振動時效的特點及應(yīng)用領(lǐng)域

振動時效的特點及應(yīng)用領(lǐng)域摘要本文介紹了振動時效這種消除工件殘余應(yīng)力的新技術(shù)，和振動時效與傳統(tǒng)熱時效相比較所具有的明顯優(yōu)越特征及其廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域。關(guān)鍵詞振動時效消除殘余應(yīng)力優(yōu)越特征應(yīng)用領(lǐng)域振動時效又稱振動消除應(yīng)力，指在通過控制激振器的激振頻率，使工件發(fā)生共振，讓工件產(chǎn)生適當(dāng)?shù)慕蛔冞\動并吸收部分能量，以致內(nèi)部發(fā)生微觀粘彈塑性力學(xué)變化，從而降低工件局部峰值應(yīng)力和均化工件的殘余應(yīng)力場尤其是表面的應(yīng)力集中區(qū)域，最終防止工件變形與開裂，保證以后的尺寸穩(wěn)定精度。它是上個世紀(jì)初期開始出現(xiàn)并在五十年代以來獲得廣泛應(yīng)用的一項消除應(yīng)力的新技術(shù)。構(gòu)件經(jīng)過焊接、鑄造、鍛造、機(jī)械加工等工藝過程，在其內(nèi)部產(chǎn)生了殘余應(yīng)力，它極大地影響了構(gòu)件的尺寸穩(wěn)定性、剛度、強(qiáng)度、疲勞壽命和機(jī)械加工性能，甚至?xí)?dǎo)致裂紋和應(yīng)力腐蝕。時效是降低殘余應(yīng)力，使構(gòu)件尺寸精度穩(wěn)定的方法。目前時效的方法主要有三種，即自然時效、熱時效和振動時效。自然時效是最古老的方法，它是把構(gòu)件置于室外，讓其經(jīng)過氣候、溫度的反復(fù)變化，在反復(fù)溫度應(yīng)力作用下，使殘余應(yīng)力松弛、尺寸精度獲得穩(wěn)定。一般認(rèn)為，經(jīng)過一年自然時效的工件，殘余應(yīng)力僅下降2?10%，但是卻較大地提高了工件的松弛剛度，因而工件的尺寸穩(wěn)定性很好。但因其時間太長，一般不在實際生產(chǎn)中采用。熱時效是傳統(tǒng)的時效方法，它是利用熱處理當(dāng)中的退火技術(shù)，通常是將工件加熱到500?650°C進(jìn)行較長時間的保溫后再緩慢冷卻至室溫。在熱的作用下通過原子擴(kuò)散及塑性變形使內(nèi)應(yīng)力消除。從理論上講采用熱時效時，只要退火溫度和時間適宜，應(yīng)力可以完全消除。但在實際生產(chǎn)中通常認(rèn)為最好可以消除殘余應(yīng)力的70?80%，與此同時它能造成工件材料表面氧化、硬度及機(jī)械性能下降等缺陷。因此，人們一直在研究更好的方法來消除殘余應(yīng)力。振動時效是在上個世紀(jì)初期產(chǎn)生并發(fā)展起來的消除應(yīng)力新方法。即工件在激振器所施加的周期性外力作用下產(chǎn)生共振，松弛殘余應(yīng)力，獲得尺寸精度穩(wěn)定性。也就是在機(jī)械的作用下，使構(gòu)件產(chǎn)生局部的塑性變形，從而使殘余應(yīng)力得到釋放，以達(dá)到降低和調(diào)整殘余應(yīng)力的目的。但機(jī)械作用使應(yīng)力消除的程度是有限的，不可能完全消除。因此振動時效往往是把應(yīng)力降低（主要是降低殘余應(yīng)力峰值）和重新分布作為主要目的。振動消除應(yīng)力是對構(gòu)件施加一交變應(yīng)力，如果交變應(yīng)力幅與構(gòu)件上某些點所存在的殘余應(yīng)力之和達(dá)到材料的屈服極限時，這些點將產(chǎn)生塑性變形。如果這種循環(huán)應(yīng)力使某些點產(chǎn)生晶格滑移，盡管宏觀上沒有達(dá)到屈服極限，也同樣會產(chǎn)生微觀的塑性變形，況且這些塑性變形往往是首先發(fā)生在殘余應(yīng)力最大點上，因此使這些點受約束的變形得以釋放從而降低了殘余應(yīng)力。這就是用振動時效可以消除殘余應(yīng)力的機(jī)理。用振動的方法消除金屬構(gòu)件的殘余應(yīng)力技術(shù)，1900年在美國就取得了專利。但由于人們長期使用熱時效，加上當(dāng)時對振動消除應(yīng)力的機(jī)理還不十分明確，且高速電機(jī)尚未出現(xiàn)造成當(dāng)時的振動時效設(shè)備沉重、調(diào)節(jié)不便，因此該項技術(shù)一直未得到大的發(fā)展和廣泛應(yīng)用。直到上世紀(jì)50—60年代由于能源危機(jī)的出現(xiàn)，美、英等國才又開始研究振動時效的機(jī)理和應(yīng)用工藝。特別是到上世紀(jì)70年代由于可調(diào)高速電機(jī)的出現(xiàn)大大推動了振動消除應(yīng)力裝置的發(fā)展：1973年英國制成手提式振動時效系統(tǒng)VCM80，后來美國馬丁工程公司也研制出比較先進(jìn)的LT-100R型振動時效系統(tǒng)。