（机械电子工程专业论文）振动时效设备及相关技术研究.pdf

1 二s 毛 是 ， 。弑撇熬凄。 0卜蔷 p 。 蘩灌熬瓢弧贰 瘌一渤 j辐7弦 g广；。科“孙k一 苫妁 at h e s i si nm e c h a n i c a le l e c t r o n i ce n g i n e e r i n g r e s e a r c ha n d d e s i g n o nt e c h n o l o g ya n d e q u i p m e n t o f v i b r a t o r ys t r e s sr e l i e f b y x i n gy u l o n g s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rl i u j i e n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j u l y2 0 0 8 冉，l 。，- ， f ，。i 砉铲 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得 的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过 的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢 ：艺 思。 学位论文作者签名勿吟盈赵 日期：加彦7 予 学位论文版权使用授权书 ，t ， 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用孥位论 文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 - | 作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后： 半年口二年彳 学位论文作者签名：j 释丑巷 签字日期：谚韶7z 一年半口两年口 导师签名： 签字日期： 参、忙 i 7 f c ，猡7 ， ；_iirf 1 j 、 ；。l j d ，x，0目r f f f ， ，j j -，扎二二谚 i 。| r 东北大学硕士学位论文摘要 振动时效设备及相关技术研究 摘要 振动时效技术( v i b r a t o r ys t r e s sr e l i e f ) 是利用振动消除残余应力的技术手段，文章 首先分析了研究振动时效技术的现实意义，指出振动时效技术比传统热时效与自然时效 的极大优势所在，阐述了国内外振动时效技术的研究现状，并提出了振动时效技术需要 进一步解决的问题。 。 振动时效技术的实质是要消除工件内部的残余应力，提高工件的松弛刚度和尺寸稳 定性，文章从残余应力的产生机理出发，建立残余应力的力学模型，运用微观力学的方 法分析位错及其塞积群的应力场，研究外力作用下塞积的开通与残余应力释放的关系， 得出了释放内部残余应力的宏观激振动应力条件，并分析了振动时效对金属构件疲劳寿 命的影响以及振动时效技术的适用性。 振动时效工艺的关键技术在于工艺参数的选择和时效效果的评定。文章分析了振动 时效过程中结构动态参数的变化，给出了激振力、激振频率和激振时间三个最重要 的工艺参数的最佳选择原则，并对参数曲线评定振动时效效果的方法做了详细的分析。 针对振动时效技术所要完成的功能，文章指出了振动时效设备的设计要点，并对振 动时效控制器做了详细的电路与程序设计分析，并利用p r o t e l 软件绘制了相关功能模块 的电路原理图，使用虚拟仿真软件k e i l c 5 1 v i s i o n 2 和p r o t e u s 进行了模拟仿真。最后 使用研华公司生产的p c l 8 1 8 l 数据采集卡结合虚拟仪器设计软件l a b v i e w 设计了一 个振动时效控制系统。 最后对本课题做了总结和分析，指出了课题的不足之处和未完成的工作，提出了以 后在这些方面深入研究的一些想法和建议。 