〔大学论文〕振动时效技术论文(含word文档).pdf

1绪论 1.1振动时效技术特点 金属构件在焊接、铸造、锻造和机械加工等工艺过程中,其内部将产生残余应力,极 大地影响了构件的尺寸稳定性、刚度、强度和机械加工性能等。 “时效”是降低残余应 力使构件尺寸精度稳定的方法。目前用于消除残余应力的通用方法有：热时效、自然时 效和振动时效。热时效存在着能耗大、成本高、材料机械性能下降、大工件无法处理等 弊端；自然时效时间长,效率低,仅能使应力消除 2 %10 %等弱点。国外 60 年代开始研 究采用振动时效来消除金属工件内残余应力。随着研究的深入，振动时效工艺技术便产 生并不断改进。振动时效工艺，国外称为“vsr”方法，是利用共振原理降低和均化金 属结构内部残余应力，获得结构尺寸精度稳定的一种新技术，其特点可完全取代传统的 热时效和自然时效工艺，具体特点如下： 投资少。与热时效相比它无需庞大的时效炉，可节省占地面积与昂贵的设备投 资。 现代工业中的大型铸件与焊接件如采用热时效消除应力则需建造大型时效炉不仅造 价昂贵利用率低，而且炉内温度很难均匀消除应力效果很差，采用振动时效可以完全避 免这些问题。因此目前对长达几米至几十米的桥梁船舶，化工器械的大型焊接件和重达 几吨至几十吨的超重型铸件较多地采用了振动时效。 生产周期短。自然时效需经几个月的长期放置，热时效亦需经数十小时的周期 方能完成。而振动时效一般只需振动数十分钟即可完成，而且振动时效不受场地限制， 可减少工件在时效前后的往返运输，如将振动设备安置在机械加工生产线上，不仅使生 产安排更紧凑而且可以消除加工过程中产生的应力。 使用方便。振动设备体积小、重量轻，因此便于携带。由于振动处理不受场地 限制，振动装置又可携至现场，所以这种工艺与热时效相比使用简便适应性较强。 节约能源降低成本。在工件的共振频率下进行时效处理耗能极小，实践证明功 率0.180.74kw的机械式激振器可振动150t以下的工件，故粗略计算其能源消耗仅为热 时效3%5%，成本仅为热时效的8%10%。 其他。振动时效操作简便易于实现机械化、自动化；可避免金属零件在热时效 过程中产生的翘曲变形、氧化、脱碳及硬度降低等缺陷；是目前唯一能进行二次时效的 方法；它又是绿色技术，在时效过程中无污染1 ，2，3。 1.2振动时效技术的发展及现状 1.2.1振动时效的发展及国外应用情况 振动时效源自于敲击时效，我们知道在焊接过程中有经验的焊接师傅在施焊一段时 间后立即用小锤对焊缝及周边进行敲击以防止产生裂纹，究其原因既是随时将焊接应力 消除一些，以免最终产生较大的应力集中。而实际上这种敲击的能量是有限的，后来人 们发现使工件产生共振时可给工件输入最大的振动能量。因此，用振动的方法消除金属 构件残余应力的技术，由美国著名物理学家 j.w.stratt 于 1900 年在美国取得了专利。 其基本思想是通过对应力工件施以循环载荷，使工件内应力释放，从而使工件残余应力 降低、尺寸稳定。但由于当时难以制造出高频率、轻巧的振动时效设备，且对其机理也 尚待研究， 所以二十世纪五十年代以前， 这项技术的发展十分缓慢， 到了五十年代后期， 由于电动机制造水平不断的提高，轻巧的振动时效设备陆续在美国、德国、英国、法国、 苏联等国家出现，并不断地被应用到机械制造业中，大量的实际应用证明这种方法比热 时效更能提高工件的尺寸稳定性4。实际应用的成功又大大地促进了人们对其机理的探 讨，所以这一时期产生了大量的有关振动时效的论文，到目前为止，上述国家的较大型 机械制造厂商基本上都在采用这一时效技术。 许多国家还将振动时效定为某些机械构件 必须采用的标准工艺。 1.2.2振动时效在国内的发展及现状 国内开展这项工作比较晚，首先由孙照清总工程师等老一辈的工程技术专家74年出 国考查访问时，把这项技术带回国内，并开始在机械部、航空部研究移植，并于“六五” 期间在机械部提出的攻关课题之一提高机床铸件产品质量的大课题里面确定了 “振动 时效可行性研究”这一子课题。振动时效技术于1991年被国务院新技术办公室批准为国 家重点推广项目，并在同年出台了jb/t592691振动时效工艺参数选择及技术要求， 推动了此技术的推广。1993年被国家科委列为“国家级科技成果重点推广计划”项目。 目前，我国已有大量振动时效设备投入使用，涉及领域包括机床、冶金、矿山、航空、 航天、军工、轻工、电力、纺织、风机、建筑、造纸等几乎所有机械制造行业。随着其 应用日益广泛， 对其研究也越来越深入5。 我国科技工作者经过多年努力,在振动时效技 术发展和设备研制上取得了突破性进展,振动时效设备从普通型发展到智能型、专家型； 在操作方式及数据分析上由人工手工完成发展到计算机分析处理数据；电控工艺过程自 动控制并达到最佳振动时效效果。 可以说在振动时效技术上我国已经取得了相当大的突 破。 1.3本次课题研究背景及意义 随着加快制造业的发展，对其工艺的要求越来越高，而由于金属构件在加工过程中 产生的残余应力又对构件的尺寸、结构等方面存在着潜在的危害，很可能影响到整个加 工，所以消除残余应力是在现代加工过程中不可缺少的部分。又由于振动时效在消除残 余应力方面有着传统方法无法媲美的优势，它的应用将大大改善残余应力，可以满足加 工的需要。