振動時效的原理及應用

  振動時效的特點及其發展概況

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

  振動時效工藝特點

  1.機械性能顯著提高

  經振動時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

  設備簡易且易搬動，不受工件大小和材料的限制，幾百噸的工件都適用，特別是對一些工件無法進行熱時效時，振動時效的優越性就體現了出來。

  3.節省時間、能源和費用

  振動時效只需30分鐘左右即可進行下道工序，無需消耗大量煤油、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程中，構件內部不可避免地會產生殘余應力。生產過程中應力產生主要工藝 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。

  殘余應力的產生

  1. 由于機械加工產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生的殘余應力。當施加外力時，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，在冷卻過程中往往會發生塑性至彈性的轉變。以鑄鐵件和碳鋼 焊接件為例;無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境中，構件都要經 過這個塑性—彈性轉變溫度區間700---400℃，由于構件冷卻是從外到內的，就會產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固化，而內部因為繼續冷卻而收縮，構件 外部不讓其收縮產生殘余應力。

  殘余應力對金屬構件的影響

  殘余應力對疲勞壽命的影響

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

  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方面，一方面是構件抗靜、動荷載的變形能力，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裂。它在溫度突然下降或變形速度突然上升的情 況下易發生。這是塑性變形處于壓抑狀態，如在突然受到較大的作用應力等原因，就易于發生存型斷裂破 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。

  時效方法簡介

  自然時效

  自然時效是較古老的時效方法。它是把構件露天放置于室外，經過幾個月至幾年的風吹.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載下促使殘余應力發生松弛而使尺寸 精度獲得穩定。

  自然時效降低的殘余應力不大，但對工件尺寸穩定性很好，原因是工件經過長時間的放置石墨頂部及其 它線缺陷頂部附近產生應力集中，發生了塑性變松弛了應力，同時也強化了這部分基體，于是該處的松弛剛 度也提高了，增加了這部分材質的抗變形能力，自然時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，方法簡單易行，但生產周期長.占用場地大，不易管理，不能及時發現構件內的 缺陷，已逐漸被淘汰。

  熱時效

  熱時效是將構件由室溫緩慢均勻加熱至550℃左右，保溫4—8小時，再嚴格控制降溫速度至150℃以下 出爐。

  熱時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，降溫速度不 大于20℃/小時。爐內溫度不許超過570℃，保溫時間也不易過長，如果溫度高于570℃，保溫時間過長會引起石墨化使構件強度降低。如果升溫速度過快，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強度極限，就會造 成構件開裂。熱時效降溫不當，會使時效效果大為降低，甚至產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效效果。

  振動時效

  振動時效，在國外稱之為“VSR”技術，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，使工件內部發生微觀的塑 性變形—被歪曲的晶格逐漸恢復平衡狀態。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程中變形和開裂，保證工件尺寸精度的穩定性。

  振動時效技術的原理及應用

  振動時效工藝的簡單程序

  振動處理技術又稱做振動消除應力法，在我國稱做振動時效。它是將一個具有偏心重塊的電機系統稱做 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。

  通過控制器啟動電機并調節其轉速，使構件處于共振狀態，約經20—30分鐘的振動處理即可達到調整 殘余應力的目的。圖中的振動測試系統是用來監測動應力幅值及其變化的。實際生產上使用中不需要做動應 力監測，振動時效設備本身具有模擬振幅監測系統。

  振動時效的原理

  從宏觀角度分析，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，使零件發生塑性變形。故通常采用熱時效方法以消除和降低殘余應力，特別是危險的峰值應力。振動時效同樣可以降低殘余應力。零件在振動處理后殘余應力通?？山档?0~55﹪，同時 也使峰值應力降低，使應力分布均勻化。

  從微觀方面分析，振動時效可視為一種以循環載荷的形式施加于零件上的一種附加動應力。工程上采用的材料都不是理想的彈性體，其內部存在著不同類型的微觀缺陷。鑄鐵中更是存在著大量形狀各異的切割金屬基體得石墨。故而無論是鋼、鑄鐵或其他金屬，其中的微觀缺陷附近都存在著不同程度的應力集中。當受到振動時，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，在應力集中嚴重的部位就會超過材料的屈服極限而發生塑性變形。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，振動又在一些應力集中較嚴重的部位上產生同樣作用，直至振動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，振動便不再產生消除和均化殘余應力及強化金屬作用。

  振動時效工藝

  振動時效的工藝過程分四步進行：

  第1步：首先用彈性橡膠墊將要時效處理的工件在其節線附近支撐起來，并將激振器用弓形卡具卡緊在 工件振動時的波峰處，將測試工件振動情況的傳感器用磁坐吸緊在工件上，并使用專業的電纜線將激振器、傳感器和控制器連接起來，這一步又稱為準備過程。

  第2步：振動時效設備以掃描的方式自動檢測出被時效處理工件的固有共振頻率和應該給工件振動能量 的大小，這一步又稱為振前掃描。

  第3步：振動時效設備以第二步測得參數為依據自動確定出對工件進行振動處理的振動頻率，并對工件 進行振動時效處理，在處理過程中隨時檢測振動參數和工件殘余應力的變化，而殘余應力不再消除時即適時 停止處理過程，這一步又稱為振動處理過程。

  第4步：振動處理完畢后，振動時效設備自動對被時效處理工件的參數進行再一次檢測，以便依據JB/ T5926-91或JB/T10375-2002標準，對振動時效進行判定。這一步又稱為時效效果檢測過程或振后掃描。

  振動時效工藝應用實例

  振動時效工藝應用實例、方型工件的振動時效工藝、圓環型構件的振動時效工藝、圓環型構件的振動時效工藝、軸類零件的振動時效工藝、振動平臺振動時效工藝

  梁型工件的振動處理工藝

  某廠成批生產的B1010A刨床的床身，材質為HT200，重量問6500kg，輪廊尺寸為 6900×980×580mm，為典型的梁型件，我們首先用四個橡膠墊在床身下面距端部2/9L即1530mm處將床 身支撐起來。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型振動時效裝置對床身進行掃頻處理，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%范圍內無極可 調)。

  我們按峰值48.9m/s2 的1/2確定振動頻率為2303r/min振動處理約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。然后再對床身進行掃頻處理，發現共振頻率已發生前移，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。

  方型工件的振動時效工藝

  某廠生產的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支撐方式，橡膠墊距相鄰的兩端面的 距離約為該邊長度的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型振動時效裝置對其進行掃頻處理，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來確定振動頻率為4551r/ min,振動處理18分鐘，VSRDS-08型微機內部的專家系統就判定為達到效果而自動關機，從隨后第二次掃頻的數據和曲線圖上看，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

  圓環型構件的振動時效工藝

  某廠生產的SYI1920/2850型風機葉輪是專門為發電廠引排粉塵設備配套的，以前一直沿用熱時效方式 來消除焊接應力，由于量大，交貨期短，熱時效變形較嚴重，故委托我公司進行振動時效處理。 該葉輪外徑2850mm，內徑1920mm，厚度350mm，為焊接結構，屬較典型園環形件，我們采用三點支 撐，沿圓周上三點均布。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型振動時效裝置測得該葉輪固有頻率為10532r/min，共振峰值為43.3m/，這時選擇的是 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下進行振動時效處 理12分鐘，在進行第二次掃頻，可知，對該葉輪的振動時效處理時間為14分鐘。