关键词：振动时效；残余应力；位错；激振力 1tj ? j j 1 j-1，1馐i量( p，jf ，l叶，lir-， 11j1 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t r e s e a r c ha n d d e s i g no nt e c h n o l o g ya n de q u i p m e n t o fv i b r a t o r y s t r e s sr e l i e f a b s t r a c t v i b r a t o r ys t r e s sr e l i e fi sat e c h n o l o g ym e t h o dt oe l i m i n a t er e s i d u a ls t r e s sw i t hv i b r a t i o n 1 1 l i sp a p e ra n a l y z e st h ep r a c t i c a ls i g n i f i c a n c eo fv s r ( v i b r a t o r ys t r e s sr - e l i e f ) ，p o i n t i n go u t t h ea d v a n t a g eo fv s rt h a nt h et r a d i t i o n a lm e t h o d s ，s u c ha sh e a tt r e a t i n ga n dn a t u r a la g i n g 1 1 1 ea r t i c l ea l s od e s c r i b e sc u r r e n tr e s e a r c hf i n d i n g so nv s r t e c h n o l o g ya th o m ea n da b r o a d , p o i n t i n go u tt h es o m ep e n d i n gp r o b l e m so fv s kw h i c hw i l lb er e s e a r c h e di nt h i sp a p e r v s rt e c h n o l o g y , i ne s s e n c e ，i st oe l i m i n a t et h ew o r kp i e c ei n t e r n a lr e s i d u a ls t r e s s ， i n c r e a s er e l a x a t i o ns t i f f n e s sa n dd i m e n s i o n a ls t a b i l i t yo ft h ew o r kp i e c e ，s ot h et h e s i si s s t a r t e dw i t ht h ec o n c e p t i o na n dp r o d u c t i o nm e c h a n i s mo fr e s i d u a ls t r e s s ，e s t a b l i s h i n gr e s i d u a l s t r e s sm e c h a n i c a lm o d e l ，玎1 ep a p e ro b t a i n e dd y n a m i cs t r e s sc o n d i t i o no f m a k i n gt h ei n t e r n a l r e s i d u a ls t r e s sg a i nm a c r o s c o p i cr e l e a s eb yu s i n gt h em i c r o c o s m i cm e c h a n i c sm e t h o dt o a n a l y z et h ed i s l o c a t i o na n ds t r e s sf i e l do fi t sc r o w d e dg r o u pa n ds t u d y i n gt h er e l a t i o nb e t w e e n t h ee l i m i n a t i o no fc r o w d e dg r o u pa n ds t r e s sr e l e a s eu n d e rt h ee x t e r n a lf o r c e t h ea r t i c l ea l s o a n a l y z e s t h ei n f l u e n c eo nm e t a l c o m p o n e n t s f a t i g u ee n d u r a n c ea f t e rv s ra n dt h e a p p l i c a b i l i t yo f v s rt e c h n o l o g y 西em o s ti m p o r t a n tt e c h n o l o g yo fv s r p r o c e s si st h ec h o i c eo ft e c h n o l o g i c a lp a r a m e t e r a n de v a l u a