尤其在能源紧缺、限制环境污染及高效生产的形势下，振动时效技术越来越 受到国内外的重视，其发展空间是巨大的。同时，在这种情况下，对振动时效技术的要 求也会越来越高，就要必须加大对其研究和开发，使其快速发展，以满足市场的需要。 但是，由于我国对这方面的研究起步较晚还不够深入，而以前的研究大都是对其某一部 分的研究，而并没有全面的探讨，所以在推广上存在着较多困难。本次课题主要是从这 项技术总体出发，研究包括机械部分、原理、工艺以及控制单元，使其形成一个整体脉 络，为后续的研究打下一个良好的基础。这就是本次课题的研究意义。 1.4本次课题研究内容 本次课题的研究内容是研究振动时效工艺设备，并设计一种振动时效工艺设备。 具 体内容如下： 1、查阅国内外振动时效工艺设备的发展和应用状况及相关文献； 2、研究振动时效工艺的原理，时效工艺的关键技术和知识点； 3、设计振动部件的机械结构和零件； 4、设计测控单元的原理构成及转速控制； 其中最重要的是掌握振动时效工艺原理，时效工艺的关键技术和知识点，使其形成 一个系统脉络，因为只有在这个前提下，才可能很好的完成其它的任务。同时其也是为 后续研究提供的重要理论依据。 2振动时效技术原理 2.1振动时效的基本机理 振动时效处理是将激振器装夹在工件上，由控制箱的控制调整激振器频率，使工件 处于共振状态，在交变应力作用下振动一定时间后，使构件的残余应力降低和均化。 典 型的振动时效系统如图 2.1 所示。 1. 工件2. 弹性支承3. 激振器4. 控制器 5. 传感器6. 应变计7. 应变仪 图 2.1 典型振动时效系统 对于振动时效的机理， 国内外已经进行了大量的研究工作，取得了以下的共识。 从宏观角度分析,振动时效可视为以循环载荷的形式对工件施加附加应力。众所周 知,工程上采用的材料都不是理想的弹性体,其内部都存在着不同程度的应力。当受到振 动时,施加于零件上的交变动应力与零件中的残余应力叠加,当叠加的结果达到一定的 数值后,在应力集中严重的部位就会超过材料的屈服极限而发生塑性变形,塑变降低了 该处残余应力峰值,提高了构件尺寸的稳定性，并强化了金属基体。 从微观角度分析，振动时效的过程,实质上是金属材料内部晶体位错运动、增殖、 塞积和缠结的过程。由于金属材料存在位错,在构件内部产生的交变动应力与内部的残 余应力相互叠加,在应力较高的区域,就可产生位错滑移,出现微小塑性变形。在足量的 循环载荷作用下,可使位错源开动起来。 位错滑移是单向进行线性累积的,当微应变累积 到一个宏观量,构件宏观内应力随之松弛,使残余应力的峰值下降,改变了构件原有的应 力场,最终使构件的残余应力降低并重新分布,达到平衡。振动能的输入提高了构件内部 晶体的动能,当外界对构件施加周期性循环应力大于位错移动所必需的能量时,材料内 部出现位错移动,加快了畸变晶格向平衡位置的恢复速度,引起位错密度和位错点增加, 使位错塞积,造成位错移动受阻,从而强化了基体,提高了构件抗微小变形能力,使构件 的尺寸精度趋于稳定6。 2.2振动时效工艺 振动时效工艺的制定，是指最佳工艺参数的选择，这对残余应力的消除和均化是十 分重要的，它直接影响着时效的效果。振动时效的工艺内容包括激振力、激振频率、 振 动时间、支承点、激振点及拾振点的选择。 2.2.1振动处理工艺的制定过程 振动处理是将构件用相应的弹性物体支撑好， 其支承位置应尽量选在构件共振时的 节线处。再将激振器刚性地固定在离节线稍远的位置与控制系统连接好。调整激振力的 档级，开始应放在最小位置为宜。根据初步估算或经验找出动应力较大的一些点打磨并 贴上电阻应变片与动态应变仪相连接。在残余应力较大的点上打磨，并用 x 射线法或磁 应力法测其振动处理前的残余应力量值。以上即为振动时效的试振。 上述准备工作完成之后，开始进行振动处理工艺的参数选择：打开控制器开关， 使 激振器处于最低转速，打开记录器、动态应变仪等仪器开关。逐渐调整激振器的频率旋 钮（或自动选频按键） ，同时观察记录器上画出的曲线。当构件出现共振现象时，振幅 频率将出现一个波峰，动应力曲线也将出现一个最大量。一直扫频到控制器的额定频 率时， 由上述曲线可以观察到在设备允许的范围内构件可出现的共振次数及其共振频率 和在共振的情况下动应力的最大值。 在共振的同时，要注意观察构件的振型，以调整支撑位置到节线上。在停机后可再 适当调整激振器的位置，以使构件产生最大的振幅。这些均需反复进行。再根据动应力 测试的结果及经验数据来调整激振器激振力的档级。 支承点位置、激振器激振力档级调整好之后，开始进行振动时效工艺处理。将控制 器调到构件的共振频率上使其共振，同时进行时间振幅曲线的测量，以观测振动时效 的效果。经 30 分钟的处理，振幅时间曲线变平。这时降频到初始频率后再进行第二 次幅频特性扫描，即可在同一记录纸上得到两条幅频特性曲线。对比两条曲线的区别是 共振频率下降、共振峰左移、峰值升高。 停机后可进行效果检测，在振动处理前各残余应力测点上重新进行测量。视其减少 的量值而算出消除比例。 并可进行尺寸精度保持特性 （包括抗静、 动态载荷的变形能力） 的检验。如果这些都达到要求指标，即可根据上述测得的振动时效参数（激振力档级、 激振器位置和方向、支承和加速度传感器的位置、激振频率和激振时间等等）而制定出 生产工艺来。 