振动时效技术应用

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一、振动时效技术应用

振动时效技术，国外称之为“Vibrating Stress Relief”简称“VSR”，旨在通过专业的振动时效设备，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――被歪曲的晶格逐渐回复平衡状态。

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。

二、振动时效的特点

时效效果好，灵活性强，彻底解决了热时效炉窑的环境污染问题；投资少，节能显著，效率高，特别是不宜高温时效的材料和零件的消除应力处理。

表一 振动时效与热时效特点比较

三、振动时效的由来及现状

1. 振动时效的由来及国外的应用情况

在工件的铸造、焊接、锻造、机械加工、热处理、校直等制造过程中，工件的内部产生残余应力，而残余应力的存在必然会导致一些不良的后果出现。如：降低工件的实际承载能力而生裂纹；易发生变形而影响工件的尺寸精度；加速应力腐蚀；降低工件的疲劳寿命等。

消除应力有：自然时效、热时效、振动时效、静态过载时效、爆炸时效、循环加载时效等，虽然都有有缺点，但都在一定程度上达到消除和均化的目的。

振动时效源自于敲击时效，在焊接中，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裂纹产生，其原因就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。敲击法能量有限，后来发现使工件产生共振时，可给工件出入最大的振动能力，从而于1915年在美国产生世界上第一台关于振动消除残余应力的专利。直到五十年代后期，电动机制造水平的提高，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。

2. 国内发展及现状

国内发展较晚，首先由孙照清总工程师等老一辈技术专家于74年出国考察，把技术带回国内，并开始在机械部、航空部研究移植，并在“六五”期间在机械部提出攻关课题―――提高机床铸件产品质量的大课题里面确定“振动时效可行性研究”。

85年机械部特批25000美金与美国马丁公司合作，引进当时世界上最先进的VSR－790型振动时效设备及相关技术。特别是1991年JB/T5926-91《振动时效工艺参数选择及技术时效设备要求》标准的诞生，使该技术得以较快的推广和发展。

四、振动时效的特点

振动时效的实质是以共振的形式给工件施加附加动应力，当附加动应力与残余应力叠加后，达到或超过材料的屈服极限时，工件发生微观或宏观塑性变形，从而降低和均化工件内部的残余应力，并使其尺寸精度达到稳定。其特点有：投资少，生产周期短，使用方便，适应性强，节约能源，降低成本，机械性能显著提高。符合环保要求，操作简单，易于实现机械自动化，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。

五、振动时效的机理

1. 从宏观的角度分析

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，无疑是导致零件尺寸精度稳定的基本原因。由振动时效的加载试验结果可知，振动时效件的抗变形能力不仅高于未经时效的零件，也高于经热时效处理的零件。

2. 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的动应力。

3. 从错位、晶格滑移等金属学理论上解释

其主要观点是振动时效处理过程实际上是通过在工件的共振状态下，给工件的每一部位（晶格）施加一定的动能量，如果施加的这个能量值与微观组织本身原有的能量值之和，足以克服微观组织周围的井势（恢复平衡的束缚力），则微观区域必然会产生塑性变形，使产生残余应力的歪曲晶格得以慢慢地恢复平衡状态，使应力集中处的错位得以滑移并重新钉扎，达到消除和均化残余应力的目的。

六、振动时效工艺过程

1. 振动工艺装备

振动工艺装备是将一个具有偏心重块的电机系统（激振器），用卡具安放在工件上并将工件用胶垫等弹性物体支承。通过主机控制电机并调速，使工件处于共振状态。一般工件经30分钟的振动处理即可达到调整均化残余应力的目的。

  · 主机：控制电机的启动及调速、信号的收集、处理、显示及打印参数。

  · 激振器：强迫工件振动并将电机转速及激振频率反馈回主机。

  · 拾振器：把振动响应如加速度幅值等反馈回主机。

  · 卡具：将激振器牢牢固定在工件正确位置上。

  · 胶垫：隔振、降噪，防跑件。

2. 工艺选择

  · 激振频率：选择共振区别明显处，一般铸件可以采用中频大激振力，焊接件可分频激振。

  · 激振力：由构件上最大的动应力来确定，即应保证σd+σr ≥[σ]。Σd 与构件的材料和结构有关，一般铸件为∓2kgf/mm2，软钢件为∓7kgf/mm2。

  · 激振时间：振动的前10分钟残余应力变化最快，20分钟后趋于稳定，一般认为处理20-50分钟即可。工件重量 (T)<1 1-3 3-6 6-10 10-50 >50；振动时间 (min) 10 12 15 20 25 30-50。

  · 激振点和支撑点：支撑点应该在工件振动节点上，激振点一般在两点支撑点间刚性较大的位置上（亚共振方式或者传统振动时效）。

  · 方法：用振动时效过程中测出的动态参数曲线，根据曲线的变化、现场，及时判断振动效果，是国内外推荐认可的方法。

振动时效最重要的几个参数是：支撑点、振型、激振点、拾振点、加速度、固有频率、时间。其中，振动加速度、共振频率、共振时间，是决定时效工艺效果的主要参数。振动时效的实质是在工件的低频亚共振点，稳定地亚共振振动15-30分钟左右，使共振峰出现变化，内部发生微观的弹性塑性力学变化，从而实现时效目的。

传统振动时效设备在应用中的问题

1.振动时效必须是受过专业培训的人员操作，一般的工人即使受过培训也很难掌握这项技术。

2.有些复杂的工件必须是熟练的专业技术人员操作，一般工厂很难做到。

3.工件在单件生产时调整相当繁琐，拾振器支撑点和激振点很难调到最佳状态，一种工件就需要制订一种工艺。

4.需要操作者确定处理参数，对人的技能要求比较高。

5.由于有效振型较少，经振动时效处理后达不到较高精度要求，很难纳入工艺。

6.许多工件由于刚性和固有频率太高，找不到共振峰无法振动，机械制造业覆盖面仅为23%。

7.噪声过大也是难以推广的主要原因。

来源：设备管理研习社公众号（ID：sbglyxs），原文来自中国振动机械网。