t i o no fe f f e c t 、析n 1v s r c h a n g eo fs t r u c t u r ed y n a m i cp a r a m e t e r si sa n a l y z e du n d e r v s r p r o c e s s i n g n l ea r t i c l ea l s od e s c r i b e st h em o s to p t i m u mc h o i c ep r i n c i p l eo ft h r e ek e y p a r a m e t e r si nv s rp r o c e s s - - v i b r a t i o nf o r c e 、v i b r a t i o n 丘e q u e n c ya n dv i b r a t i o nd u r a t i o n , a n d t h ep a r a m e t e rc u r v ee v a l u a t i n gm e t h o di sd i s c u s s e dd e e p l yi nt h i st h e s i s a c c o r d i n gt ot h ee s s e n t i a lf u n c t i o n so fv s re q u i p m e n t , t h ep a p e ri n d i c a t e st h ed e s i g n p o i n to fv s re q u i p m e n t , a n dd e s i g n sd e t a i l e dc i r c u i ta n dp r o g r a m so ft h ev s r c o n t r o lc a s i n g s c h e m a t i cd i a g r a m so fc o r r e l a t i v ef u n c t i o nm o d u l e sh a sb e e nd r a w ni np r o t e la n ds i m u l a t e d w i t hk e i l c 51a n dp r o t e u s ac o n t r o ls y s t e mo fv s rh a sb e e nd e s i g n e dw i t hp c l - 818 li nt h e l a b v i e we n v i r o n m e n t i nt h ee n d , t h ed e f i c i e n c yo ft h i si s s u ea n di m m a t u r ew o r kh a sb e e nm e n t i o n e d ；s o m e s t a n d p o i n t sa n ds u g g b s t i o n sh a v eb e e ng i v e ni nt h ef u t u r er e s e a r c h k e y w o r d s ：v s r ；r e s i d u a ls t r e s s ；d i s l o c a t i o n ；v i b r a t i o nf o r c e i i i “p、夕 ， l 1 p ； 审li， 、，、，矿 东北大学硕士学位论文目录 h冰 独创性声明i 摘要i i a b s t r a c t i 第l 章绪论1 1 1 振动时效技术的研究意义1 1 2 振动时效技术国内外研究现状分析2 1 2 1 国外研究情况2 1 2 2 国内研究情况。3 1 3 振动时效技术研究需要进一步解决的问题“4 1 3 1 振动时效机理的研究5 1 3 2 振动时效工艺的制定5 1 3 3 振动时效效果的评价6 1 4 本论文研究的内容7 第2 章振动时效机理的分析8 2 1 残余应力的产生与消除j 8 2 1 1 残余应力的产生。