2.2.2具体参数选择 1、激振力选择 激振力的大小是通过工件承受动应力值大小来衡量的，是振动时效工艺的一个决定 性参数，直接影响振动时效的效果。 振动时效过程中，激振器施加给零件动态附加动应力，其交变周期与激振力的交变 周期相对应。只有动应力与残余应力之和大于材料的屈服极限，即r动+ r残r。如果 工件的残余应力较小时，只需要选用较小的动应力，产生不大的塑性变形就能使零件达 到时效的目的；如果零件的残余应力较大的时候，就要选用较大的动应力，产生较大的 塑性变形来达到实效的目的7。但是，动应力必须要小于材料的疲劳极限。 构件振动的动应力来自于激振装置的激振力。对于机械式激振装置，激振力就是偏 心轮的旋转产生的离心力，其大小为：f=mrw 2sin（wt） ，其中 m:偏心轮质量；r：偏心 轮偏心距；w:角速度8。对于振动时效激振力的确定有以下方法： 一般来说动应力大则相应的加速度就大， 对于不同的结构件在时效处理时对动应力 的要求是不一样的，主要结构件的激振力可参照表2.1所列的主振频率和附振频率的加 速度峰值来进行。这是一个经验法。 表2.1 典型材料的主振频率和附振频率的加速度峰值表 最佳峰值（m/ s2）可适应峰值（m/ s2） 黑色 金属 焊接件 铸造件 平台件 60120 4080 4080 40140 40140 40140 吕合 金 焊接件 铸造件 平台件 5090 4060 4060 40110 40110 40110 铜合 金 焊接件 铸造件 平台件 50100 4080 4080 40120 40120 40120 在有条件的情况下我们可以用动态电阻应变仪来实际测量动应力，用以确定激振力 的大小。 有关试验数据说明， 在主振频率下， 最佳激振力值为： 焊接件 0.070.10kn/mm 2, 铸铁件 0.0250.035 kn/mm 2，若工件刚性大，固有频率高，激振力达不到最佳动应力 选 择 项类 型 值时，可适当放宽要求，一般刚件不小于 0.05 kn/mm 2，铸铁件不小于 0.015 kn/mm2。 还有就是我们事先用某些方法把构件的残余应力测量计算出，然后用过载系数 k 所 表示的零件原始残余应力和动应力值之比，即 k=激振力/残余应力（经验公式） ，计算出 激振力的大小，许多资料指出，使零件尺寸精度稳定的 k 值为 0.45。这个关系式已被大 量实践证明是可行的9。 2、激振频率确定 振动时效是工件在外部激振器激振力的持续作用下，零件处于“受迫振动”时的一 个特殊状态，即在激振器所产生的周期性外力的作用下使零件产生共振，从而达到时效 的目的，因此，在振动时效中，应首先确定零件的固有频率。零件的固有频率可用振动 时效设备的扫频功能来确定。在扫频的过程中，工件有时候会出现几个共振峰，而最重 要的是最低频率的振峰即一阶共振峰。因为这个频率低最容易引起共振，调试方便， 而 且峰值越高表明其处残余应力越集中。而这个共振频率就是振动时效的主振频率。 在一般情况下，时效处理应选择在一阶亚共振区进行(亚共振区是指一阶共振峰的 前沿，即最大加速度值的1/32/3处，这一点的频率就是振动主频率，对于一些刚性高 （固有频率高）的工件，可能固有频率超出了激振器的频率范围，此时可采用“分频共 振法”对工件进行时效处理，即在一阶共振频率的对应1/3和1/5等频率上对工件进行时 效处理10。 那么我们怎么来确定亚共振区呢？具体的确定方法有两种，下面举一个实际例子来 介绍这两种方法。 例子：一个工件的固有频率为4500r/min，共振时产生的最大振动加速度（峰值） 为60.0m/s 2，则对工件的振动时效频率就确定为工件的振动加速度值在原来的1/32/3 处，即20.040.0 m/s 2区域内所对应的频率。 手动调节：首先将激振器频率调节到工件固有频率一下 100r/min 处，即 4400r/min， 观察控制器上加速度的值， 然后再用手动慢慢升速， 使加速度值升高在 20 40 m/s 2范围内，具体掌握在多大的频率下，还要看工件的振动情况，若工件在共振状 态时振动很激烈，则可选择在 1/31/2 范围内，若工件振动不是很剧烈，则可选择在 1/22/3 范围内。 自动调节若控制器中含有专家系统在内的高智能，可编程控制器。那么它会自 动地控制整套设备对工件进行频率、振动情况的测试，并给出数据及曲线图，并根据专 家系统自动地确定对工件的振动频率，这一切无需人工干预，而只需按一下自动按钮就 可以完成了。 3、激振时间确定 由于各种零件的结构、重量以及残余应力的分布和大小不同，振动时效所选用的振 动时间也应有所不同，振动时间的长短对振动时效的影响，尤其是获得最佳技术和经济 效果起到直接的影响， 一般选用的都是长时间亚共振施振处理方法。 在振动时效过程中， 随着残余应力的降低和均化，工件的固有频率及由工件振动而显示出的振幅、动应力等 均随之发生变化，振动时效时间可以由这些参数的变化情况来确定。通过多次实验， 根 据工件的结构、质量，确定了一个振动时效时间的经验值，见表 2.2 所示。 表 2.2 振动时间经验表 工件重量 （t） 3 ,长高 5 的“简直梁” ，主振振型一般为弯曲振型。沿长度 方向距各端 2/ 9 处用 2 点支撑；激振点可放在中间,也可放在一端；加速度传感器则位 于远离激振器的波峰处。