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振動時效技術及相關介紹

振動時效介紹

    振動時效在國外被稱做“Vibratory Stress Relief Method”(簡稱VSR)。由于這種方法可以降低或均化構件內的殘余應力,因此可以提高構件的使用強度,可以減少變形而穩定精度,可以防止由于使用環境惡劣產生的微觀裂紋的發生。特別是在節省能源、提高工效上具有明顯的效果,國內外使用振動處理方法消除金屬構件內的殘余應力,以代替熱時效。這種技術因此被許多國家大量使用。我們在該項技術的機理和應用研究上,近些年來都取得了較大的進展。

振動時效技術特點

金屬構件在焊接、鑄造、鍛造和機械加工等工藝過程中,其內部將產生殘余應力,極大地影響了構件的尺寸穩定性、剛度、強度和機械加工性能等!皶r效”是降低殘余應力使構件尺寸精度穩定的方法。目前用于消除殘余應力的通用方法有:熱時效、自然時效和振動時效。熱時效存在著能耗大、成本高、材料機械性能下降、大工件無法處理等弊端;自然時效時間長,效率低,僅能使應力消除2 %~10 %等弱點。在好多國家60年代開始研究采用振動時效來消除金屬工件內殘余應力。隨著研究的深入,振動時效工藝技術便產生并不斷改進。振動時效工藝,國外稱為“VSR”方法,是利用共振原理降低和均化金屬結構內部殘余應力,獲得結構尺寸精度穩定的一種新技術,其特點可完全取代傳統的熱時效和自然時效工藝,具體特點如下:

① 投資少。與熱時效相比它無需龐大的時效爐,可節省占地面積與昂貴的設備投資,F代工業中的大型鑄件與焊接件如采用熱時效消除應力則需建造大型時效爐不僅造價昂貴利用率低,而且爐內溫度很難均勻消除應力效果很差,采用振動時效可以完全避免這些問題。因此目前對長達幾米至幾十米的橋梁船舶,化工器械的大型焊接件和重達幾噸至幾十噸的超重型鑄件較多地采用了振動時效。

② 生產周期短。自然時效需經幾個月的長期放置,熱時效亦需經數十小時的周期方能完成。而振動時效一般只需振動數十分鐘即可完成,而且振動時效不受場地限制,可減少工件在時效前后的往返運輸,如將振動設備安置在機械加工生產線上,不僅使生產安排更緊湊而且可以消除加工過程中產生的應力。

③ 使用方便。振動設備體積小、重量輕,因此便于攜帶。由于振動處理不受場地限制,振動裝置又可攜至現場,所以這種工藝與熱時效相比使用簡便適應性較強。

④ 節約能源降低成本。在工件的共振頻率下進行時效處理耗能極小,實踐證明功率1.23.3kW的機械式激振器可振動300t以下的工件,故粗略計算其能源消耗僅為熱時效3%~5%,成本僅為熱時效的1%~3%。

⑤ 其他。振動時效操作簡便易于實現機械化、自動化;可避免金屬零件在熱時效過程中產生的翹曲變形、氧化、脫碳及硬度降低等缺陷;是目前唯一能進行二次時效的方法;它又是綠色技術,在時效過程中無污染]。

 振動時效的發展及國外應用情況

振動時效源自于敲擊時效,我們知道在焊接過程中有經驗的焊接師傅在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產生裂紋,究其原因既是隨時將焊接應力消除一些,以免最終產生較大的應力集中。而實際上這種敲擊的能量是有限的,后來人們發現使工件產生共振時可給工件輸入最大的振動能量。因此,用振動的方法消除金屬構件殘余應力的技術,由美國著名物理學家J.W.Stratt 于19世紀初在美國取得了專利。其基本思想是通過對應力工件施以循環載荷,使工件內應力釋放,從而使工件殘余應力降低、尺寸穩定。但由于當時難以制造出高頻率、輕巧的振動時效設備,且對其機理也尚待研究,所以二十世紀五十年代以前,這項技術的發展十分緩慢,到了五十年代后期,由于電動機制造水平不斷的提高,輕巧的振動時效設備陸續在美國、德國、英國、法國、蘇聯等國家出現,并不斷地被應用到機械制造業中,大量的實際應用證明這種方法比熱時效更能提高工件的尺寸穩定性[4]。實際應用的成功又大大地促進了人們對其機理的探討,所以這一時期產生了大量的有關振動時效的論文,到目前為止,上述國家的較大型機械制造廠商基本上都在采用這一時效技術。許多國家還將振動時效定為某些機械構件必須采用的標準工藝。

