第一章 振動時效背景
一、 振動時效技術(shù)應(yīng)用
振動時效技術(shù)，國外稱之為“Vibrating Stress Relief”簡稱“VSR”,旨在 通過專業(yè)的振動時效設(shè)備，使被處理的工件產(chǎn)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(nèi)部發(fā)生微觀的塑性變形――被歪曲的晶格逐漸 回復(fù)平衡狀態(tài)。位錯重新滑移并釘扎，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程中變形和開裂，保證工件尺寸精度的穩(wěn)定性。
二、 振動時效的特點
1. 時效效果好
2. 靈活性強
3. 徹底解決了熱時效爐窯的環(huán)境污染問題
4. 投資少
5. 節(jié)能顯著
6. 效率高
7. 特別時候不宜高溫時效的材料和零件的消除應(yīng)力處理
表一 振動時效與熱時效特點比較
項目 |
熱時效 |
振動時效 |
應(yīng)力消除 |
40－80％ |
30－90％ |
能源消耗 |
高 |
比熱時效節(jié)能95％ |
環(huán)境保護 |
有煙氣粉塵廢渣排放 |
無污染 |
尺寸穩(wěn)定性 |
較好 |
比熱時效提高30％以上 |
生產(chǎn)費用 |
150－300元/噸 |
4－10元/噸 |
時效周期 |
20－60小時 |
20－50分鐘 |
抗變形 |
較差 |
比熱時效提高30－75％ |
時效氧化 |
較大 |
可忽略不計 |
時效變形 |
有 |
無 |
大型工件 |
無法進爐處理 |
可方便就地處理 |
三、 振動時效的由來及現(xiàn)狀
1. 由來及國外的應(yīng)用情況
在工件的鑄造、焊接、鍛造、機械加工、熱處理、校直等制造過程中在工件的內(nèi)部產(chǎn)生殘余應(yīng)力，而殘余應(yīng)力的存在 必然會導(dǎo)致一些不良的后果出現(xiàn)。
如：降低工件的實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：自然時效、熱時效、振動時效、靜態(tài)過載時效、時效、循環(huán)加載時效等，雖然都有有缺點，但都在一定程度上達到消除和均化的目的。
振動時效源自于敲擊時效，在焊接中，施焊一段時間后立即用小錘對焊縫及周邊進行敲擊以防止裂紋產(chǎn)生，其原因就是隨時將焊接應(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，后來發(fā)現(xiàn)使工件產(chǎn)生共振時，可給工件出入最大的振動能力，從而于1915年在美國產(chǎn)生世界上第一臺關(guān)于振動消除殘余應(yīng)力的專利。直到五十年代后期，電動機制造水平的提高，輕巧的振動時效設(shè)備陸續(xù)在美國、德國、英國、法國、蘇聯(lián)等國家出現(xiàn)，并不斷地被應(yīng)用到機械制造業(yè)中，大量的實際應(yīng)用證明這種方法比熱時效更能提高工件的尺寸穩(wěn)定性。
2. 國內(nèi)發(fā)展及現(xiàn)狀
國內(nèi)發(fā)展較晚，首先由孫照清總工程師等老一輩技術(shù)專家于74年出國考察，把技術(shù)帶回國內(nèi)，并開始在機械部、航空部研究移植，并在“六五”期間在機械部提出攻關(guān)課題―――提高機床鑄件產(chǎn)品質(zhì)量的大課題里面確定“振動時效可行性研究”。八五年機械部特批二萬五千美金與美國馬丁公司合作，引進當時世界上最先進的VSR－－790型振動時效設(shè)備及相關(guān)技術(shù)。
特別是九一年JB/T5926-91《振動時效工藝參數(shù)選擇及技術(shù)時效設(shè)備要求》標準的誕生，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
1.力相互作用或平衡范圍分類
2.金屬學(xué)分類
3. 應(yīng)力產(chǎn)生的工藝過程分類：
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)力的工藝機構(gòu)分類
5. 按物理學(xué)分類
6. 按應(yīng)力存在時間的長短分類
二、 殘余應(yīng)力的機理