如图 2.2 所示。 图 2.2 “简直梁”的支持及装夹位置示意图 工件放置于支承体上，应保持水平稳定，激振器夹持面应平整，保证底部与工件可 靠的面接触。支承体应选择有一定弹性的材料（如橡胶、轮胎、泡沫塑料和木材等） ， 超大型工件还可以选择较松软的土地， 以减少工件支承地基三者之间的刚性行 击。 板型件一般采用 3 点(互成 120 度)或 4 点(对角)支撑再边缘处，激振器一般装 卡在两橡胶垫中间边缘波峰附近， 加速度传感器安装在一侧两橡胶垫中间边缘的波峰附 近。一般长宽比小的为扭曲振型，用三点支承；长宽比较大的为弯曲振型，用四点支承。 如图 2.3 所示。 图 2.3 板型件的支持及装夹位置示意图 对于直径 厚度 5 的圆形件,主振振型一般是沿和、 周边的环状波动弯曲振型。 在沿圆周三等分点处采取三点支撑或 4 点(对角)支撑再边缘处；激振点选择在两支撑点 之间；加速度传感器则位于另外两点之间。如图 2.4 所示。 图 2.4 圆形件的支持及装夹位置示意图 对于长宽高= 1 的工件“方箱型材” 。 支撑点在沿长度方向距各端 1/ 3 处 采取 3 点支撑； 激振点可放在单支点侧的端部或工件顶面的中间； 加速度传感器则位于 另一端面。如图 2.5 所示。 图 2.5 “方箱型材”的支持及装夹位置示意图 对于体积比较小而批量比较大的工件,可设计 1 个振动平台,采用串联或并联的工艺,把工件 按一定规律刚性联接在振动台上,用激振器激振振动台来达到时效效果。 振动台的结构一般采用长矩 形，长宽比选择 34 左右比较好（如长宽=50001600mm 2）,厚度以 5080mm 为宜，激振器可采 用夹持或螺孔安装。由于平台为长方形，主振型为弯曲振型，因此采用四点支承。但要注意工件放 置时要远离节线处，因为是弯曲振型所以要纵向放置12 ，13，14。 以上提供的几个基本原则都是经验总结而来，在实际应用中，开始我们可以用它来 安装试振，在试振过程中不断的修改，使其位置更加精确，效果更好。下面举一个实际 应用的例子来加以说明。 例：此为某型雷达天线座的俯仰壳体，如图 2.6 所示： 图 2.6 某型雷达天线座俯仰壳体 对于此工件的支撑方式和激振器、传感器的装夹位置选择，首先根据零件的外形及 结构，应用中考虑了三种支撑方式，分别见图2.7、图2.8、图2.9。在按照设想对三种 支撑方式及装夹位置进行实际操作时发现: 图2.7的支撑方式可将零件稳定支撑，但激振器的装夹位置处零件壁厚较小， 刚 性不足，且传感器距激振器较近，会受到激振器的影响，从而造成反馈数据失真。如果 将传感器移远，由于零件形状及结构限制，又找不到传感器的合适装夹位置。若将激振 器移到如图2.8中激振器的位置，则激振器又离支撑点太近，会造成零件振动幅度小甚 至振不起来。综上所述，图2.7的方案不益。 图 2.7 支承及装夹位置选择方案 1 图2.8的支撑方式也可将零件稳定支撑， 且激振器和传感器的装夹位置也符合要 求，但根据“在零件稳定支撑的情况下支撑点越少越好”的原则，则这种方案也不太合 适。 图 2.8 支承及装夹位置选择方案 2 图2.9的方案相比图2.7和图2.8有一定的优势。首先，在保证零件稳定支撑的情 况下支撑点最少，只有3个。其次激振器的装夹位置处零件的壁厚较大，刚性好，再一 个，激振器与支撑点的距离、激振器与传感器之间的距离也较合适。因此，此方案合理。 图 2.9 支承及装夹位置选择方案 3 支承方式和激振器、传感器的装夹确定的好坏将对整个振动时效的效果有着重大的 影响，如果选择不好甚至会导致整个时效的失败，这也是在实际应用中最难以掌握和出 错的方面，因此在这部分对其加以详细的解释说明。 2.2.3振动时效控制方法 1、频率控制 定频共振：从开始到结束均采用构件的一个主共振频率来激振，同时可进行振 幅-时间曲线的监测。这是应用较多的方法。 多频共振：根据第一次扫频的振幅-时间曲线上显示的所有共振峰对应频率， 从 低到高依次共振一段时间，这在大型焊接构件上应用的较多。 连续慢扫描共振： 类似与扫频。 在第一振峰的前沿用 35 分时间慢扫描至共振， 共振 10 分钟左右再慢扫 23 分钟到第二共振峰共振一段时间。直到将所有共振峰扫描 共振完再重复一次就可以了。这样做的目的在于防止因应变速度的突然增大造成焊缝处 出现脆性裂纹，可以提高疲劳强度。 分频共振：对于某些特殊机构件，可能其共振频率超出了设备的频率范围，此 时可在主振频率的对应 1/3 和 1/5 等频率上对工件进行处理。 2、组合共振 串联法：如果构件的固有频率已经超出了设备的最高频率，这时可考虑将两个 或两个以上的工件，刚性的或固定在一起作为整体处理，这样做的目的是使组合后的整 个件固有频率下降。 悬臂法：对于刚性小而且是一阶固有频率的长形工件可用此法，此发的主要特 征在于要把工件的一端固定在一个刚度极大的支架上或水泥座上，把整个件悬起来后， 把激振器夹在悬起来的另一端进行处理，然后再调头处理。 振动台处理法：对于一些刚度很弱、重量很轻的薄壁铸件，无须用机械式的大 功率激振器。为了提高效率和避免破坏构件，可使用振动台将构件放在上面，对平台进 行振动时效处理15。 