理的零件。

2.     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的動(dòng)應(yīng)力。

3.     從錯(cuò)位、晶格滑移等金屬學(xué)理論上解釋?zhuān)渲饕^(guān)點(diǎn)是振動(dòng)時(shí)效處理過(guò)程實(shí)際上是通過(guò)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(dòng)能量，如果施加的這個(gè)能量值與微觀(guān)組織本身原有的能量值之和，足以克服微觀(guān)組織周?chē)木畡?shì)（恢復(fù)平衡的束縛力），則微觀(guān)區(qū)域必然會(huì)產(chǎn)生塑性變形，使產(chǎn)生殘余應(yīng)力的歪曲晶格得以慢慢地恢復(fù)平衡狀態(tài)，使應(yīng)力集中處的錯(cuò)位得以滑移并重新釘扎，達(dá)到消除和均化殘余應(yīng)力的目的。

三、振動(dòng)時(shí)效工藝過(guò)程

A.振動(dòng)工藝裝備如圖所示：它是將一個(gè)具有偏心重塊的電機(jī)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(guò)主機(jī)控制電機(jī)并調(diào)速，使工件處于共振狀態(tài)。一般工件經(jīng)30分鐘的振動(dòng)處理即可達(dá)到調(diào)整均化殘余應(yīng)力的目的。

主機(jī)：控制電機(jī)的啟動(dòng)及調(diào)速、信號(hào)的收集、處理、顯示及打印參數(shù)
激振器：強(qiáng)迫工件振動(dòng)并將電機(jī)轉(zhuǎn)速及激振頻率反饋回主機(jī)
拾振器：把振動(dòng)響應(yīng)如加速度幅值等反饋回主機(jī)
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(gòu)件上最大的動(dòng)應(yīng)力來(lái)確定，即應(yīng)保證 σd+σr≥[σ]。Σd與構(gòu)件的材料和結(jié)構(gòu)有關(guān)，一般鑄件為∓2kgf/mm2,軟鋼件為∓7kgf/mm2。

3、激振時(shí)間：振動(dòng)的前10分鐘殘余應(yīng)力變化最快，20分鐘后趨于穩(wěn)定，一般認(rèn)為處理20-50分鐘即可。

4、激振點(diǎn)和支撐點(diǎn)：支撐點(diǎn)應(yīng)該在工件振動(dòng)節(jié)點(diǎn)上，激振點(diǎn)一般在兩點(diǎn)支撐點(diǎn)間剛性較大的位置上。

5、用振動(dòng)時(shí)效過(guò)程中測(cè)出的動(dòng)態(tài)參數(shù)曲線(xiàn)，根據(jù)曲線(xiàn)的變化、現(xiàn)場(chǎng)，及時(shí)判斷振動(dòng)效果，是國(guó)內(nèi)外推薦認(rèn)可的方法。

振動(dòng)時(shí)效最重要的幾個(gè)參數(shù)是：“支撐點(diǎn)、振型、激振點(diǎn)、拾振點(diǎn)、加速度、固有頻率、時(shí)間。”其中振動(dòng)加速度、共振頻率、共振時(shí)間是決定時(shí)效工藝效果的主要參數(shù)。

振動(dòng)時(shí)效的實(shí)質(zhì)，是在工件的低頻亞共振點(diǎn)，穩(wěn)定地亞共振振動(dòng)15-30分鐘左右，使共振峰出現(xiàn)變化，內(nèi)部發(fā)生微觀(guān)的彈性塑性力學(xué)變化，從而實(shí)現(xiàn)時(shí)效目的。