长春振动消除应力

热时效
热时效是将构件由室温缓慢.均匀加热至550℃左右，保温4—8小时，再严格控制降温速度至150℃以下出炉。
热时效工艺要求是严格的，如要求炉内温度差不大于±25℃，升温速度不大于50℃/小时，降温速度不大于20℃/小时。炉内温度不许超过570℃，保温时间也不易过长，如果温度高于570℃，保温时间过长会引起石墨化使构件强度降低。如果升温速度过快，构件在升温中薄壁处升温速度比厚壁处快的多，构件各部分的温差急剧增会造成附加温度应力。如果附加应力与构件本身的残余应力叠加超过强度极限，就会造成构件开裂。热时效降温不当，会使时效效果大为降低，甚至产生与原残余应力相同的温度应力（二次应力），并残留在构件中，从而破坏了已取得的热时效效果。
降温速度对消除残余应力的影响
降低温度速度 ℃/小时 残余应力消除的百分数（%）
130 6—27
50 40—50
30 60—85
注：炉内温度差不大于25℃
热时效存在的问题： 建窑占地面积大，费用高（每立方米1—1.2万元）。 热时效能耗高，生产成本高。 热时效炉内温度不均匀，升降温速度无法严格控制。
热时效工件在炉内不同位置消除应力的测试结果
序号 工件在炉内的位置 残余应力的大小（kgf /mm2） 残余应力消除的百分比（%）
时效前 时效后
σ 1 σ 2 σ 1 σ 2 σ 1 σ 2 平 均
1 炉后端 10.4 7.9 6.6 6.2 36.7 21.4 29.1
2 炉中部 10.4 7.9 5.1 1.6 51.2 79.6 65.4
3 炉门处 10.4 7.9 9.1 8.1 12.6 -2.4 5.1
可见：同一炉内，热时效消除应力不均匀。
4)热时效劳动强度大，污染严重，目前大部已被振动时效代替。

一、 振动频率的确定
在共振状态下，可用小的振动能量，使工件产生的振幅，得到的动应力和动能量，从而使工件中的残余应力消除的更彻底，工件获得的尺寸稳定性效果更好。
振动时效中的共振状态，是在外部激振器激振力的持续作用下，零件处于“受迫振动”时的一个特殊状态。它的条件是激振频率接近工件的固有频率，这时振动特性中的振幅—频率曲线出现一个峰值，振幅的陡然增大对振动时效产生附加动应力有利。
工件在振动时效时是一个振动体，它与其支撑用的弹性橡胶垫和激振器组成为一个振动系统，当该系统进行自由振动时，根据振动学原理，它的共振频率仅与系统本身的质量、刚度和阻尼有关。这个频率是由系统固有性质所决定的，称为固有频率。
振动时效中一个工件和它的支撑体组成振动学中一个质量和一个弹簧的振动系统，它的固有频率可用下列通式表示：
（4-1）
式中： -----固有频率（HZ）；K---弹簧的刚度（Kg/cm）；
m---振动体质量（Kg）。
图4-1示出了某均质等截面梁弯曲的频率及相应的振型。
由振动频率的方程解及上图可知，具有几个自由度的振动系统，有几个固有频率，按低至高
频顺序分别称为：固有频率（基本固有频率）；第二个固有频率……。对于每一个固有频率都有一个确定的位移形态，称为振型，就是说，对应每一个固有频率都有对应的一个振型。
工件的固有频率可用振动时效设备本身来测定，以VSR系列振动时效设备为例，只要按一下控制器面板上的“启动”按钮，整套装置就会在其扫频范围内寻找出被时效工件的固有共振频率，并将固有频率值、固有频率下所对应的工件的振动加速度值及工件在固有频率周围的振动趋势图打印出来，使操作者一目了然。
图4-2
振动频率一般选择在共振峰前沿，即工件的亚共振区，一般确定在共振峰高度的 所对应的频率范围内，如图4-2所示，该工件的固有共振频率为4500r/min，共振时产生的振动加速度（峰值）为60.0m/s2,则对工件的振动时效频率就确定为工件的振动加速度值在20.0~40.0m/s2区域内所对应的频率。具体的确定方式有两种：
1．手动调节。首先将激振器频率调节到工件固有频率以下100r/min处，即4400r/min，观察控制器上加速度的值，然后再用手动慢慢升速，使加速度值升高在20~40m/s2范围内，具体掌握在多大的频率下，还要看工件的振动情况，若工件在共振状态时振动很激烈，则可选择在 范围内，若工件振动不是很激烈，则选择在 范围内。
2.自动调节。VSR系列全自动控制器会自动地控制整套设备对工件进行频率、振动情况的测定，并给出数据及曲线图，并根据专家系统自动地确定对工件的振动频率，这一切无需人工干预，而只需按一下自动按钮就可完成。