2.2.4振动时效效果评定 在实际应用中，构件振动时效后的效果必须加以评定，其主要有两方面，一个是检 测残余应力的变化率，另一个是对精度保持性的检测。因此，目前使用的评定方法主要 有：参数曲线评定法、残余应力测试法和精度稳定性检测法。由于这三种方法的原理不 同,其评定精度、适用条件和对构件的影响都是不同的,因此,研究探讨不同的振动时效 效果评定方法,了解它们的特点和适用条件, 对于正确合理地评定振动时效效果是非常 重要的。因此，下面就分别对这三种方法加以讨论。 1、参数曲线评定法 参数曲线评定法是根据振动时效过程中参数(振幅、固有频率和带宽等) 发生有规 律的变化现象总结出来的,并经过直接评定法验证的实用的评定方法。根据中华人民共 和国机械行业标准 jb/t103752002 中 6.1 中规定的判据有五条，即： a、振幅频率（af）曲线振后的比振前的峰值升高,如图2.10(a)所示。 b、振幅频率（af）曲线振后的比振前的峰值点左移，如图2.10(b)所示。 c、振幅频率（af）曲线振后的比振前的带宽变窄，如图2.10(c)所示。 （a）（b）(c) 图2.10 振动时效前后幅频曲线比较图 d、振幅时间（at）曲线上升后变平，如图2.11（a）所示。 e、振幅时间（at）曲线上升后下降后变平，如图2.11（b）所示。 gg tt (a)(b) 图2.11 振动时效前后振幅时间曲线变化图 d、e两判据是因为在实效过程中，随着残余应力的释放或变化，工件的材料刚性松 弛，物理性质发生改变，使振幅不断变化，一但这种变化停止，说明残余应力不再释放 或变化，即已达到时效的目的。残余应力的变化过程在曲线上反映为振幅上升段，当振 幅平稳后即表明时效过程已经完成。而e判据不同的是因工件的频率降低而使振动区域 移向振峰的后沿。在曲线上反映为出现了下降段，此种情况应该避免，因共振区域超出 了亚共振区，对疲劳寿命有一定的影响。这两个判据通常在激振的时候同时显示，随时 监测时效动态，它们的变化将显示是否正在时效处理，但是往往不作为最终判据。 对于前三种判据引起上述现象的原因是构件在振动过程中,振动应力与残余应力叠 加,导致个别取向的位错塞积开通,位错滑移。 但由于晶粒方向不一,滑移带互成角度,从 而导致新的小晶粒的形成和亚晶界产生,其结果表现为晶粒细化和位错增殖。位错密度 的增加必然导致位错再滑移阻力的增大,位错移动将减少,从而减小构件阻尼。由于构件 阻尼系数的减小,共振频率降低共振峰左移,共振峰值增大,带宽减小16。这三种判据通 常作为最后的判据。 若时效过程结束后，通过曲线和参数发现没有出现其中任何一种变化，则说明工艺 方法需作进一步调整，直达到出现正常效果。参数曲线评定法是一种直观、定性、快速 的评定方法。 从构件参数曲线的改变可以获得由于工件阻尼的降低而造成自身松弛刚性 和抗变形能力提高的信息,而这正是残余应力测量法所不能反映的振动效果。但是,参数 曲线的改变本身不能给出有关工艺效果(如残余应力的减少量) 的定量描述,因此只适 合作为一种辅助性评定手段,进行定性的现场初步判定。 2、残余应力测量法 振动时效效果的主要表现之一是消除和均化材料内部的残余应力。因此,振动前后 残余应力的测量被作为评定时效工艺效果的主要手段。 它是通过测量振动处理前后的残 余应力大小,得到残余应力下降值和残余应力的均化程度,来评价振动时效效果好坏的。 这种方法的关键在于残余应力的测量,目前测量残余应力的方法可分为两类,即无损伤 的物理测量法和有一定损伤性的机械释放测量法。 物理测量法主要有 x 射线衍射法和磁 测法等,机械释放测量法则以盲孔法为代表。 （1）物理测量法 x射线衍射法：x射线衍射法测应力的基本原理是，利用x射线穿透晶粒时产生的 衍射现象。在弹性应变作用下，引起晶格间距变化，使衍射条纹产生位移，根据位移的 变化即可计算出应力来。x射线衍射法测应力的特点如下： a、它是一种无损伤测量方法 b、它测量的仅仅是弹性应变而不包含塑应变（因为工件塑性变形时其晶面间距并 不改变，不引起衍射线的位移） 。 c、被测面直径可以小到12mm。因此可以用于研究一点应力和梯度变化较大的应 力分布。 d、因穿透能力的限制，一般只能测深度在10微米左右的应力，所以只是表面应力。 e、对于能给出清晰衍射峰的材料，例如退火后细晶粒材料，本方法可达到10mpa的 精度，但对于淬火硬化或冷加工材料，其测量误差将增大许多倍。 f、漫射的x射线对人体健康有一定影响，使得它在现场应用受到限制。 磁测法：磁测法测量残余应力是近几年来发展起来的一种新方法，它具有较大 的发展前途， 设备简单、 使用方便， 它不仅可以测残余应力也可以测载荷作用下的应力。 磁测法测量应力的原理就是利用铁磁材料具有压磁效应，且压磁效应系数是各向异性 的，在磁场的作用下，应力产生磁各向异性，磁导率作为张量和应力张量相似，通过传 感器和一定电路，将磁导率的变化转变为电信号，输出电流（或电压）值来反映应力值 的变化。 （2）机械释放测量法 机械释放测量法的基本原理是: 通过机械加工(如切割、 切削、 钻孔等) 的方法, 打 破构件残余应力的平衡, 使其释放并产生应变, 再由应变来计算残余应力量值。 切割法：切割法适用于构件处于平面应力状态, 或沿厚度方向变化不大的板状 构件。