振動時效技術的原理及應用

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傳感器一■一-榜感器連接魏——傳感器一■一-榜感器連接魏——H件四芯電纜有時雖然零件具有較大的殘余應力，但因其抗變形能力強，而不致造成大的變形.在這一方面，振動時效同樣表現(xiàn)出明顯的作用。由振動時效的加載實驗結果可知，振動時效件的抗變形能力不僅高于未經(jīng)時效的零件，也高于經(jīng)熱時效處理的零件。通過振動而使材料得到強化，使零件的尺寸精度達到穩(wěn)定。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動應力。眾所周知，工程上采用的材料都不是理想的彈性體，其內(nèi)部存在著不同類型的微觀缺陷。鑄鐵中更是存在著大量形狀各異的切割金屬基體得石墨。故而無論是鋼、鑄鐵或其他金屬，其中的微觀缺陷附近都存在著不同程度的應力集中。當受到振動時，施加于零件上的交變應力與零件中的殘余應力疊加。當應力疊加的結果達到一定的數(shù)值時，在應力集中最嚴重的部位就會超過材料的屈服極限而發(fā)生塑性變形。這種塑性變形降低了該處殘余應力峰值，并強化了金屬機體。而后，振動又在一些應力集中較嚴重的部位上產(chǎn)生同樣作用，直至振動附加應力與殘余應力疊加的代數(shù)和不能引起任何部位的塑性性別為止，此時，振動便不再產(chǎn)生消除和均化殘余應力及強化金屬作用。上述解釋已由大量的試驗加以證明.此外，我更主張從錯位、晶格滑移等金屬學理論上去解釋振動時效機理.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（從微觀角度說是工件里的每一個微觀晶格）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（殘余應力本身是一種勢能）之和，足以克服微觀組織周圍的井勢（也可以說是對恢復平衡的束縛力），則微觀區(qū)域必然會產(chǎn)生塑性變形，使產(chǎn)生殘余應力的歪曲晶格得以慢慢地回復平衡狀態(tài)，使應力集中處地位錯得以滑移并重新釘扎，達到消除和均化殘余應力的目的。對于殘余應力集中的地方，殘余應力值較大，其微觀組織本身所具有的回復平衡狀態(tài)的勢能值也較大，所以，此處的殘余應力在震動處理過程中消除的就越多.只有從這一觀點上才能解釋通許多用第一種觀點所解釋不通的一些現(xiàn)象，比如：在振動處理過程中我們只需施加一個方向的主動應力，就能消除包括垂直主動應力方向上的所有殘余應力等.§4—2振動時效工.藝振動時效處理過程是將激振器剛性夾持在被處理工件的適當位置，首先根據(jù)零件大小，形狀和加持情況來調(diào)節(jié)激振頻率，最好使零件在其固有頻率下進行共振，然后根據(jù)零件所需動應力或振幅的大小來調(diào)節(jié)激振力。零件的振動狀態(tài)和動應力,可用測量振動和應力的儀表來檢測。通常將感受元件（加速度計或速度計）接于被振物體上,振動時，感受元件把接收到得振動信號送往測試儀表，經(jīng)放大電路將信號放大并指示出各種所需的參數(shù)值。振動狀態(tài)的主要指示參數(shù)是振幅、頻率和振型。振動狀態(tài)和激振力的控制是通過控制激振器的控制裝置來實現(xiàn)的。它能調(diào)節(jié)激振力、激振頻率和振動時間。被處理零件在所需頻率和振動強度下振動一段時間后，振動時效即告結束，這個工藝過程一般為幾分鐘或幾十分鐘。概括起來講振動時效的工藝過程分四步進行：第一步：首先用彈性橡膠墊將要時效處理的工件在其節(jié)線附近支撐起來，并將激振器用弓形卡具卡緊在工件振動時的波峰處，將測試工件振動情況的傳感器用磁坐吸緊在工件上，并用專用電纜線將激振器、傳感器和控制器連接起來，這一步又稱為準備過程。第二步：振動時效設備以掃描的方式自動檢測出被時效處理工件的固有共振頻率和應該給工件振動能量的大小，這一步又稱為振前掃描。第三步：振動時效設備以第二步測得參數(shù)為依據(jù)自動確定出對工件進行振動處理的振動頻率，并對工件進行振動時效處理，在處理過程中隨時檢測振動參數(shù)和工件殘余應力的變化，而殘余應力不再消除時即適時停止處理過程，這一步又稱為振動處理過程。