8 2 1 2 残余应力的分类9 2 1 3 残余应力的力学模型1 0 2 1 4 残余应力的消除1 1 2 2 改变残余应力的外界条件1 2 2 2 1 残余应力下的位错应力场1 2 2 2 2 交变力作用下金属的位错运动和组织变化：15 2 2 3 位错的强化作用1 7 2 3 振动时效调整残余应力的机理18 2 3 1 振动时效工艺的简单程序1 8 2 3 2 振动处理过程中材料的应力和应变1 9 2 4 振动时效对金属构件疲劳寿命的影响1 9 第3 章振动时效工艺及判据分析2 1 3 1 振动时效过程中结构动态参数的变化2 1 3 1 1 振动时效前后幅频特性曲线的变化2 2 3 1 2 振幅随时间变化曲线2 3 3 1 3 固有频率与时间的曲线2 4 东北大学硕士学位论文 目录 3 2 振动时效工艺的制定2 5 3 2 1 激振力大小2 6 3 2 2 激振频率2 6 3 2 3 激振时间2 7 3 3 振动时效效果评定2 7 3 3 1 振动时效前后残余应力变化的测量j 2 7 3 j 3 2 尺寸精度稳定性的检验2 8 3 3 3 参数曲线评定时效效果的方法2 8 3 4 振动时效技术的适用性3 3 第4 章振动时效装置的设计研究3 5 4 1 振动时效设备的构成3 5 4 2 振动时效设备的设计要点j 3 5 4 2 1 工件固有频率的求取3 6 4 2 2 激振力及其调整3 6 4 2 3 定时功能3 6 4 2 4 时效效果的快速检测3 6 4 2 5 设备主要部件的选择3 7 4 3 微机控制时效设备的电路设计分析3 8 4 3 1 主电路的设计3 9 4 3 2 前向通道电路分析4 1 4 3 3 后向通道电路分析4 3 4 3 4 人机接口电路设计 4 4 4 4 振动时效系统的程序设计分析4 6 4 4 1 单片机开发语言4 6 4 4 2 软件系统结构分析4 7 4 4 3 软件系统的流程与模块4 7 第5 章振动时效技术的虚拟仿真一4 9 5 1 仿真软件k e i l c 51 v i s i o n 2 与p r o t e u s 7 1 4 9 5 1 1k b i l c 5 1 集成开发环境。4 9 5 1 2 可视化软硬件仿真工具p r o t e u s 7 1 概述：5 0 5 1 3d p 5 1 p r o c 单片机综合仿真试验仪5 2 5 2 模拟手动扫频5 2 5 2 1 功能说明与程序流程5 2 5 2 2 调试仿真5 3 v ，；0；。飞j 东北大学硕士学位论文目录 5 3 模拟自动扫频5 4 5 3 1 功能与汇编源程序s t 5 3 2 调试仿真5 6 5 4 直流电机驱动仿真5 7 5 4 1 直流电机p w m 调速原理5 7 5 4 2 功能与电路连接5 8 5 4 3 调试仿真5 8 5 5 液晶显示仿真一j 6 0 5 5 1 液晶模块l c m 概述j 。6 0 5 5 2 液晶显示控制器6 1 5 5 3 指令系统与程序文件6 3 5 5 4l c m 与单片机的连接6 3 5 5 5 模拟仿真：6 3 5 6 基于l a b v i e w 的振动时效系统仿真。“ 5 6 1l a b v i e w 与a d v a n t e e hp c l 818 l 数据采集卡6 4 5 6 2 前面板设计6 5 5 6 3 模块框图设计o 6 6 第6 章结论与展望6 7 6 1 结论。j 。6 7 6 2 展望6 8 参考文献6 9 致谢- 7 2 躁 ，1+lfflf 、； ，瞧譬l声 q，；i， 0 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 振动时效技术的研究意义 经过热加工( 如铸造、锻压、焊接) 和压力加工的金属零件表面和内部会存在残余 应力和残余变形。根据金属物理学理论，当金属结构局部存在残余应力时，原子晶格处 于不平衡组织状态，这种状态下材料硬度高、脆性大，切削加工性能差，尺寸精度不稳 定，所以残余应力的存在往往对构件是有害的，如降低工件强度和疲劳极限、造成脆性 断裂、加快构件在腐蚀大气中的腐蚀速度等；分布不均匀的残余应力会对构件尺寸精度 和稳定性产生极为不利的影响。因此消除残余应力是机械制造工业技术中的一项重要课 题。 为了消除残余应力，通常采用时效的方法来加以解决，时效处理是以一定的方法使 金属原子晶格吸收能量，从而转化到平衡组织状态，此时由于存在残余应力的金属局部 产生塑性变形，将残余应力部分释放，弹性范围增大，材料屈服强度和韧性提高，表面 硬度降低，切削性能改善，尺寸精度稳定。通常采用自然时效和热时效的方法。 自然时效是较古老的时效方法。它是把构件露天放置于室外，经过几个月至几年的 风吹、日晒、雨淋和季节温度的变化，给构件多次造成反复的温度应力。在温度应力形 成的过载下促使残余应力发生松弛而使尺寸精度获得稳定。 自然时效降低的残余应力不大，但对工件尺寸稳定性很好，原因是工件经过长时间 的放置石墨尖端附近产生应力集中，发生了塑性变松弛了应力，同时也强化了这部分基 体，于是该处的松弛刚度也提高了，增加了这部分材质的抗变形能力，自然时效降低了 少量残余应力，却提高了构件的松弛刚度，对构件的尺寸稳定性较好，方法简单易行， 但生产周期长，占用场地大，不能及时发现构件内的缺陷，已逐渐被淘汰。 热时效是将构件由室温缓慢均匀加热至5 5 0 左右，保温和8 小时，再严格控制降 温速度至1 5 0 以下出炉。