具体作法是:在欲测点上粘贴应变片, 并划出相应的切割线, 连接仪器后沿切割 线切出子单元。 单元体由于去掉周围的约束, 而使残余应力释放, 通过粘贴在单元上的 应变片即可测量其应变。如图2.12所示。 a、单向应力b、主应力方向c、主应力方向未 已知的平面应力知的平面应力 图 2.12 切割法的贴片和切割线示意图 盲孔法：切割法等具有较大的破坏性，因此目前应用较为广泛的残余引力测试 方法是盲孔法。盲孔法测量残余应力就是在被测点上钻一个小盲孔，使被测点的应力得 到部分或全部释放，并由事先贴在小孔周围的应变计测得释放的应变量，再根据弹性力 学原理计算出残余应力来17。 钻孔的直径和深度都不大， 不会影响被测工件的正常使用。 并且这种方法具有较好的精度，因此它已成为应用比较广泛的残余应力测试方法之一， 但这种方法只能测量工件表面的应力，不能测层深处的应力。采用盲孔法测试时，测试 点处材料厚度应大于钻孔直径的4倍。如图2.13所示。 图 2.13 盲孔法示意图 盲孔法是在具有一般平面残余应力的构件表面上， 如图 2.13 所示钻一半径为 r 的小 孔，深度在 0.81.0d 之间，钻孔后测得三个应变值，其残余主应力及方向即可按下式 计算： （2.1） （2.2） （2.3） （2.4） （2.5） 残余应力测量法是一种定量的振动时效效果评定方法。近年来物理测量法发展迅速, 但由于自身测量手段的局限性,应用并不广泛。对于小孔损伤不敏感的构件可采用盲孔 法测量残余应力,对于单件和小批量生产的薄壁压力容器、重要军工产品和缺口敏感的 高强钢等构件则不宜采用盲孔法。 3、尺寸精度稳定性检测法 检验构件在振动前后尺寸精度稳定性的程度是评定振动效果的又一手段。尺寸精度 稳定性是根据定期对工件尺寸精度的测量来实现的。它包括两方面内容：一方面是观测 工件尺寸精度随时间而发生的变化量，与热时效或精度允差相比较；另一方面是要观察 工作在静、动载荷作用后的尺寸精度变化量，同样与传统工艺（热时效）相比，以鉴定 0124512 1 12 4512012 2 12 2 1 1 2 2222 11 22 2 22 1 212 1 45090 090 (sin )(cos ) 2(sincos ) (cos )(sin ) 2(sincos ) (1) 2 (1)2 ( 1) 4 2 2() kkkk k k kkkk k k r k rr e rrrrrr k rr er r tg + = + + = + + = + = + = = 振动时效工艺的可行性。根据其操作特点,又可分为加工检测法、动载法和静置法。静 置法是将构件长期放置定期检验尺寸稳定性,在放置 15 天时第一次检验,以后每隔 30 天检验一次,总的静置时间应在半年以上。动载法是观察构件在动荷载作用后的尺寸精 度变化量18。 精度稳定性检测法能检验出振动时效前后构件尺寸精度稳定化的程度,而这是其它 评定方法无法检测到的。因此对于以要求精度稳定性为主的构件,宜用精度稳定性检测 法评定振动时效效果。但是静置法由于时间长,且容易受地基蠕变和支撑刚度变化的影 响,因而有很大的局限性。加工检测法和动载法虽然快速,但对测量设备精度要求高且操 作困难。 2.2.5制定振动时效工艺卡片 为了更快、更好地进行振动时效工艺操作，就要制定一个正规的工艺卡片。工艺卡 片是针对某一特定的零件制定的，卡片中的所有参数只对这一零件有效，因此卡片中的 数据是具体的，需要多次的试验才能得到。 工艺卡片应包括一下的内容：工件的型号、材质、重量、轮廓、尺寸、自然状况、 设备型号、激振器规格、工件的支承方式及位置、激振器、传感器的装夹方式及位置、 激振器的偏心量、主振频率、次振频率、加速度值及变化量、振动处理时间、工件振动 时效示意图等。如图 2.14 所示。 图2.14 振动时效工艺卡片 振 动 时 效 工 艺 卡 片 零件名称零件件号产品型号 材料重量（kg）外形尺寸 零件自然状况 支承装夹方式 如下图 设备型号激振器位置 支承位置传感器位置 工艺参数共 振 频 率 （r/min） 共 振 峰 值 （m/s2） 偏心距振 动 频 率 （r/min） 处 理 时 间 （min） 验收方法 根据零件振动时效前后的 af 和 at 曲线及数据，按照 jb/t592691 标准中的第 4.1.2 条中的五项条款来验收；或根据 hk93 系列振动时效设备测得的残余应力消除率，按 jb/t5926 91 标准中的第 4.2.1.2 条来验收。 编制审核批准 2.3振动时效技术适用范围及情况 一般地就材料而言，振动时效可应用于炭素结构钢，低碳合金钢，不锈钢（冷拉、 冷拔、冷轧及沉淀硬化钢除外） ，铸铁（灰口铸件、球墨铸铁、可锻铸铁等） ，有色金属 （铝合金、铜合金等） 。就工件类别而言，振动时效多用于机械产品大、中型基础铸铁 件及铸钢件，焊接构件（压力容器慎用） ，也可用于长径比较大的轴类零件。 振动时效特别适合处理热时效无法进行处理的超长、超重、超大型铸件、锻件和焊 接结构件。工件形状有长、扁、方、圆箱体、板件、樑形件、各类桁架、支架、异形工 件等。其工序可安排在铸造、锻压、焊接、粗加工、表面淬硬、半精加工等工序之后进 行19。 