第四步：振動處理完畢后，振動時效設備自動對被時效處理工件的參數(shù)進行再一次檢測，以便依據(jù)JB/T5926-91或JB/T10375-2002標準，對振動時效進行判定.這一步又稱為時效效果檢測過程或振后掃描。振動時效工藝實際上是指對工件的幾個振動時效參數(shù)的確定，振動時效的幾個主要參數(shù)是：振動頻率、振動時間、動應力、工件的振型（用來確定工件的支撐位置激振器和傳感器的裝夾位置），下面將對這幾個參數(shù)進行較為詳細的說明。一、振動頻率的確定在共振狀態(tài)下，可用最小的振動能量，使工件產(chǎn)生最大的振幅,得到最大的動應力和動能量，從而使工件中的殘余應力消除的更徹底，工件獲得的尺寸穩(wěn)定性效果更好。振動時效中的共振狀態(tài)，是在外部激振器激振力的持續(xù)作用下，零件處于“受迫振動”時的一個特殊狀態(tài)。它的條件是激振頻率接近工件的固有頻率，這時振動特性中的振幅一頻率曲線出現(xiàn)一個峰值，振幅的陡然增大對振動時效產(chǎn)生附加動應力有利。工件在振動時效時是一個振動體，它與其支撐用的彈性橡膠墊和激振器組成為一個振動振動時效技術的原理及應用系統(tǒng)，當該系統(tǒng)進行自由振動時，根據(jù)振動學原理，它的共振頻率僅與系統(tǒng)本身的質(zhì)量、剛度和阻尼有關。這個頻率是由系統(tǒng)固有性質(zhì)所決定的，稱為固有頻率。一階彎曲疆型共投裁宰：22一階彎曲疆型共投裁宰：22,4*三階彎曲振型共振頻率1120.9Hz二階寫曲振型共振頻率或L7IH振動時效中一^工■件和它的支撐體組成振動學中一^質(zhì)量和一^彈簧的振動系統(tǒng)，它的固有頻率可用下列通式表示：TOC\o"1-5"\h\z， ■k, 、f=2兀"一 （4-1）n \m式中：fn 固有頻率（HZ）；K 彈簧的剛度（Kg/cm）;m振動體質(zhì)量（Kg）。圖4—1示出了某均質(zhì)等截面梁彎曲的頻率及相應的振型。由振動頻率的方程解及上圖可知，具有幾個自由度的振動系統(tǒng)，有幾個固有頻率，按低至高振動時效技術的原理及應用頻順序分別稱為：第一固有頻率（基本固有頻率）；第二個固有頻率…….對于每一個固有頻率都有一個確定的位移形態(tài)，稱為振型，就是說，對應每一個固有頻率都有對應的一個振型。工件的固有頻率可用振動時效設備本身來測定，以VSR系列振動時效設備為例，只要按一下控制器面板上的“啟動”按鈕，整套裝置就會在其掃頻范圍內(nèi)尋找出被時效工件的固有共振頻率，并將固有頻率值、固有頻率下所對應的工件的最大振動加速度值及工件在固有頻率周圍的振動趨勢圖打印出來，使操作者一目了然.圖4—2振動頻率一般選擇在共振峰前沿，即工件的亞共振區(qū)，一般確定在共振峰高度的1~2所對33應的頻率范圍內(nèi)，如圖4-2所示，該工件的固有共振頻率為4500r/min，共振時產(chǎn)生的最大振動加速度（峰值）為60。0m/s2，則對工件的振動時效頻率就確定為工件的振動加速度值在20。0~40。0m/s2區(qū)域內(nèi)所對應的頻率。具體的確定方式有兩種：手動調(diào)節(jié)。首先將激振器頻率調(diào)節(jié)到工件固有頻率以下100r/min處，即4400r/min，觀察控制器上加速度的值，然后再用手動慢慢升速，使加速度值升高在20?40m/s2范圍內(nèi)，具體掌握在多大的頻率下，還要看工件的振動情況，若工件在共振狀態(tài)時振動很激烈，則可選擇在1~1范圍內(nèi)，若工件振動不是很激烈，則選擇在1~1范圍內(nèi)。32 322。 自動調(diào)節(jié)°VSR系列全自動控制器會自動地控制整套設備對工件進行頻率、振動情況的測定，并給出數(shù)據(jù)及曲線圖，并根據(jù)專家系統(tǒng)自動地確定對工件的振動頻率，這一切無需人工干預，而只需按一下自動按鈕就可完成。二、振動時間的確定由于各種零件的結構和重量不同，殘余應力的大小分布不同，振動時效選用的振動時間也應有所不同。振動時間的長短對振動時效的效果，尤其是獲得最佳技術和經(jīng)濟效果是有一定的影響的。除英國的振動時效工藝外，其他包括中國在內(nèi)的所有國家所選用的都是長時間的亞共振處理方法.