1. 由于機械加工產(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)力對金屬構(gòu)件的影響
1. 對金屬材料屈服極限的影響
2. 殘余應(yīng)力對疲勞壽命的影響
3. 殘余應(yīng)力對構(gòu)件變形的影響
4. 殘余應(yīng)力對金屬脆性破壞的影響
第三章消除殘余應(yīng)力的方法
一、自然時效
自時效是通過把零件暴露于室外，經(jīng)過幾個月甚至幾年的時間，使其尺寸精度達到穩(wěn)定的一種方法。這種時效方法早已被普遍采用。大量的試驗研究和生產(chǎn)實踐證明，自然時效具有穩(wěn)定鑄件尺寸精度的良好效果。
二、 熱時效
1.用的工藝方法就是進行消除應(yīng)力的退火，這種方法的特點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，技術(shù)構(gòu)件即具有相當?shù)膯涡?，同時具有明顯的塑性，這個溫度范圍稱為彈性轉(zhuǎn)變溫度。
2.影響熱時效效果的因素
a. 熱時效中，退火溫度是影響消除殘余應(yīng)力效果的最重要因素。
b. 熱時效保溫時間
c. 熱時效升溫速度
d. 熱時效降溫速度
e. 熱時效爐的溫差
f. 工件在爐中的放置與支撐
三、 靜態(tài)過載法
是以靜力或靜力矩的形式，暫時加載于構(gòu)件上，并在這種載荷下保持一段時間，從而使零件尺寸精度獲得穩(wěn)定的時效方法。
用于焊接件時需要將載荷加大到使原來應(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)力下保持時間。
特別指出，靜態(tài)過載法處理后構(gòu)件中仍然保持著相當大的殘余應(yīng)力。
四、 熱沖擊時效法
1970年前后出現(xiàn)的一種新穎的穩(wěn)定工件尺寸精度的時效工藝法。
其實質(zhì)就是將工件進行快速加熱，使加熱過程中造成的熱應(yīng)力正好與殘余應(yīng)力疊加，超過材料的屈服極限引起塑性變形，從而使原始殘余應(yīng)力很快松弛并穩(wěn)定化。
五、 超聲波時效法
超聲波時效法首先在前蘇聯(lián)誕生，并在發(fā)達國家得到推廣，該方法起先主要應(yīng)用于船舶、核潛艇、航空航天等對消除應(yīng)力非常嚴格的軍事領(lǐng)域。
第四章 振動時效原理
一、 振動時效的特點
振動時效的實質(zhì)是以共振的形式給工件施加附加動應(yīng)力，當附加動應(yīng)力與殘余應(yīng)力疊加后，達到或超過材料的屈服極限時，工件發(fā)生微觀或宏觀塑性變形，從而降低和均化工件內(nèi)部的殘余應(yīng)力，并使其尺寸精度達到穩(wěn)定。
其特點有：
1. 投資少
2. 生產(chǎn)周期短
3. 使用方便
4. 適應(yīng)性強
5. 節(jié)約能源，降低成本
6. 機械性能顯著提高
7. 符合環(huán)保要求
8. 操作簡單，易于實現(xiàn)機械自動化。
9. 可避免金屬零件在熱時效過程中產(chǎn)生的翹曲變形、氧化、脫碳及硬度降低等缺陷。
二、 振動時效的機理
1. 從宏觀的角度分析，振動時效使零件產(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，無疑是導(dǎo)致零件尺寸精度穩(wěn)定的基本原因。由振動時效的加載試驗結(jié)果可知，振動時效件的抗變形能力不僅高于未經(jīng)時效的零件，也高于經(jīng)熱時效處理的零件。
2. 從微觀方面分析，振動時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應(yīng)力。
3. 從錯位、晶格滑移等金屬學(xué)理論上解釋，其主要觀點是振動時效處理過程實際上是通過在工件的共振狀態(tài)下，給工件的每一部位（晶格）施加一定的動能量，如果施加的這個能量值與微觀組織本身原有的能量值之和，足以克服微觀組織周圍的井勢（恢復(fù)平衡的束縛力），則微觀區(qū)域必然會產(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)力集中處的錯位得以滑移并重新釘扎，達到消除和均化殘余應(yīng)力的目的。
三、 振動時效工藝過程