2.4振动时效对工件的影响 1、振动时效对残余应力的影响 振动时效降低或均化构件残余应力的本质在构件中高残余应力区，激振应力与构件 中残余应力迭加， 使金属晶体产生位错运动。 这时高残余应力区的位错塞积群将被开动， 使晶体产生微塑性变形，高残余应力得以释放，达到均化应力的目的。零件内部的残余 应力是使其尺寸精度不稳定的主要原因。影响稳定性的不仅是残余应力数值的大小， 应 力分布的均匀性也有着重大的影响。振动时效对减少和均化残余应力皆有良好作用。 残 余应力消除在55%左右。 2、振动时效对焊接性能及两极分化焊接变形的影响 振动处理对焊缝材料有所改善，特别是断裂韧性和疲劳极限的提高，说明振动处理 技术可用于焊接构件。采用边振动边焊接方法，对控制冷作、焊接变形、稳定工件尺寸 精度、消除工件应力有着不可忽视的作用。焊后可消除变形。 3、振动时效产生的塑性变形 振动时效使工件在交变应力作用下产生塑性变形，松弛了工件中的残余应力。故振 动时效过程是零件塑性变形的产生和逐渐稳定的过程， 也就是残余应力减少和稳定化的 过程。 4、振动时效对抗变形能力的影响 振动时效提高金属构件抗变形能力的本质在迭加应力作用下，使金属构件中晶粒内 的位错产生运动，而产生新的位错。位错运动时，往往是在有利滑移面首先运动，这种 运动将受阻与晶界和其他障碍。动切应力不断激起位错运动，位错运动时又将不断产生 增殖，这些位错将积聚缠结，从而使位错的组态发生变化，位错密度增加，位错阻力也 同时加大。位错密度的增加及亚结构的变化将使金属发生强烈的加工硬化，即继续塑性 变形的抗力增大，强度大大提高，从而提高了构件抗变形能力和尺寸稳定性。零件的变 形不仅取决于残余应力的大小和分布，还与松弛刚性和抗变形能力有关。振动时效不仅 能够减少和均化残余应力，还可提高材料的抗变形能力，即提高材料的弹性能力。 5、振动时效对尺寸稳定性的影响 如果有某些方法使易动位错滑移，使余下位错不易滑动，就可最终减少构件的自变 形使尺寸稳定。位错滑移通常首先发生在应力集中区，应力集中区绝大部分是对工件的 微观缺陷区，如位错、空位、晶界、夹杂等。振动时效时，如果振动输入的活化能足够 大，以致位错塞积开通，会引起缺陷区大量位移滑移。在滑移中由应力造成的不稳定， 然而又是暂时平衡的工件内部的弹性变形变为塑性变形，结果使位错密度增加且分布趋 于均化，工件尺寸稳定。振动时效能有效的稳定零件的尺寸精度，其作用不仅表现在长 期使用过程中尺寸精度变化量较小，而且能在较短的时间内使零件尺寸达到稳定。 6、振动时效对疲劳寿命的影响 振动时效处理主要在于消除残余应力应力对疲劳寿命的影响，振动时效可显著提高 工件的疲劳寿命。 7、振动时效对硬度的影响 振动时效可以略微降低工件的硬度。 8、激振过程中晶粒内部结构变化 如果外加应力与位错塞积群形成的集中应力和迭加大于金属的切应力时，使位错塞 积群将得以开通，金属内部将发生微观塑性变形，残余应力就可以得到释放20 ，21。 3机械部件设计 3.1简述 振动时效装置的机械部件就是激振器，激振器是由高速直流电动机和偏心箱组成 的，其功能是将电能转成振动能量，激发金属构件的共振频率。 在工作的时候，要求激振器能提供较高的激振力，并且可以随时改变激振力的大小 等。介于以上性能要求，经过研究和构思，本次设计了一款激振器。其电动机选用了型 号为 zygz130-1 的永磁直流电动机，功率为 1.5kw,最高转速可达到 10000 转。偏心箱 的设计包括箱体、前端盖、偏心轮、芯轴和一种深沟球轴承等部分组成。激振力的调节 是通过改变偏心轮动静轮旋转位置时其偏心量大小的改变来实现的，由于动静轮之间无 限位，因此激振力的调节是无极的。 3.2偏心轮的设计 偏心轮是整个机械部件的核心部分，因为激振力的大小是通过它来调节的。为了使 偏心量的改变无限位，此次设计了由动静轮组合的偏心轮，其中动轮和静轮凹进去的那 部分是完全一样的。动轮与芯轴用键连接，而静轮用紧定螺钉与动轮锁定在一起，在正 常工作的时候，芯轴带动动轮，动轮又带动静轮一同转动；当需要改变激振力时候， 可 以停机用扳手将紧定螺钉松开，此时动轮与静轮脱离开，同时扳手不要松开，然后用另 一个扳手转动芯轴， 使动轮随着一起转动， 这样就使得静轮和动轮的相对位置发生变化， 从而改变了偏心量的大小，当转动到需要位置时，再将紧定螺钉拧紧好，整个调整激振 力的过程就完成了。 偏心轮的设计方案已被确定，然后根据实际应用需要的指标确定相关数值。此次， 确定最大激振力：f=20kn,扫频范围：n=100010000r/min。 设偏心轮质量：m=4kg，偏心轮半径和高：r=65mm,h=60mm，芯轴半径：r0=15mm。 计算：未加工时整个轮子的体积： v0=（r 2-r 0 2）h （3.1） =3.14(65 2-152)60 =753600cm3 因为铸铁密度：=7.010 3kg/m3 则偏心轮实际体积： v1=m/=4/7.010 3=571429 cm3 （3.2） 所以凹进去的体积： v2= v0- v1=753600-571429=182171 cm3（3.3） 又由于凹进去的部分是关于 z 轴和 x 轴对称的圆形，而其中由于结构需要有一部 分不能去除，设动静轮各被挖去半径和深度为：r1= h1=16mm。