热时效工艺要求非常严格，如要求炉内温度差不大于士2 5 ， 升温速度不大于5 0 d 时，降温速度不大于2 0 川、时。炉内最高温度不许超过5 7 0 ， 保温时间也不易过长，如果温度高于5 7 0 ，保温时间过长会引起石墨化使构件强度降 低。如果升温速度过快，构件在升温中薄壁处升温速度比厚壁处快的多，构件各部分的 温差急剧增会造成附加温度应力。如果附加应力与构件本身的残余应力叠加超过强度极 限，就会造成构件开裂。热时效降温不当，会使时效效果大为降低。 热时效存在的问题是显而易见的：建窑占厂房面积大，费用高，要消耗大量能源， 成本高，处理时间长，劳动强度大，污染严重，近几年来在许多工厂被振动时效代替。 振动时效在国外称之为v s r ( v i b r a t o r ys t r e s sr e l i e f ) 技术，简单地说，就是用振 】 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 动的办法，反复地对有残余应力的构件加循环载荷，使构件产生一定的塑性变形，随之 残余应力得到松弛，从而使构件的尺寸稳定下来。振动时效是利用振动来消除应力的， 也称为激振时效技术。其主要设备之一是激振器，其动力由一只可调速的电机带动偏心 机构得到，激振频率由电机转速决定并能在一定范围内调节。操作时可将一台激振器固 定在工件的适当位置，根据工件的尺寸和形状调整激振力和激振频率，其中激振力调到 工件所需的振动强度( 附加动应力) ，激振频率则调到接近工件的固有频率，使用亚共 振来提高消除应力效率。振动时效是热时效的补充和发展，现在在一定范围内代替了热 时效和自然时效。 与自然时效与热时效相比，振动时效技术的优势是非常明显的： ( 1 ) 投资少。与热时效相比，振动时效无需庞大的时效炉，可节省占地面积和昂 贵的设备投资。目前，对长达几米至几十米的桥梁、船舶、化工机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。 ( 2 ) 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力n - r _ 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。 ( 3 ) 使用方便。振动设备体积小、重量轻、便于携带，振动处理不受场地限制。 振动装置可携至现场，所以，这种振动时效工艺与热时效相比使用简单，适应性较强。 ( 4 ) 节约能源，降低成本。在工件的共振频率下进行时效处理，能耗极小。实践 证明，功率为1 2 2 2 k w 的机械式激振器可振动1 5 0 吨以下的工件，粗略计算其能源消 耗仅为热时效的3 5 ，成本仅为热时效的8 1 0 。 ( 5 ) 振动时效操作简便，易于实现自动化。 1 2 振动时效技术国内外研究现状分析 1 2 1 国外研究情况 振动时效在国外的研究起步较早。6 0 年代初，b u h l e r 和p f a l z g r a f 给出了在钢铸件 和焊件上的研究结果，振动时效产生的附加动应力接近钢的疲劳强度时，残余应力、可 以消除8 0 ，受材料潜在疲劳破坏的制约，无法获得使残余应力大量消除的动应力值。 a d o y a n 等人在铸件上研究时，用退火和振动时效相结合的热振复合时效方法解决了对 振动时效中因动应力过大而引起构件潜在破坏的问题。l o k s h i n 对预先存在残余应力的 铝铸环进行振动时效处理，结果应力消除了7 0 。7 0 年代，s a g a l e v i c h 和m e i s t e r 用钢 板焊接成的车架作研究，结果振动处理过的变形量比未处理的降低了5 0 。w e i s s 等人 对直径为3 0 6 r a m ，厚度为1 2 r a m 的低碳钢圆盘进行直径为1 0 3 m m 的弧焊处理后，放在 2 、：吒elj 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 大振动台上振动，并用修改的s a e c h s 盲孔法实测残余应力，结果表明焊接产生的残余应 力有了显著变化。8 0 年代，q l e n i n 、s h p e e 和p o l n o v 对各类焊接构件中的残余应力消& ； 进行了大量的研究，得到了振动对焊接构件的各种时效技术和数据。 在英国，某机床公司生产大型精密机床，其床身与立柱要求精度能够达到 o 0 1 m m 2 m 。过去采用热时效其精度保持性较差，后来改用振动消除残余应力，满足了 精度要求，因此现在已将振动消除残余应力定为该项产品的标准工艺。