A.振動工藝裝備如圖所示：它是將一個具有偏心重塊的電機系統(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。通過主機控制電機并調(diào)速，使工件處于共振狀態(tài)。一般工件經(jīng)30分鐘的振動處理即可達到調(diào)整均化殘余應(yīng)力的目的。
主機：控制電機的啟動及調(diào)速、信號的收集、處理、顯示及打印參數(shù)
激振器：強迫工件振動并將電機轉(zhuǎn)速及激振頻率反饋回主機
拾振器：把振動響應(yīng)如加速度幅值等反饋回主機
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)件上最大的動應(yīng)力來確定，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、激振時間：振動的前10分鐘殘余應(yīng)力變化最快，20分鐘后趨于穩(wěn)定，一般認為處理20-50分鐘即可。
工件重量（T） |
﹤1 |
1-3 |
3-6 |
6-10 |
10-50 |
﹥50 |
振動時間（min） |
10 |
12 |
15 |
20 |
25 |
30-50 |
4、激振點和支撐點：支撐點應(yīng)該在工件振動節(jié)點上，激振點一般在兩點支撐點間剛性較大的位置上。
5、用振動時效過程中測出的動態(tài)參數(shù)曲線，根據(jù)曲線的變化、現(xiàn)場，及時判斷振動效果，是國內(nèi)外推薦認可的方法。
振動時效最重要的幾個參數(shù)是：“支撐點、振型、激振點、拾振點、加速度、固有頻率、時間。”其中振動加速度、共振頻率、共振時間是決定時效工藝效果的主要參數(shù)。
振動時效的實質(zhì)，是在工件的低頻亞共振點，穩(wěn)定地亞共振振動15-30分鐘左右，使共振峰出現(xiàn)變化，內(nèi)部發(fā)生微觀的彈性塑性力學(xué)變化，從而實現(xiàn)時效目的。
振動時效效果的判定方法
檢測振動時效的效果實際上就是檢驗工件中殘余應(yīng)力是否得以消除和均化，目前對殘余應(yīng)力的測試方法總的分為兩大類。一類是定量測量：如盲孔法、X射線法、磁測法、噴砂打孔法、切割法、套環(huán)法等；另一類是定性測試：如振動參數(shù)曲線法、尺寸精度穩(wěn)定性法等。
一、振動參數(shù)曲線法
一項振動時效工藝是否成功，起最后的檢測方法應(yīng)是殘余應(yīng)力的變化率和尺寸精度保持性的測試。但在振動處理過程中采用上述兩種參數(shù)是不可能的，它需要長時間和復(fù)雜的測試過程。通常在實際生產(chǎn)應(yīng)用的控制過程中往往采用振動時效前后幅頻特性參數(shù)曲線和振幅時間參數(shù)曲線測試法，并按JB/T5926-91標準中第4.1條款或JB/T10375-2002標準中的第6.2條款驗收來實現(xiàn)。
（1） 幅頻特性曲線掃描法
在振動處理過程中隨著殘余應(yīng)力的下降，構(gòu)件的內(nèi)阻尼減小，所以在幅頻特性曲線上所表現(xiàn)出的是固有頻率的下降，共振峰的增高、頻帶變窄。
（2） 振幅-時間曲線監(jiān)測法
幅-頻特性曲線是在振動處理的前后進行的，且頻率在不斷的改變。有時為了獲得更好的曲線還需要將激振力調(diào)到最?。ㄆ淖钚〉臋n級）。采用頻率不變的同時畫出振幅隨時間變化的曲線。這種方法既可以通過振幅的變化來控制振動處理的有效時間，又可通過振幅的變化量來檢測殘余應(yīng)力的變化情況。
二、盲孔法
切割法和套環(huán)法具有較大的破壞性，因此目前應(yīng)用較為廣泛的殘余應(yīng)力測試方法是鉆盲孔法。就是在被測點上鉆一小孔，使被測點的應(yīng)力得到部分或全部釋放，并由事先貼在小孔周圍的應(yīng)變計測得釋放的應(yīng)變量，再根據(jù)彈性力學(xué)原理計算出殘余應(yīng)力來。這種方法具有較好的精度，因此它已成為應(yīng)用比較廣泛的殘余應(yīng)力測試方法之一。
三、尺寸精度穩(wěn)定法
尺寸精度穩(wěn)定法是根據(jù)定期對構(gòu)件尺寸精度的測量來實現(xiàn)的。它包括兩方面內(nèi)容：一方面是觀測構(gòu)件尺寸精度隨時間而發(fā)生的變化量，與熱時效或精度允差相比較；另一方面是要觀察構(gòu)件在靜、動載荷作用后的尺寸精度變化量，同樣與傳統(tǒng)工藝（熱時效）相比，以鑒定振動時效工藝的可行性。
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