一、振動時效技術應用
振動時效技術,國外稱之為“Vibrating Stress Relief”簡稱“VSR”,旨在 通過專業(yè)的振動時效設備,使被處理的工件產生共振,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,使工件內部發(fā)生微觀的塑性變形――被歪曲的晶格逐漸 回復平衡狀態(tài)。位錯重新滑移并釘扎,從而使工件內部的殘余應力得以消除和均化,***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狀
1. 由來及國外的應用情況
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部產生殘余應力,而殘余應力的存在 必然會導致一些不良的后果出現。
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;
加速應力腐蝕;
降低工件的疲勞壽命等。
消除應力有:自然時效、熱時效、振動時效、靜態(tài)過載時效、爆炸時效、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生,其原因就是隨時將焊接應力消除一些,以免***終產生較大的應力集中。
敲擊法能量有限,后來發(fā)現使工件產生共振時,可給工件出入***大的振動能力,從而于1915年在美國產生世界上***臺關于振動消除殘余應力的專利。直到五十年代后期,電動機制造水平的提高,輕巧的振動時效設備陸續(xù)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(yè)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(wěn)定性。
2. 國內發(fā)展及現狀
國內發(fā)展較晚,首先由孫照清總工程師等老一輩技術專家于74年出國考察,把技術帶回國內,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課題―――提高機床鑄件產品質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***先進的VSR--790型振動時效設備及相關技術。
特別是九一年JB/T5926-91《振動時效工藝參數選擇及技術時效設備要求》標準的誕生,使該技術得以較快的推廣和發(fā)展。
四、 振動時效的特點
振動時效的實質是以共振的形式給工件施加附加動應力,當附加動應力與殘余應力疊加后,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部的殘余應力,并使其尺寸精度達到穩(wěn)定。
其特點有:
1. 投資少
2. 生產周期短
3. 使用方便
4. 適應性強
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
中國振動機械網: http://www.findzd.com/news/98220.html 8. 操作簡單,易于實現機械自動化。
9. 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。
五、 振動時效的機理
1. 從宏觀的角度分析,振動時效使零件產生塑性變形,降低和均化殘余應力并提高材料的抗變形能力,無疑是導致零件尺寸精度穩(wěn)定的基本原因。由振動時效的加載試驗結果可知,振動時效件的抗變形能力不僅高于未經時效的零件,也高于經熱時效處理的零件。
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力。
3. 從錯位、晶格滑移等金屬學理論上解釋,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(恢復平衡的束縛力),則微觀區(qū)域必然會產生塑性變形,使產生殘余應力的歪曲晶格得以慢慢地恢復平衡狀態(tài),使應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力的目的。
六、 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速,使工件處于共振狀態(tài)。一般工件經30分鐘的振動處理即可達到調整均化殘余應力的目的。
主機:控制電機的啟動及調速、信號的收集、處理、顯示及打印參數
激振器:***工件振動并將電機轉速及激振頻率反饋回主機
拾振器:把振動響應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:由構件上***大的動應力來確定,即應保證 σd+σr≥[σ]。Σd與構件的材料和結構有關,一般鑄件為?2kgf/mm2,軟鋼件為?7kgf/mm2。
3、激振時間:振動的前10分鐘殘余應力變化***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。(亞共振方式,或者傳統(tǒng)振動時效)
5、用振動時效過程中測出的動態(tài)參數曲線,根據曲線的變化、現場,及時判斷振動效果,是國內外推薦認可的方法。
振動時效***重要的幾個參數是:“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。
振動時效的實質,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,使共振峰出現變化,內部發(fā)生微觀的彈性塑性力學變化,從而實現時效目的。
六,傳統(tǒng)振動時效設備在應用中的問題有那些?
1 振動時效必須是受過專業(yè)培訓的人員操作,一般的工人即使受過培訓也很難掌握這項技術;
2 有些復雜的工件必須是熟練的專業(yè)技術人員操作,一般工廠很難做到;
3 工件在單件生產時調整相當繁瑣,拾振器支撐點和激振點很難調到***佳狀態(tài),一種工件就需要制訂一種工藝;
4 需要操作者確定處理參數,對人的技能要求比較高
5 由于有效振型較少,經振動時效處理后達不到較高精度要求,很難納入工藝
6 許多工件由于剛性和固有頻率太高,找不到共振峰無法振動;機械制造業(yè)覆蓋面僅為23%
7 噪聲過大也是難以推廣的主要原因。