英國的振動時效工藝主要內(nèi)容是控制器控制激振器的激振頻率以一定的速度升高，當升高到工件的固有頻率附近時，工件產(chǎn)生共振，這時控制器就控制激振器在工件的共振頻率上激振約5000次，然后激振器再以一定的速度升速，若再遇上工件的共振頻率，再在這個共振頻率下施振5000次，之后，再升速直至升到激振器的最高轉(zhuǎn)速極限，之后，再快速掃描一次，這時激振器不再在共振頻率處停滯，整個處理過程在很短的時間內(nèi)就告完結。其它國家的振動工藝是選擇在工件的亞共振區(qū)進行較長時間的亞共振處理，在本書的第一部分中所講的激振頻率的選擇就是依據(jù)這個原則，那么，究竟選擇多長時間為宜呢？經(jīng)過大量的試驗證明，振動消除殘余應力大部分是在前五分鐘內(nèi)完成的，五分鐘之后的處理效果已不再明顯。為此，我們一般按表4—1原則選擇振動處理的時間，經(jīng)過十幾年的證明，基本上能滿足振動工藝的要求。表4-1工件重量（T）〈11-33—66—1010—50>50振動時間（min）81215202530~40如果工件的剛度較大，振動不是很激烈,可在表4—1的基礎上再延長3~5分鐘的振動時間.三、動應力的確定振動時效過程中，激振器施加給工件以與其周期交變力相對應的動態(tài)附加應力。附加動應力與公家原存殘余應力疊加后，所造成的局部或整體塑性變形，就能是工件殘余應力松弛，均振動時效技術的原理及應用化和消除，并提高金屬基體的抗變形能力。這是使工件尺寸精度穩(wěn)定化的關鍵。所以,動應力是振動時效中有決定性作用的參數(shù)，它不僅與工件中的原始殘余應力值有關，而且與工件被處理后的強化和尺度精度溫度化有直接關系。顯然，當處理殘余應力較小的工件時，只需選用一定的動應力,產(chǎn)生不大的塑性變形，就能使工件材料強化,使不大的原始殘余應力處于穩(wěn)定，而不發(fā)生大的翹曲變形。但是，如果工件的殘余應力較大，那么就必須選用足夠大的動應力，，使工件產(chǎn)生較大的塑性變形，才能使它的殘余應力大幅度降低，使零件的材料得到強化，從而尺寸精度獲得穩(wěn)定。許多研究和實踐證明，用過載系數(shù)K所表示的零件原始殘余應力和動應力（峰一峰）值之比，即K二動應力/殘余應力，能體現(xiàn)振動時效工藝中他們間的依存關系，并能用來鑒定振動時效處理的有效性。資料指出：使工件尺寸精度穩(wěn)定的K值為0.45左右為宜。如果動應力施加的比較小則消除殘余應力的效果比較差；如果動應力施加的太大，有可能超過工件的疲勞強度，甚至抗拉強度，引起工件疲勞強度的下降，甚至斷裂。HK200系列振動時效裝置的內(nèi)部軟件系統(tǒng)已備自動判定動應力是否合適的功能，如果動應力不夠，打印機會自動地打印出讓您加大動應力的指令，如果動應力太大，系統(tǒng)會自動關機，避免引起不良后果，并通知操作者來減小動應力，所以使用VSR系列振動時效裝置可令您放心.四、工件的支承位置與激振器的裝夾位置的確定談到這兩種位置的確定，首先我們先談一談工件的振型問題.在本節(jié)的第一部分中，我們談到工件的固有頻率時曾提到過對應工件的任何一個固有頻率都對應的一個振型，而支承位置和裝夾位置都是依據(jù)工件的振型來確定的。總的原則是，支承墊應放在工件振型的波節(jié)處，支承墊應用具有彈性（如橡膠、墊木、剛性彈簧等）；激振器應放在工件振型的波峰處，用專用卡具與工件剛性地卡在一起;加速度計應按放在遠離激振器的另一個波峰處，如圖4—3所示。仁）工1牛丹玄律我夫示理用圖4—3正甲沛仁）工1牛丹玄律我夫示理用圖4—3正甲沛或型工件（L】工井的一次赤璧做胃H心器如果對工件的振型判斷不對，使得支承位置和裝夾位置不合理，那么就會直接影響時效效果，甚至出現(xiàn)振不起來的現(xiàn)象。而工件的振型由于工件本身的重量、幾何形狀、尺寸等因素的不同又各不相同，所以判斷工件的振型、尋找支承、裝夾位置是振動時效實際應用中遇到問題最多，甚至到了影響振動時效工藝推廣應用的地步。我到過許多振動時效使用廠家，工藝上反映問題最多的就是這方面，而有時給予正確的指正，就順利地進行了。有些工作者干了七八年的振動時效，如果讓他們干一種其他形狀的工件，他們就不知如何干了。還有的廠家對不同形狀的工件采用千篇一律的支承和裝夾方式，也不知道工件的振型是什么形狀.如果出現(xiàn)什么質(zhì)量問題反過來懷疑是振動時效技術本身的問題。當然出現(xiàn)這些問題一方面使用者就振動時效工藝尚不熟悉，更重要的是振動時效設備的生產(chǎn)銷售廠家，他們能夠生產(chǎn)出振動時效設備（先不論其質(zhì)量好壞），但對振動時效工藝卻一知半解，