某企业生产铝合 金铸造精密泵体，其尺寸为2 7 5 x 3 0 0 x 1 5 0 m m 3 ，也是用振动消除残余应力来保证其精度 的。喷气发动机火焰筒衬里，由于焊后热膨胀而发生裂纹，报废率占3 0 以上，后来采 用振动消除残余应力工艺，报废率几乎为零。英国生产的所有专用机床床身都是用振动 消除残余应力代替热时效。有三十多家机床厂和十多个锻压设备厂都是将振动消除残余 应力作为标准的生产工艺。 在美国，p x 工程公司用振动消除残余应力来消除8 吨重的焊接结构齿轮的内应力， 用以减少焊接裂纹。p o n tl a n d 电子专业公司，用振动消除残余应力技术处理4 吨重的 锻件毛坯。该公司规定对锻件进行三次振动处理：毛坯、粗加工后、精加工后，二次处 理后即保证了锻件的稳定性。华盛顿钢铁公司对该公司生产的4 7 吨重的剪床座进行振 动处理，剪床座是用1 5 2 毫米至2 0 3 毫米厚的钢板焊成，加强筋厚为3 8 毫米至7 6 毫米， 这样大而重的构件只用4 0 分钟的振动处理就代替了过去的热时效处理。 美、英等国在其它工业部门也大量采用振动消除残余应力，如造纸机械厂、船舶轴 承厂、激光焊机厂、齿轮箱制造厂、纺织机械厂、轧钢设备厂、印刷机械厂、泵制造厂、 采油设备厂、发电厂、锅炉厂等都应用振动消除残余应力来消除构件的应力。据统计， 十年前美国就有上千家公司采用振动消除残余应力工艺，苏联和东欧一些国家也大量使 用，都取得了明显的经济效益。许多国家都已将振动消除残余应力定为某些机械构件必 须采用的标准工艺。 、 1 2 2 国内研究情况 7 0 年代，振动时效技术被引进到我国，并于1 9 9 1 年被国务院新技术办公室批准为 国家重点推广项目，1 9 9 3 年又被国家科委列为“国家级科技成果重点推广计划 项目。 1 9 7 4 年北京机床研究所正式将振动时效工艺列为研究课题，并负责组织齐齐哈尔第一机 床厂、长沙机床厂、大连机床厂进行振动时效工艺的实用性研究和推广。他们在研究中 用尺寸精度保持性作为效果的评价标准，同时亦进行了抗变形能力、残余应力的变化对 比性评价。大连工学院进行了振动时效对焊接构件材料性能的影响的研究，结果表明： 振动时效处理后，材料机械性能比未经处理稍有变化，而且构件抵抗断裂破坏能力比热 时效和未时效都有所提高。只要振动参数选择得当，焊接构件振动时效后疲寿命比未经 时效的寿命可提高2 0 - - - 3 0 。国家机电部等六个部委将振动时效定为“七五”计划间 3 1ll：iij 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 推广的节能项目，目前国内将振动时效正式纳入工艺的厂家有4 0 余家，其中不少厂家 已取得了显著的经济效益。 ( 1 ) 机床生产上的应用：高精度数控机床尺寸稳定性是重要的因素，北京航空工 艺研究所每年生产的组合机床、子午线轮胎等铸造、焊接工件近5 0 0 t ，热) j 口- r 后进行一 次时效，粗加工后进行二次时效。振动时效能在生产中发挥巨大的作用。 。 ( 2 ) 不锈钢焊接构件：核电不锈钢导向筒焊后除应力可采用热时效和振动时效两 种工艺，热时效具有峰值应力下降幅度大，工艺变形小的优点，工艺指标完全达到要求 可以推广使用。振动时效的工装简单，工艺快捷，有工艺变形小，应力均化明显的效果， 工艺指标也可满足技术要求，是一种值得进一步开发，旨在局部替代热时效的节能工艺。 ( 3 ) 化工设备领域：振动时效消除应力法的推广和应用，将改变目前有关化工设 备的设计思想。以前无法进退火炉及制造规范规定不需要进行消除应力处理的，如重要 介质但常压的设备，现在只要有微小的投入即可进行消应处理了，为化工设备安全系数 的提高提供了有效手段。由于尺寸精度的提高，密封性能得以改善；由于疲劳寿命的提 高和抗应力腐蚀能力的增强，设备的使用寿命得到延长。振动时效设备简单、操作方便、 省时、节能效果好，可适应结构复杂及尺寸庞大的工件，化工设备制造行业应积极推广 应用。 ( 4 ) 国外技术工艺的要求使我国在出口产品上应用了振动时效工艺。佳木斯电机 厂生产的出口电机由于国外厂家的要求，在电机壳上使用振动时效工艺，达到了设计要 求。大连橡胶厂为美国生产的设备也要求用振动处理来消除应力。这些都促进了国内振 动时效技术的应用。 国内几个大型的振动时效装置生产厂家，产品技术已比较成熟，基本上都是电机带 动偏心轮机构。