振动时效工艺特点
振动时效之所以能够取代热时效，是由于该技术具有明显的优点。
1、 机械性能显着提高
经过振动时效处理的构件其残余应力可以被消除20%—80%左右，高拉应力区消除的比例比低应力区大。因此可以提高使用强度和疲劳寿命，降低应力腐蚀。可以防止和减少由于热处理、焊接等工艺过程造成的微观裂纹的发生。可以提高构件抗变形的能力，稳定构件的精度，提高机械质量。
2、 适用性强
由于设备简单易于搬动，因此可以在任何场地上进行现场处理。它不受构件大小和材料的限制，从几十公斤到几十吨的构件都可以使用振动时效技术。特别是对于一些大型构件无法使用热时效时，振动时效就具有更加突出的优越性。
3、节省时间、能源和费用
振动时效只需30分钟即可进行下道工序。而热时效至少需要一至两天以上，且需要大量的煤油、电等能源。因此，相对与热时效来说，振动时效可节省能源90%以上，可节省费用95%以上，特别是可以节省建造大型焖火窑的巨大投资。
三、振动时效工艺的发展及应用
用振动的方法消除金属构件的残余应力技术，于1900年在美国就取得了专利。但由于人们长期使用热时效，加上当时对振动时效消除残余应力的机理还不十分明确，且高速电机尚未出现造成设备沉重、调节不便，因此该技术一直未得到实际应用。

振动时效工艺的发展及应用
用振动的方法消除金属构件的残余应力技术，于1900年在美国就取得了专利。但由于人们长期使用热时效，加上当时对振动消除应力的机理还不十分明确，且高速电机尚未出现造成设备沉重、调节不便，因此该项技术一直未得到发展和应用。
直到60年代由于能源危机，美国、英国、日本、联邦德国等国才又开始研究振动时效的机理和应用工艺。特别是到70年代由于可调高速电机的出现，推动了振动消除应力装置（VSR系统）的发展：1973年英国制成手提式VSR系统即VCM80，后来美国马丁工程公司也研制出比较先进的设备LT-100R型VSR系统。法国和苏联也分别生产出PSV型和NB型VSR系统。这些比较先进的激振装置，促进了振动消除应力工艺的发展和应用。
国内开展这项工作比较晚，首先由孙照清总工程师等老一辈的工程技术专家74年出国考察访问时，把这项技术带回国内，并开始在机械部、航空部研究一直，并于“六五”期间在机械部提出的攻关课题之一----------提高机床铸件产品质量的大课题里面确定了“振动时效可行性研究”这一子课题，并指定由北京击穿研究所和四大机床厂来完成这一课题，我们在七九年自行研制成功交流串激式振动时效简易设备的基础上不断地试验研究，经过几年的努力与其他兄弟院所工厂一期取得了一定的成果，证明振动时效工艺的可行性，机床所大连理工大学、抚顺石油机械学院等对机理也进行了较深入的研究。由于受当时简易设备的限制，一些工艺参数很难测得也限制了这项技术的研究和应用，于是八五年机械部特批贰万伍千美金，我们与美国马丁公司合作引进了一整套当时世界上的VSR-790型振动时效设备及相关技术。为进一步推动振动时效工艺研究和设备的开发奠定了基础。后来随着使用振动时效设备的厂家不断增多和不少院校对这项技术深入的研究。特别是九一年JB/T5926-91《振动时效工艺参数选择及技术要求》标准的诞生，使得这项技术得以较快的推广和发展，到目前为止，我国已有几千台振动时效设备投入使用，涉及领域包括机床、冶金、航空、航天、**、轻工、电力、纺织、风机、建筑、造纸等机械制造行业。

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