振动时效的原理及应用和技术

振动时效技术振动时效的原理及应用振动时效的特点及其发展概况

振动处理技术又称做振动消除应力，在我国又称做振动时效。它是将一个具有偏心重块的电机系统（称做激振器）安放在构件上，并将构件用橡胶垫等弹性物体支承。通过控制器起动电机并调节其转速，使构件处于共振状态。约经20~30分钟的振动处理即可达到调整残余应力的目的。振动时效工艺特点1．机械性能显著提高经振动时效处理的工件可以使内应力降低30%-80%，高拉应力区消除的比低拉应力区消除的多；从而延长工件使用寿命，提高其疲劳强度、降低应力腐蚀。2．适用性强设备简易且易搬动，不受工件大小和材料的限制，几百吨的工件都适用，特别是对一些工件无法进行热时效时，振动时效的优越性就体现了出来。3．节省时间、能源和费用振动时效只需30分钟左右即可进行下道工序，无需消耗大量煤油、电力等能源，可以节省建造大型焖火窑的费用。振动时效工艺的发展及应用振动时效工艺最早在1900年于美国获得专利，70年代高速电机的出现使得此工艺得到高速发展和应用，74年由我国老一辈工程技术专家将其带回国内，79年经过一系列实验验证了此项工艺的可行性，但限于当时设备简易限制了这项技术的研究与应用，直到85年与美国马丁公司合作引进先进设备，再加上各大院校的投入以及91年制定的 《振动时效工艺参数及技术要求》标准，使得振动时效工艺得以发展和应用，到目前为止，振动时效设备已在我国机床、冶金、航空、轻工、军工、风机等机械制造行业投入使用。残余应力

在各种金属构件加工制造过程中，构件内部不可避免地会产生残余应力。生产过程中应力产生主要工艺分为：铸造残余应力、焊接残余应力、压力加工残余应力、切削加工残余应力、热处理残余应力、镀层残余应力、表面硬化处理残余应力、校直残余应力等。残余应力的产生1.由于机械加工产生不均匀的塑性变形引起的残余应力。这是金属构件在加工中最易产生的残余应力。当施加外力时，物体的一部分出现塑性变形，卸载后，塑性变形部分限制了与其相邻部分变形的恢复，因而出现了残余应力2.由于温度不均匀造成的局部热塑性变形或相变作用引起的不均匀塑性变形而产生的残余应力。大多数金属都不是纯弹性或纯塑性材料，在冷却过程中往往会发生塑性至弹性的转变。以铸铁件和碳钢焊接件为例；无论是铸造和焊接均需要将构件加热到800℃以上。加工后放在自然温度环境中，构件都要经过这个塑性—弹性转变温度区间700---400℃，由于构件冷却是从外到内的，就会产生外部成弹性温度区间，而构件内部还处在塑性温度区间，通俗的讲就是构件外部已经固化，而内部因为继续冷却而收缩，构件外部不让其收缩产生残余应力。残余应力对金属构件的影响残余应力对疲劳寿命的影响宏观残余应力在初期暂时与作用的交变应力叠加，改变盈利水平，较大的影响着疲劳寿命。而由微观组织不均匀性所造成的残余应力在应力交变过程中，会使微观区域内的塑性变形积累，使该部分产生应力集中，并使组织内发生裂纹。残余应力对构件变形的影响残余应力对构件变形的影响包括两个方面，一方面是构件抗静、动荷载的变形能力，另一方面是荷载卸除后变形的恢复能力。具有表面拉伸残余应力的构件其尺寸稳定性远远不如具有表面压缩残余应力的构件尺寸稳定性好。残余应力对金属脆性破坏的影响脆性破坏是构建在几乎不存在塑性变形情况下的突然开裂。它在温度突然下降或变形速度突然上升的情况下最易发生。这是塑性变形处于压抑状态，如在突然受到较大的作用应力等原因，就易于发生存型断裂破坏。残余应力是作为初始应力存在于构件内，特别是拉伸残余应力与作用拉应力叠加而加速了脆性破坏。时效方法简介主要方法有热时效、自然时效、振动时效、静态过载时效、热冲击时效等。自然时效

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及其它线缺陷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，不易管理，不能及时发现构件内的缺陷，已逐渐被淘汰。热时效

热时效是将构件由室温缓慢均匀加热至550℃左右，保温4—8小时，再严格控制降温速度至150℃以下出炉。

热时效工艺要求是严格的，如要求炉内温度差不大于±25℃，升温速度不大于50℃/小时，降温速度不大于20℃/小时。炉内最高温度不许超过570℃，保温时间也不易过长，如果温度高于570℃，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，甚至产生与原残余应力相同的温度应力（二次应力），并残留在构件中，从而破坏了已取得的热时效效果。振动时效振动时效，在国外称之为“VSR”技术，它是在激振器的周期性外力（激振力）的作用下，使被处理的工件产生共振，并通过这种共振方式将一定的振动能量传递到工件的所有部位，使工件内部发生微观的塑性变形—被歪曲的晶格逐渐恢复平衡状态。位错重新滑移并钉扎，从而使工件内部的残余应力得以消除和均化，最终防止工件在加工和使用过程中变形和开裂，保证工件尺寸精度的稳定性。振动时效技术的原理及应用振动时效工艺的简单程序