例如，山东华云机电科技有限公司生产的h k 2 0 0 1 k 1 型振动时效设备， 最高激振频率是1 6 7 h z ，稳定精度l r m i n ，加速度范围0 - - 1 9 9 9 9 ，可处理最大工件重量 2 5 t ，最大激振力10 k n ；黑龙江海伦振动时效设备有限公司推出的v s r 设备一智尊8 8 8 ， 最高激振频率2 0 0 h z ，稳定精度l r m i n ，激振力范围0 - - 8 k n ，额定功率0 6 k w ，加速度 测量范围0 - 5 0 9 ；哈尔滨瑞锋振动时效技术有限公司的最新智能振动时效设备h r f v s r 2 0 0 0 型，其参数是主要技术性能是：最高激振频率1 6 7 h z ，稳定精度l r m i n ，额定功 率6 0 0 1 5 0 0 w ，激振力为0 - 3 5 k n ，加速度量程：0 - 9 9 9 9 。 1 3 振动时效技术研究需要进一步解决的问题 由于国外发明和使用v s r 技术比国内早，他们的技术和理论相对比较完善，振动 时效技术虽然在我国很早就引起了重视，但是由于种种原因我们对这项有着巨大前景的 技术的研究工作却有些不足。总的来说，尽管国内外学者及研究机构在v s r 的理论研 一4 ， 0 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 究及实际应用中做了大量的工作，然而仍存在许多问题。归纳起来主要有以下几个方面： 1 3 1 振动时效机理的研究 就目前而言，振动时效的实际应用表明其消除残余应力的效果是明显的，但却表现 出了时效效果的不稳定性和难控制性，这固然和工艺选择有关，但对其机理的掌握不够 却是个重要的原因。虽然振动时效产生的效益得到了实践的证实，但是现有的振动时效 机理的理论 ， 由于本身的不完善性或其理论基础的假设性而未能形成一个真正具有说服力的体 系。如何建立一个完整的、科学的、令人满意的理论本身对振动时效的推广以及相关工 艺的制定有着积极的推动作用，其中包括振动消除残余应力与疲劳破坏的关系、激振力 作用下为什么在降低残余应力的情况下可以提高工件的尺寸稳定性而不象热处理那样 降低残余应力的同时降低尺寸稳定性、振动消除残余应力又是如何影响金属其他机械性 能的、振动消除残余应力究竟会否造成工件疲劳破坏等。 我国是制造大国，但不是制造强国，新技术的推广对于提高我国的制造业水平至关 重要。正是由于对于振动时效技术机理研究的不够完善，使得很多机械制造企业不敢轻 易接受这项新技术，依旧沿用传统的自然时效和热时效方式，延长了产品开发周期，增 加了产品的成本和企业的负担，也浪费了大量的能源污染了环境，由此可见，从推广振 动时效这项新技术的根本上说，对于振动时效的机理研究是至关重要的一项内容，这对 于进一步提高我国机械制造行业的水平，改善我们的自然环境状况都具有重要的意义。 1 3 2 振动时效工艺的制定 振动时效工艺的制定主要是最佳振动参数的选择。而最佳振动参数应以消除残余应 力的量值为标准，因此振动时效工艺是用残余应力消除多少来检验的，但是，残余应力 的测试在现场进行往往有一定的困难，因此，在实际的工艺制定时，多数是用结构动态 参数的变化来监测的。大量的实验已经证明随着残余应力的变化，结构动态参数也在相 应的变化。因此可以用易于测试的动态参数的变化来检测振动时效工艺参数的好坏。 生产中使用的偏心式振动时效设备适用于大中型零件的单件振动时效。对于小型铸 件的振动时效，需配备浮动式振动工作台，将铸件装夹于工作台上，对工作台系统进行 激振，振动由工作台传递到铸件上。这种方法存在许多弊端，如一次处理的零件数量较 少，处理效率和能源利用率较低，操作较复杂，由于系统结构变得复杂，难以确定合理 的激振参数，时效效果难以保证等等。而中型件由于固有频率远高于振动时效机的最高 工作频率限制及激振器附加质量影响等原因，不适于单件处理。因此，必须研究一种新 方法，解决中小型铸件的振动时效效果和效率问题，以便使中小型铸件能有效地应用振 动时效这一高效、节能、环保的技术。 、plpllj 东北大学硕士学位论文笫1 章绪论 1 3 3 振动时效效果的评价 1 3 3 1 残余应力变化的测量 振动时效效果的好坏要看振动前后工件残余应力消除了多少，这就需要对振动前后 工件内部残余应力的大小进行测量，残余应力的测定方法大致可分为机械测量法和物理 测量法两类。 物理测量法包括x 射线法、磁性法、和超声波法等。它们分别利用晶体的x 射线 衍射现象。材料在应力作用下的磁性变化和超声效应来求得残余应力的量值。它们是无 损的测量方法。其中x 射线法使用较多，比较成熟，被认为是物理测量法中较为精确的 一种测量方法。磁弹性法和超声波法均是新方法，尚不成熟，但普遍地认为是有发展前 途的两种测试方法。物理法的测试设备复杂、昂贵、精度不高。特别是应用于现场实测 时，都有一定的局限性和困难。 机械方法包括切割法、套环法和钻孔法等，它是把被测点的应力给予释放，并采用 电阻应变计测量技术测出释放应变而计算出原有残余应力。