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GMM振动时效工艺和设备甘肃天星稀土功能材料有限公司一、残余应力的产生和时效方法•残余应力的产生：铸造应力（包括热应力、相变应力和收缩应力）和焊接应力；•残余应力的危害：力学性能下降、容易断裂、尺寸变化、精度下降；•时效消除残余应力的方法：自然时效、热时效和振动时效二、GMM及其在振动中的应用各种规格大磁致伸缩材料样品（一）大磁致伸缩材料(简称GMM)简介该材料由高纯稀土金属（Tb和Dy等）和高纯铁组成的合金，经过定向结晶形成有晶粒取向的晶体，一般为棒状。给GMM棒沿轴向施加磁场，GMM棒就伸长。一米长的棒最大的伸长量为1~2毫米，或者说磁致伸缩系数λ＝△L/L=0.001~0.002=1000~2000ppm磁致伸缩曲线A(300,204)C(600,1018)B(450,660)050010001500-1500-1000-500050010001500磁场H,Oe磁致伸缩系数λ∥,ppm（二）GMM激振器在GMM棒周围绕上线圈，对线圈通电后产生磁场，在磁场下棒伸长。交变电流产生交变磁场，交变磁场使GMM棒振动。我公司目前开发的大磁致伸缩式振动实效装置工作原理图GMM激振器如果在正弦波磁场下振动，那么位移的方程为：x=xmsinωt，（其中ω=2πf，f为频率）；速度方程为：v=dx/dt=xmωcosωt；加速度方程为：a=dv/dt=-xmω2sinωt,；力的方程为：F=ma=-mxmω2sinωt；从上面公式中看出：位移的最大幅值为xm，速度的最大幅值为xmω，加速度的最大幅值为xmω2；力的最大幅值为mxmω2。与传统机械式振动器相比，GMM激振器具有以下优点：（1）可以工作的频率范围更宽，频率控制精度更高，频率调节方便；（2）振动由晶体形变直接产生，无机械磨损，因此可靠性更高；（3）可以用方波等正弦波以外的波形驱动振动，同样频率下可以产生更大的加速度，所以产生同样大小的力所需要的质量可以更小，能量销耗小，与敲击相似效率高；（4）可以多只激振器同步工作。（三）GMM激振器的技术优势三、振动时效工艺简介（一）一般振动时效过程一般包括准备工作、振前工件内应力的测量、振动时效处理、振后工件内应力的测量、数据统计分析和结论等过程。1、准备工作工件支撑、激振器装卡、加速度传感器装卡；2、振前工件内应力的测量在工件上选5个以上点粘贴应变片利用盲孔法测量工件在振动时效处理前不同部位的内应力大小和分布。振动时效处理过程一般包括参数输入、振前扫频、振动时效处理、振后扫频和分析五个过程，振动如果没有达到时效效果还要进行补振，直至达到时效效果。（1）参数输入：输入扫频参数（如扫频范围、扫频电流或功率）、振动时效工艺参数（频率、电流、时间）、工作模式（手动或自动）等；（2）振前扫频：振前加速度-频率曲线（即a-f曲线）扫频和保存，位移振幅-频率曲线（即A-f曲线）同步计算和保存，通过扫频确定工件的共振频率f0以及高次谐振频率f1,f2,f3等，扫频过程要求在6分钟内完成；3、振动时效处理（3）振动时效处理：在首次振动处理时选择共振频率f0或附近进行振动，在补振时依次选择谐振频率f1,f2或f3等进行补振。处理时同步测量a-t曲线、计算获得A-t曲线，根据国家机械标准的五个判据中的前两项判具判断是否已达到时效效果，如果判断已达到时效效果则可退出处理，进行下一过程；（4）振后扫频：扫频获得a-f曲线、计算获得A-f曲线；。