振动处理技术又称做振动消除应力法，在我国称做振动时效。它是将一个具有偏心重块的电机系统称做激振器安放在构件上，并将构件用橡胶垫等弹性物体做支撑，如图所示。

通过控制器启动电机并调节其转速，使构件处于共振状态，约经20—30分钟的振动处理即可达到调整残余应力的目的。图中的振动测试系统是用来监测动应力幅值及其变化的。实际生产上使用中不需要做动应力监测，振动时效设备本身具有模拟振幅监测系统。振动时效的原理从宏观角度分析，振动时效使零件产生塑性变形，降低和均化残余应力并提高材料的抗变形能力，无意识导致零件尺寸精度稳定的基本原因。从分析残余应力松弛和零件变形中可知，残余应力的存在及其不稳定性造成了应力松弛和再分布，使零件发生塑性变形。故通常采用热时效方法以消除和降低残余应力，特别是危险的峰值应力。振动时效同样可以降低残余应力。零件在振动处理后残余应力通常可降低30~55﹪，同时也使峰值应力降低，使应力分布均匀化。从微观方面分析，振动时效可视为一种以循环载荷的形式施加于零件上的一种附加动应力。工程上采用的材料都不是理想的弹性体，其内部存在着不同类型的微观缺陷。铸铁中更是存在着大量形状各异的切割金属基体得石墨。故而无论是钢、铸铁或其他金属，其中的微观缺陷附近都存在着不同程度的应力集中。当受到振动时，施加于零件上的交变应力与零件中的残余应力叠加。当应力叠加的结果达到一定的数值时，在应力集中最严重的部位就会超过材料的屈服极限而发生塑性变形。这种塑性变形降低了该处残余应力峰值，并强化了金属机体。而后，振动又在一些应力集中较严重的部位上产生同样作用，直至振动附加应力与残余应力叠加的代数和不能引起任何部位的塑性性别为止，此时，振动便不再产生消除和均化残余应力及强化金属作用。振动时效工艺振动时效的工艺过程分四步进行：第一步：首先用弹性橡胶垫将要时效处理的工件在其节线附近支撑起来，并将激振器用弓形卡具卡紧在工件振动时的波峰处，将测试工件振动情况的传感器用磁坐吸紧在工件上，并用专用电缆线将激振器、传感器和控制器连接起来，这一步又称为准备过程。第二步：振动时效设备以扫描的方式自动检测出被时效处理工件的固有共振频率和应该给工件振动能量的大小，这一步又称为振前扫描。第三步：振动时效设备以第二步测得参数为依据自动确定出对工件进行振动处理的振动频率，并对工件进行振动时效处理，在处理过程中随时检测振动参数和工件残余应力的变化，而残余应力不再消除时即适时停止处理过程，这一步又称为振动处理过程。第四步：振动处理完毕后，振动时效设备自动对被时效处理工件的参数进行再一次检测，以便依据JB/T5926-91或JB/T10375-2002标准，对振动时效进行判定。这一步又称为时效效果检测过程或振后扫描。振动时效工艺应用实例振动时效工艺应用实例、方型工件的振动时效工艺、圆环型构件的振动时效工艺、圆环型构件的振动时效工艺、轴类零件的振动时效工艺、振动平台振动时效工艺梁型工件的振动处理工艺

某厂成批生产的B1010A刨床的床身，材质为HT200，重量问6500kg，轮廊尺寸为6900×980×580mm，为典型的梁型件，我们首先用四个橡胶垫在床身下面距端部2/9L即1530mm处将床身支撑起来。该床身两头为油箱，中央夹激振器不方便，所以我们把激振器用弓形卡具卡紧在床身端头油箱处。加速度计用磁铁吸紧在床身的另一端头。

用VSRDS-08型振动时效装置对床身进行扫频处理，测得其一阶固有频率为2334r/min,即38.9Hz，共振加速度值为48.9m/s2。这时K2型激振器的偏心率调在26%（本激振器偏心装置在0～100%范围内无极可调）。

我们按峰值48.9m/s2的1/2确定振动频率为2303r/min振动处理约10分钟，加速度值基本保持不变了，再处理3分钟，即共13分钟。然后再对床身进行扫频处理，发现共振频率已发生前移，峰值已升高，符合JB/T5926—2005验收标准中第4.12条第c、d两项验收指标，达到消除和均化残余应力的目的。方型工件的振动时效工艺某厂生产的J31—400压力机的横梁，为焊接结构件，重量为137000kg，轮廓尺寸为2090×2030×1520，为较为典型的方型件。我们在其底面采用三点支撑方式，橡胶垫距相邻的两端面的距离约为该边长度的1/3。激振器用螺栓拧紧在横梁顶面的中间部位，加速度计吸紧在靠近一侧的中间位置上。如图用VSRDS-08型振动时效装置对其进行扫频处理，测得其固有共振频率为4572r/min即76.2Hz,共振峰高度为32.6m/s2,鉴于该工件刚性较大，我们选择其共振峰值32.6m/s2的2/3来确定振动频率为4551r/min,振动处理18分钟，VSRDS-08型微机内部的专家系统就判定为达到效果而自动关机，从随后第二次扫频的数据和曲线图上看，与第一次扫频的比较，已出现共振频率左移、峰值升高、带变窄三种现象，符合JB/T5926-2005标准中的第4.12条的c、d、e三项验收指标圆环型构件的振动时效工艺

某厂生产的SYI1920/2850型风机叶轮是专门为发电厂引排粉尘设备配套的，以前一直沿用热时效方式来消除焊接应力，由于量大，交货期短，热时效变形较严重，故委托我公司进行振动时效处理。该叶轮外径2850mm，内径1920m