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      振动时效处理技术原理及发展状况

      振动时效介绍

          振动时效在国外被称做“Vibratory Stress Relief Method”(简称VSR)。由于这种方法可以降低或均化构件内的残余应力,因此可以提高构件的使用强度,可以减少变形而稳定精度,可以防止由于使用环境恶劣产生的微观裂纹的发生。特别是在节省能源、提高工效上具有明显的效果,国内外使用振动处理方法消除金属构件内的残余应力,以代替热时效。这种技术因此被许多国家大量使用。我们在该项技术的机理和应用研究上,近些年来都取得了较大的进展。

      振动时效技术特点

      金属构件在焊接、铸造、锻造和机械加工等工艺过程中,其内部将产生残余应力,极大地影响了构件的尺寸稳定性、刚度、强度和机械加工性能等。“时效”是降低残余应力使构件尺寸精度稳定的方法。目前用于消除残余应力的通用方法有:热时效、自然时效和振动时效。热时效存在着能耗大、成本高、材料机械性能下降、大工件无法处理等弊端;自然时效时间长,效率低,仅能使应力消除2 %~10 %等弱点。在好多国家60年代开始研究采用振动时效来消除金属工件内残余应力。随着研究的深入,振动时效工艺技术便产生并不断改进。振动时效工艺,国外称为“VSR”方法,是利用共振原理降低和均化金属结构内部残余应力,获得结构尺寸精度稳定的一种新技术,其特点可完全取代传统的热时效和自然时效工艺,具体特点如下:

      ① 投资少。与热时效相比它无需庞大的时效炉,可节省占地面积与昂贵的设备投资。现代工业中的大型铸件与焊接件如采用热时效消除应力则需建造大型时效炉不仅造价昂贵利用率低,而且炉内温度很难均匀消除应力效果很差,采用振动时效可以完全避免这些问题。因此目前对长达几米至几十米的桥梁船舶,化工器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加工生产线上,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,因此便于携带。由于振动处理不受场地限制,振动装置又可携至现场,所以这种工艺与热时效相比使用简便适应性较强。

      ④ 节约能源降低成本。在工件的共振频率下进行时效处理耗能极小,实践证明功率1.23.3kW的机械式激振器可振动300t以下的工件,故粗略计算其能源消耗仅为热时效3%~5%,成本仅为热时效的1%~3%。

      ⑤ 其他。振动时效操作简便易于实现机械化、自动化;可避免金属零件在热时效过程中产生的翘曲变形、氧化、脱碳及硬度降低等缺陷;是目前唯一能进行二次时效的方法;它又是绿色技术,在时效过程中无污染]

       振动时效的发展及国外应用情况

      振动时效源自于敲击时效,我们知道在焊接过程中有经验的焊接师傅在施焊一段时间后立即用小锤对焊缝及周边进行敲击以防止产生裂纹,究其原因既是随时将焊接应力消除一些,以免最终产生较大的应力集中。而实际上这种敲击的能量是有限的,后来人们发现使工件产生共振时可给工件输入最大的振动能量。因此,用振动的方法消除金属构件残余应力的技术,由美国著名物理学家J.W.Stratt 于19世纪初在美国取得了专利。其基本思想是通过对应力工件施以循环载荷,使工件内应力释放,从而使工件残余应力降低、尺寸稳定。但由于当时难以制造出高频率、轻巧的振动时效设备,且对其机理也尚待研究,所以二十世纪五十年代以前,这项技术的发展十分缓慢,到了五十年代后期,由于电动机制造水平不断的提高,轻巧的振动时效设备陆续在美国、德国、英国、法国、苏联等国家出现,并不断地被应用到机械制造业中,大量的实际应用证明这种方法比热时效更能提高工件的尺寸稳定性[4]。实际应用的成功又大大地促进了人们对其机理的探讨,所以这一时期产生了大量的有关振动时效的论文,到目前为止,上述国家的较大型机械制造厂商基本上都在采用这一时效技术。许多国家还将振动时效定为某些机械构件必须采用的标准工艺。