残余应力的释放方法是通过 机械切割分离或钻一盲孔等方法，因此它是一种破坏性或半破坏性的测量方法，但它具 。有简单、准确等特点。 从两类方法的测试功能来说，机械方法以测试宏观残余应力为目的，而物理方法则 测试宏观应力与微观应力的综合值。因此两种方法测试的结果一般来说是有区别的。 1 3 3 2 工件尺寸稳定性的检验 工件尺寸的稳定性是通过对构件精度的测量来体现的，它包括两方面内容：一是观 察构件尺寸精度随时间发生的变化量，二是观察构件在静载荷、动载荷作用后的尺寸精 度的变化。 观测精度随时间的变化量，应将振动处理和传统方法处理的构件做同样的支承，放 在同样的条件下，并保证在各次测量时温度相同。 在荷载作用下的构件精度保持性测量，是在未加荷载前将构件支承好，按前述同样 的方法测出直线度误差。然后对构件施加静( 动) 态荷载，卸载后按同样条件进行再次 的直线度误差测量，即可求出其变化量。 ， 1 3 3 3 参数曲线评价方法 一项振动时效工艺是否成功，其最后的检测方法应是残余应力的变化率和精度保持 性的测试。但在振动处理过程中，采用上述两种方法是不可能的，它需要长时间和复杂 的测试过程。在实际生产上控制过程往往采用幅频特性曲线扫描法和振幅一时间曲线测 试法来实现的。 比较振动时效处理前后测得的幅频特性曲线，当共振峰的峰值增高，左移，频带变 窄时可认为振动时效已发生作用。参数曲线评价方法目前多见定性讨论，并无严格的证 明，而且不能实现定量测量。 6 、 。气雾嚣l， 鸭li矿 飞 f ； 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 1 4 本论文研究的内容 针对上一节提出的问题，本文的主要研究内容归纳如下： ( 1 ) 从微观力学出发，分析残余应力是由位错引起的晶格畸变带来的弹性应力场 引起的；从残余应力产生的原因出发，根据位错滑移理论和晶格理论，建立残余应力力 学模型，通过分析振动过程中残余应力的变化来分析振动消除残余应力的机理，进一步 完善振动消除、降低和均化残余应力的理论。 ( 2 ) 振动时效的工艺参数主要有：激振频率，振动强度，振动时间。振动时效工 艺的制定也就是要选择合适的参数来达到最佳的时效效果，本文对这些参数的设置及原 因进行了详细的阐述，以改进振动时效工艺参数的选择。 。 ( 3 ) 进一步分析振动时效效果评价方法 ( 4 ) 展开对振动时效装置的设计研究，阐述了振动时效设备的设计要点，对振动 时效装置的硬件电路模块进行了详细分析，利用p r o t e l 9 9 软件绘制了相关的原理图和电 路图，并对系统的程序流程做了分析。 ( 5 ) 文章详细介绍了单片机系统开发虚拟仿真软件k e i l c 5 1 av i s i o n 2 与p r o t e u s ， 并对振动时效系统中最重要的一些功能模块进行了虚拟仿真，个别功能模块还使用了 d p 5 1 p r o c 单片机综合仿真试验仪进行了在线硬件仿真。e d a ( e l e c t r o n i cd e s i g n a u t o m a t i c ) 技术是电子系统设计过程中常用的技术手段，可以缩短系统的开发周期，降 低开发成本。p r o t e u s 7 1 的i s i s 软件平台提供了一个非常完善的硬件模拟仿真环境，可 以模拟仿真用户开发的单片机系统，便于早期发现设计缺陷和程序错误，为单片机系统 的开发提供了很大方便。 ( 6 ) 课题中使用l a b v i e w 软件和研华p c l 8 1 8 l 数据采集卡设计了一个振动时 效控制系统，给出了相应的面板和框图。 东北大学硕士学位论文 笫2 章振动时效机理的分析 第2 章振动时效机理的分析 2 1 残余应力的产生与消除 2 1 1 残余应力的产生 残余应力是指在没有对物体施加外力时，物体内部存在的保持自相平衡的应力系 统。它是固有应力或内应力的一种。机械加工工艺如铸造、切削、焊接、热处理、装配 等都会产生不同程度残余应力。下面用力学模型分析残余应力产生的原因。 ( 1 ) 机械加工引起的残余应力 这是金属构件在加工中最容易产生的残余应力。当施加外力时，物体的一部分出现 塑性变形，卸载后，塑性变形部分限n t ：其相邻部分变形的恢复，因而出现了残余应力。 如图2 1 左图所示，当一均匀梁受纯弯曲且上下表面进入塑性时，沿横截面各层上的应 变分布如a a 线所示。其中l r o l 部分产生了塑性变形，而n o 部分仍处于弹性状态。当外 力去除时梁的变形得到恢复，各点的应变也得到释放，但梁的上表面m 点深至n 点这一 层内已产生塑性变形，设上表面m 点的塑性应变为a t ，则当截面聊肌各点的应变恢复到 折线b n o n b 时，整个截面内将不存在应力。