则实际去除的体积： v3=r1 22h1 （3.4） = v2+(28 2-152)60=287487 cm3 r150mm 由公式：f= mrw2得 w=nmax/2=28rad/s（3.5） rmax=f/m w2=2010 3/4282=6mm （3.6） 则偏心轮的最大偏心距为: rmax=6mm 由三重积分可得偏心的坐标：(x,y,z) 因为关于 z 轴和 x 轴对称，所以 y=0,z=0; x=rv1/ v3=6571429/28748712mm（3.7） 由于具体的机构设计中的需要，在某些尺寸的确定上加以调整，但对机械性能并没 有影响。 3.3芯轴的设计 芯轴的设计关键是电动机的伸轴与其连接的同轴度问题，如果偏差大那么振动的激 振力将增加，使轴承的受力不均匀、过大，机器振动剧烈，将造成重大的破坏。因此此 次设计中，采用了一种新的连轴器，即刚套尼龙键连轴器。将刚套嵌在芯轴与伸轴的 那端，而刚套和芯轴用柔性的尼龙键连接，电动机的伸轴用键与刚套连接，这样电动机 通过刚套就可以带动芯轴同步转动。因为尼龙键是弹性的，所以当出现同轴度偏差的时 候，它可以实现自动调心的作用。 芯轴的另一端有一个内六角孔，将用于调节激振器的激振力。芯轴用键与偏心轮连 接。 3.4轴承的选择 本装置中，轴承只承受纯径向力，因此选择一种深沟球轴承。具体选择过程如下： 由于每次使用时的激振力和激振频率是不一样的， 而且一般一次振动时效时间最长 不超过一个小时。因此取平均当量动载荷 pm=2kn；平均转速：nm=6000r/min。又由于 在工作的时候转速很快，所以轴承的使用寿命一般都不会很长，大概 h=2500 小时。 因此，轴承的基本额定动载荷为： （3.8） 因为与轴承配合的芯轴的直径为 30mm,所以初选型号为 60206 轴承， 其基本尺寸为 d=30mm,d=62mm,b=16mm22 ，23。又由于它的极限转速为 13000r/min，基本额定动载荷 cr=19.5knc,符合要求，此轴承可用。 3.5装置的装配与拆卸 36 36 60/10 260 6000 2500/10 19.3 cpnh kn = = = 图 3.1 设备装配图 装配过程： a、装上孔用挡圈 1，然后装入后轴承 2，随后依次装入芯轴、键、偏心轮、前轴 承。 b、压入前端盖，并拧紧螺钉。 c、装刻度盘。 d、装上电动机。 拆卸过程： a、首先松开电动机安装螺钉，卸下电动机。 b、卸下刻度盘，松开前端盖安装螺钉，取出孔用挡圈。 c、用紫铜棒压入芯轴前部用力打击，从而使后轴承和芯轴从前往后被压出。 d、卸下前端盖和前轴承，卸下芯轴上的后轴承。 3.6其他附件 加速度传感器：采用通用的 yd-1 加速度传感器，直接安装于工件表面，可将振 动加速度信号转变为交流电荷信号或电压信号。 减振支承：其为橡胶弹性支承，用于工件稳定支承，同时在振动过程中减少工件 与地面之间的振动冲击和使工件成为独立刚体使其振动不受外因影响。 夹具：专用夹具，使激振器与工件之间刚性紧密连接，使激振力可有效的传递 给工件。 4控制单元设计 4.1简述 控制器的作用是控制、调整激振器的工作状态，记录、显示振动时效参数。因此要 求控制装置能够准确地控制电机，使其按预定的规律运转(升频、降频或稳频) 此外还 须实时地采集振幅(或加速度)数据，作出幅频(或加速度 频率”曲线)，以供操作 人员分析判断使用。当然，还要实时监测电机的电枢电压和电流。在本次设计中，控制 器由主电路、 微机控制、 开关电源以及打印机等主要单元组成。 它们之间是接插线连接， 所有单元安装于金属控制箱内。 4.2主电路单元 主电路单元的功能是将电源输入的交流电转变为可调直流电。如图4.1所示。 整 形 滤 波 p w m调 速 e x b 8 4 0隔 离 驱 动 专 用 电 路 电 源 电 动 机 控 制 信 号 过 流 保 护 驱 动 信 号 过 压 保 护 a cd cf 图 4.1 主电路单元 来自电源的交流电经整流滤波转换成固定电压的直流电，由 igbt 组成的 pwm 电路 将其变成宽度可调的脉冲，由于负载为感性负荷的电动机，控制脉冲宽度即可调节电动 机的电驱电压而达到控制转速的目的。igbt 的控制信号来自微机控制单元，由 exb840 隔离驱动专用电路送入，同时具有过流保护功能。电路中使用阻容电路实现对 igbt 的 过压保护。 由于控制系统产生的 pwm 信号不能直接驱动 igbt 工作，igbt 工作时需要+15v 的开 栅电压和-5v 的关栅电压。所以本次选用富士公司生产的 igbt 专用驱动芯片 exb840。 exb840 是一种高速驱动集成电路， 最高使用频率为 40khz ， 驱动电路信号延迟小于 1.5 s。采用单电源+20v 供电。exb840 主要由输入隔离电路、驱动放大电路、过流检测及 保护电路以及电源电路组成。其中输入隔离电路是由高速光电耦合器组成，可隔离交流 2500v 的信号。过流检测及保护电路根据电流传感器输入到控制器后的信号检测是否有 过流现象存在。如果有过流，保护电路将慢速关断 igbt，以防止快速关断 igbt 时引起 的电路中电感产生的感应电动势过高的现象，使 igbt 集电极电压过高而损坏 igbt。电 源电路将+20v 外部供电电源变成+15v 的开栅电压和-5v 的关栅