       振动时效在国内的发展及现状

      国内开展这项工作比较晚,70代初引进国外技术,首先由大连理工大学、哈尔滨焊接研究所等工程技术专家并开始在机械行业、航天航、铁路等各部门进行研究移植,并于“六五”期间在机械部提出的攻关课题之一—提高机床铸件产品质量的大课题里面确定了“振动时效可行性研究”这一子课题。振动时效技术于1991年被国务院新技术办公室批准为国家重点推广项目,并在同年出台了JB/T5926—91《振动时效工艺参数选择及技术要求》,推动了此技术的推广。1993年被国家科委列为“国家级科技成果重点推广计划”项目。目前,我国已有大量振动时效设备投入使用,涉及领域包括机床、冶金、矿山、航空、航天、军工、轻工、电力、纺织、风机、建筑、造纸等几乎所有机械制造行业。随着其应用日益广泛,对其研究也越来越深入[5]。我国科技工作者经过多年努力,在振动时效技术发展和设备研制上取得了突破性进展,振动时效设备从普通型发展到智能型、专家型;在操作方式及数据分析上由人工手工完成发展到计算机分析处理数据;电控工艺过程自动控制并达到最佳振动时效效果。可以说在振动时效技术上我国已经取得了相当大的突破。

      振动时效背景及意义

      随着加快制造业的发展,对其工艺的要求越来越高,而由于金属构件在加工过程中产生的残余应力又对构件的尺寸、结构等方面存在着潜在的危害,很可能影响到整个加工,所以消除残余应力是在现代加工过程中不可缺少的部分。又由于振动时效在消除残余应力方面有着传统方法无法媲美的优势,它的应用将大大改善残余应力,可以满足加工的需要。尤其在能源紧缺、限制环境污染及高效生产的形势下,振动时效技术越来越受到国内外的重视,其发展空间是巨大的。同时,在这种情况下,对振动时效技术的要求也会越来越高,就要必须加大对其研究和开发,使其快速发展,以满足市场的需要。但是,由于我国对这方面的研究起步较晚还不够深入,而以前的研究大都是对其某一部分的研究,而并没有全面的探讨,所以在推广上存在着较多困难。本次课题主要是从这项技术总体出发,研究包括机械部分、原理、工艺以及控制单元,使其形成一个整体脉络,为后续的研究打下一个良好的基础。

      振动时效工艺设备:

      1、查阅国内外振动时效工艺设备的发展和应用状况及相关文献;

      2、研究振动时效工艺的原理,时效工艺的关键技术和知识点;

      3、设计振动部件的机械结构和零件;

      4、设计测控单元的原理构成及转速控制;

      其中最重要的是掌握振动时效工艺原理,时效工艺的关键技术和知识点,使其形成一个系统脉络,因为只有在这个前提下,才可能很好的完成其它的任务。同时其也是为后续研究提供的重要理论依据。

      1 振动时效技术原理

          振动时效处理是将激振器刚性连接被时效工件上,由控制系统控制调整激振器频率,使工件处于共振状态,在交变应力作用下振动一定时间后,使构件的残余应力降低和均化。典型的振动时效系统如图所示。

      1. 工件 2. 弹性支承 3. 激振器 4. 控制器

      5. 传感器 6. 应变计 7. 应变仪

      图2.1 典型振动时效系统

      振动时效的机理

      对于振动时效的机理, 国内外已经进行了大量的研究工作,取得了以下的共识。

      从宏观角度分析,振动时效可视为以循环载荷的形式对工件施加附加应力。众所周知,工程上采用的材料都不是理想的弹性体,其内部都存在着不同程度的应力。当受到振动时,施加于零件上的交变动应力与零件中的残余应力叠加,当叠加的结果达到一定的数值后,在应力集中严重的部位就会超过材料的屈服极限而发生塑性变形,塑变降低了该处残余应力峰值,提高了构件尺寸的稳定性,并强化了金属基体。

      从微观角度分析,振动时效的过程,实质上是金属材料内部晶体位错运动、增殖、塞积和缠结的过程。由于金属材料存在位错,在构件内部产生的交变动应力与内部的残余应力相互叠加,在应力较高的区域,就可产生位错滑移,出现微小塑性变形。在足量的循环载荷作用下,可使位错源开动起来。位错滑移是单向进行线性累积的,当微应变累积到一个宏观量,构件宏观内应力随之松弛,使残余应力的峰值下降,改变了构件原有的应力场,最终使构件的残余应力降低并重新分布,达到平衡。振动能的输入提高了构件内部晶体的动能,当外界对构件施加周期性循环应力大于位错移动所必需的能量时,材料内部出现位错移动,加快了畸变晶格向平衡位置的恢复速度,引起位错密度和位错点增加,使位错塞积,造成位错移动受阻,从而强化了基体,提高了构件抗微小变形能力,使构件的尺寸精度趋于稳定。