振动时效工艺介绍

振动时效 简介

      振动时效工艺（Vibrationg Stress Relief缩写为VSR）源于西德，已在美、英、俄、日、德、法等国得到普遍应用，自1976年引入我国后也已被几乎所有机械行业采用，并被国家列为“七五”“八五”重点推广项目。

      振动时效主要用于降低和均化工件的残余内应力，防止工件变形和开裂

       它是根据工艺要求控制激振器的转速和偏心使工件发生共振，让工件需时效部位产生一定幅度、一定周数的交变运动并吸收能量，以便让工件内部发生一定的微观粘弹塑性金属力学变化，从而在一定程度上降低和均化工件内部的残余应力，提高工件将来的尺寸稳定性及疲劳寿命等性能。它最后通过比较时效前后及过程中工件的有效固有频率及其加速度等参数的变化来定性地判断时效效果。

      振动时效适用于碳素结构钢、低合金钢、不锈钢、铸铁、有色金属（铜、铝、锌及其合金）等材质的铸件、煅件、焊接件及其机加工件。

      振动时效相比热时效节能95%，处理时间只需二、三十分钟，不占场地，便携，工件不需运输可就地处理，可插在任何工序之间多次处理，应力均化效果好，尺寸稳定性更好，工件表面无氧化，几十米长、数百吨重、上千条焊缝的工件都可适用。

     1、机理的力学描述

      残余应力σ_r必须和动应力σ_d叠加超过某一微观极限[σ]才能得到降低或均化,即  σ_d+σ_r≥[σ].

      振动时效机理的另一种描述是：通过模拟工况让以后可能产生的变形与开裂提前释放。所以，时效时也可先分析工件的工况再找出合适的振型及振幅去模拟工况。这样，时效后时效参数若稳定下来，工件在该工况下就不会产生变形。

     2、常规振动时效设备构成

      主机：控制电机、识别、处理、显示、打印参数

      激振器及测速装置：激振器强迫工件振动，测速装置将电机转速反馈回主机，作为受强迫振 动的工件的振动频率

     加速传感器：把加速度信号反馈到主机

     卡具：把激振器固定在横梁或滚轮架（即下图中 工件）上

     胶垫：隔振、降噪

       3、具体操作：

      影响VSR效果的主要因素除时效时间、振幅外，更主要的是工件时效时的振型（也即与其一一对应的共振频率）。因为振型决定了工件时效时的动应力场，而VSR的机理之一就是动应力与残余应力叠加超过某一极限就会导致残余应力降低，所以振型也决定了工件各点的残余应力降低效果。
      振型决定了工件各点的残余应力降低效果，正确并完整的工艺如下：先分析工件的材质、结构、工艺要求、工况失败原因、残余应力分布，需重点去应力部位，预期动应力分布等，在振前对工件多点扫频，在线打印有关曲线数据，综合所有扫频曲线对应的固有频率，操作者一边快速用遥控功能调整转速，一边用手去快速判断识别各频率对应的振型，找出可有效消除工件关键部位应力的有效振型（及其对应的有效频率），直接对这些有效频率（或曰有效振型）时效，同时在线打印g～t曲线以观察时效进程，以决定何时停机，然后通过对该频率（振型）局部扫频，局部打印（这点计算机可自动实现），以验证评价工件上对应该峰值（或振型）下的那些关键部位的时效效果。如果该振型不能覆盖工件的所有关键部位，则应对其它关键部位对应的振型（或固频）进行时效。
      按照科学振动时效理论中有关振型分析的工艺原则去做，目前工艺人员已可准确预知去应力部位。若盲目振动时效则不然。
  以卷板机 机座（见下图a）为例：

              南通恒力重工70t重的卷板机机架在时效 

       扫描得a-n曲线如图（b）,根据科学振动时效原理，进行振型分析后由图（c）（d）显然可见：共振频率n1 可重点消除A区应力,n2可重点消除B区应力
 

      所以，以振型为核心的科学振动时效理论，结合以摇控识别振型、在线打印、多振型时效为基本功能的科学振动时效设备，可准确去除工件关键部位的残余应力。

       4、间接定性判断工艺效果的简单方法

      常规振动时效的主机、传感器、测速装置能从电机及工件处检测到的信号有激振频率和振动加速度，根据它们可测得工件的共振频率（近似于固有频率）及其峰值。由于内应力与固有频率及其振幅值有一定的趋势关系，故可依据固频及其幅值变化，间接、定性地反映工艺效果。

     举例说明：

    （1）弹吉它时，把琴弦绷得越紧，音调就越高，也即频率就越高；所以琴弦拉力越大，振动频率越高。反之，频率变低，说明琴弦松了，也即内应力变小了。

    （2）假设你用双手拉扯一根橡皮绳的两头，绳上有一只小动物在上面跳动，你会发现：把橡皮筋绷得越紧，它引起的振动就越小；绷得越松，小动物引起的振动就越大。也即工件内部拉力越大，强迫振动引起的振幅就越小。反之，振幅变大就说明工件的内应力变小了

     5、行业标准JB/T5926-2005规定了振动时效的效果快速判定准则：

     “在绝对相同的振前准备条件及扫频速率下，出现下列情况之一时，即可判断在当前状态下，工件部分区域已达到了时效效果：

      a)       A～t曲线上升后变平；

      b)      A～t曲线上升后下降然后变平；

      c)      A～t曲线的峰值振后的比振前的升高；

      d)      A～t曲线的峰值点振后的比振前的左移；

      e)       A～t曲线的带宽振后的比振前的变窄；

      f)       A～t曲线共振峰有裂变现象发生；

     6、振动时效具有如下工艺效果：

     1）可降低残余应力峰值，均化残余应力场：

                         以某焊接框架振动前后残余应力分布图为例：

       2）可提高工件的疲劳寿命：

          以某焊接框架为例：

      3）可提高工件抗静载变形能力：

      以某灰铁床身加载前后导轨垂直面内不直度变化量（μm）为例：

      4）可提高工件抗动载变形能力：振动时效比热时效提高70%，比不时效提高1-3倍

      5）可提高工件的尺寸保持精度：

      铣床工作台11个月后变形分布如右图：