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。