這些比較先進(jìn)的激振裝置，促進(jìn)了振動消除應(yīng)力工藝的發(fā)展和實際應(yīng)用。由于這種工藝日趨成熟，振動和控制設(shè)備日臻完善，目前振動時效已在英、美、俄、德等國被普遍采用，他們幾乎所有機(jī)械廠都配備了振動時效裝置，尤其是起重機(jī)械廠的大件和基礎(chǔ)零件全部采用了振動時效。我國也從上世紀(jì)70年代后期開始引進(jìn)和使用振動時效技術(shù)?，F(xiàn)在的振動工藝裝備如圖所示:它是將一個具有偏心重塊的電機(jī)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，如圖所示。通過主機(jī)控起動電機(jī)并調(diào)節(jié)其轉(zhuǎn)速，使工件處于共振狀態(tài)。一般工件經(jīng)30分鐘的振動處理即可達(dá)到調(diào)整殘余應(yīng)力的目的。振動處理構(gòu)件設(shè)備布置圖可見，采用振動時效來調(diào)整殘余應(yīng)力的技術(shù)是十分簡單和可行的。振動時效之所以能夠部分地取代熱時效，在實際當(dāng)中被廣泛應(yīng)用，是與該項技術(shù)具有的一些明顯的優(yōu)越特征分不開的。1、投資少適用性強(qiáng)。與傳統(tǒng)的熱時效相比它無需龐大的時效爐，現(xiàn)代工業(yè)中的大型鑄件與焊接件越來越多也越來越大，如采用熱時效消除應(yīng)力則需建造大型時效爐，不僅造價昂貴、利用率低，而且爐內(nèi)溫度很難均勻，消除應(yīng)力效果差。采用振動時效可以完全避免這些問題。因此，目前對長達(dá)幾米至幾十米的橋梁、船舶、化工器械的大型焊接件和重達(dá)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(chǎn)周期短效率高。熱時效往往需要經(jīng)過數(shù)十小時的周期方能完成，而振動時效一般只需數(shù)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(shè)備安置在機(jī)械加工生產(chǎn)線上，不僅使生產(chǎn)安排更加緊湊而且可以消除加工過程中產(chǎn)生的應(yīng)力。3、使用方便。振動時效設(shè)備體積小、重量輕，便于攜帶，我國目前生產(chǎn)的激振器可振動處理300噸以下的工件，但振動裝置本身僅重幾十公斤。國外生產(chǎn)的可振動處理5公斤至150噸工件的全套振動設(shè)備其總重也不過一百公斤。正是由于振動處理不受場地限制，振動裝置又可攜至現(xiàn)場，所以這種工藝與熱時效相比，使用簡便，適應(yīng)性較強(qiáng)，可安排在任何工序之間也可多次進(jìn)行。4、節(jié)約能源，降低成本，無廢渣、廢氣及輻射等污染。在工件的共振頻率下進(jìn)行時效處理，耗能極小。實踐證明，功率為0.25至1馬力的機(jī)械式激振器可振動150噸以下的工件。其能源消耗僅為熱時效的3?5%，成本僅為熱時效的8?10%。加之熱時效時均需要以煤、油等做為燃料不可必免地要排出大量的廢渣、廢氣等不能夠滿足越來越高的環(huán)保要求。故振動時效已逐漸成為去應(yīng)力的第一選擇。5、機(jī)械性能顯著提高。經(jīng)過振動時效處理的工件其殘余應(yīng)力可以被消除20?80%左右，高拉應(yīng)力區(qū)消除的比低應(yīng)力區(qū)大?？商岣呤褂脧?qiáng)度和疲勞壽命，而且從根本上防止了金屬在熱時效過程中產(chǎn)生的翹曲變形、氧化、脫碳及硬度降低等缺陷。還可以提高構(gòu)件抗變形的能力，穩(wěn)定構(gòu)件的精度，提高機(jī)械質(zhì)量。實踐證明，振動時效適用于碳素結(jié)構(gòu)鋼、低合金鋼、不銹鋼、鑄鐵、有色金屬（銅、鋁、鋅及其合金）等材質(zhì)的鑄件、鍛件、焊接件及機(jī)加工件的應(yīng)力消除。當(dāng)然振動時效也存在著一定的局限性；首先它有一定的噪聲特別對于箱形和板形工件時效噪聲較大；其次工藝效果在很大程度上取決于工藝員對工件關(guān)鍵部位及需重點去應(yīng)力部位的理解和現(xiàn)場有效振型的選擇；再有，它不適于高壓容器、殘余應(yīng)力較小的工件、大尺寸的薄板焊件、薄壁鑄件、大部分冷加工件、彈性結(jié)構(gòu)應(yīng)力為主的工件、剛性過大或尺寸過小的工件。盡管振動時效有一些局限性但在部分行業(yè)和部分材質(zhì)的零件上的時效效果還是非常顯著的。隨著人們對振動時效技術(shù)的進(jìn)一步了解，可以逐步減小它的局限現(xiàn)性。如通過對工件采取隔離，或錯開工作時間等辦法可降低時效的噪聲；對于部分不適用激振器進(jìn)行時效處理的可通過振動平臺來進(jìn)時效處理；以及對相關(guān)工藝人員進(jìn)行培訓(xùn)的方法等