 振動時效在國內的發展及現狀

國內開展這項工作比較晚,70代初引進國外技術,首先由大連理工大學、哈爾濱焊接研究所等工程技術專家并開始在機械行業、航天航、鐵路等各部門進行研究移植,并于“六五”期間在機械部提出的攻關課題之一—提高機床鑄件產品質量的大課題里面確定了“振動時效可行性研究”這一子課題。振動時效技術于1991年被國務院新技術辦公室批準為國家重點推廣項目,并在同年出臺了JB/T5926—91《振動時效工藝參數選擇及技術要求》,推動了此技術的推廣。1993年被國家科委列為“國家級科技成果重點推廣計劃”項目。目前,我國已有大量振動時效設備投入使用,涉及領域包括機床、冶金、礦山、航空、航天、軍工、輕工、電力、紡織、風機、建筑、造紙等幾乎所有機械制造行業。隨著其應用日益廣泛,對其研究也越來越深入[5]。我國科技工作者經過多年努力,在振動時效技術發展和設備研制上取得了突破性進展,振動時效設備從普通型發展到智能型、專家型;在操作方式及數據分析上由人工手工完成發展到計算機分析處理數據;電控工藝過程自動控制并達到最佳振動時效效果?梢哉f在振動時效技術上我國已經取得了相當大的突破。

振動時效背景及意義

隨著加快制造業的發展,對其工藝的要求越來越高,而由于金屬構件在加工過程中產生的殘余應力又對構件的尺寸、結構等方面存在著潛在的危害,很可能影響到整個加工,所以消除殘余應力是在現代加工過程中不可缺少的部分。又由于振動時效在消除殘余應力方面有著傳統方法無法媲美的優勢,它的應用將大大改善殘余應力,可以滿足加工的需要。尤其在能源緊缺、限制環境污染及高效生產的形勢下,振動時效技術越來越受到國內外的重視,其發展空間是巨大的。同時,在這種情況下,對振動時效技術的要求也會越來越高,就要必須加大對其研究和開發,使其快速發展,以滿足市場的需要。但是,由于我國對這方面的研究起步較晚還不夠深入,而以前的研究大都是對其某一部分的研究,而并沒有全面的探討,所以在推廣上存在著較多困難。本次課題主要是從這項技術總體出發,研究包括機械部分、原理、工藝以及控制單元,使其形成一個整體脈絡,為后續的研究打下一個良好的基礎。

振動時效工藝設備:

1、查閱國內外振動時效工藝設備的發展和應用狀況及相關文獻;

2、研究振動時效工藝的原理,時效工藝的關鍵技術和知識點;

3、設計振動部件的機械結構和零件;

4、設計測控單元的原理構成及轉速控制;

其中最重要的是掌握振動時效工藝原理,時效工藝的關鍵技術和知識點,使其形成一個系統脈絡,因為只有在這個前提下,才可能很好的完成其它的任務。同時其也是為后續研究提供的重要理論依據。

1 振動時效技術原理

    振動時效處理是將激振器剛性連接被時效工件上,由控制系統控制調整激振器頻率,使工件處于共振狀態,在交變應力作用下振動一定時間后,使構件的殘余應力降低和均化。典型的振動時效系統如圖所示。


振動時效的機理

對于振動時效的機理, 國內外已經進行了大量的研究工作,取得了以下的共識。

從宏觀角度分析,振動時效可視為以循環載荷的形式對工件施加附加應力。眾所周知,工程上采用的材料都不是理想的彈性體,其內部都存在著不同程度的應力。當受到振動時,施加于零件上的交變動應力與零件中的殘余應力疊加,當疊加的結果達到一定的數值后,在應力集中嚴重的部位就會超過材料的屈服極限而發生塑性變形,塑變降低了該處殘余應力峰值,提高了構件尺寸的穩定性,并強化了金屬基體。

從微觀角度分析,振動時效的過程,實質上是金屬材料內部晶體位錯運動、增殖、塞積和纏結的過程。由于金屬材料存在位錯,在構件內部產生的交變動應力與內部的殘余應力相互疊加,在應力較高的區域,就可產生位錯滑移,出現微小塑性變形。在足量的循環載荷作用下,可使位錯源開動起來。位錯滑移是單向進行線性累積的,當微應變累積到一個宏觀量,構件宏觀內應力隨之松弛,使殘余應力的峰值下降,改變了構件原有的應力場,最終使構件的殘余應力降低并重新分布,達到平衡。振動能的輸入提高了構件內部晶體的動能,當外界對構件施加周期性循環應力大于位錯移動所必需的能量時,材料內部出現位錯移動,加快了畸變晶格向平衡位置的恢復速度,引起位錯密度和位錯點增加,使位錯塞積,造成位錯移動受阻,從而強化了基體,提高了構件抗微小變形能力,使構件的尺寸精度趨于穩定。

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