（5）分析和补振：分析A-t曲线是否符合五个判据中的前两项判判据，同时分析振前、振后的A-f曲线变化是否符合五个判据中的后三项判据，如果有其中之一个或一个以上判据被满足，则确定已达到振动时效效果，可以保存处理过程数据、曲线和结论后退出。如果分析后没有任何一个判据被满足则进入补振过程：依次选择其它谐振频率f1,f2或f3等，重复过程（3）、（4）和（5），直到达到达到时效效果，及可以满足五个判据中至少一项判据，然后保存处理过程数据、曲线、结论后退出。在工件上选5个点以上利用盲孔法通过应变仪测量工件在振动时效处理前不同部位的内应力；4、振后工件内应力测量5、数据统计、分析和结论通过对上述整个振动时效前后应力状态、振幅曲线的变化确定振动时效的效果进行评价，得出内应力的消除率等重要结果，并汇总保存或打印报告。（二）生产中采用的振动时效工艺上述（一）中描述了振动时效的一般过程，实际在应用中根据实际情况和设备自动化程度的不同所采用的振动时效工艺也有一些变化，主要可以有：全手动工艺、半自动工艺、全自动振动时效工艺。在实际生产中这三种工艺都是需要的。在这种工艺中所有的工艺过程互相都是独立的。例如设定扫频就仅进行扫频，扫频后并不自动进入振动时效过程；设定振动就仅进行振动，振动后就停止，而不会自动进行振动后自动扫频等。1、全手动振动时效工艺因为实际生产中往往每天都是在对同一种工件进行处理，既批量处理，第一次确定了工艺参数如激振器安装位置、传感器测量位置、振动的电流、共振频率和处理时间等参数后，第2次处理时完全可采用同样的工艺处理，此时参数变化不大，也没有必要对每个工件都进行繁琐的振前、振后测量，这样可以大大缩短批量振动时效处理工件的时间。在这种工艺中所有参数如处理的功率和时间是由人工进行确定和输入，然后就进入自动处理过程。自动处理过程中首先是机器进行振前扫频确定工件共振频率和谐振频率，然后自动进入主频（f0)振动-振后扫频-自动分析过程。如根据国标的五项判据未达到振动时效效果则自动选f1补振，如仍未达到效果则自动选f2补振……，直到经过自动分析后达到时效效果。2、半自动振动时效工艺这种全自动振动时效工艺和半自动工艺基本相同，唯一不同的地方是不需要人工确定和输入振动电流（功率）和处理时间，而由计算机根据操作人员在界面上选择的工件材质、外形种类、状态类型和重量范围等特征自动确定振动时效过程所需要的电流（功率）和处理时间，这样就降低了对操作人员专业能力的要求，做到真正智能化了。3、全自动振动时效工艺全自动过程中计算机根据工件材质、外形种类、状态类型和重量范围等特征自动确定自动振动时效过程所需要的电流（功率）和处理时间等参数。其方法是计算机从函数关系以及经验数据库中判断和取得工件特征所对应的电流和时间等应设定的值，这种数据库是根据以前的经验和知识建立的基本数据库，并且可以由用户逐步积累更多实践经验数据来扩充和更新。（三）振动参数的确定1、根据工件重量确定处理时间工件重量（吨）处理时间（分钟）≤115-201~520-25≥525-30首先根据工件类型确定振动时效所需要的动应力：铸件：20MPa,焊接件：35MPa对于不同材质的工件，可以用动态应变仪测量动应变，同时测量加速度值和电源的输出电流（功率）。动应力的计算公式如下：动应力=动应变×材料的弹性膜量调节电源输出功率使动应力值达到所要求的大小，测出对应的加速度值和输出电流（功率）值，以后处理同类工件就可以直接设定该电流（功率）值。也可以用测量不同输出功率下的加速度值的大小判定施加的动应力是否满足工艺要求。2、根据工件类型判断和确定加速度的设置值（四）振动时效效果的判断根据国家机械行业标准JB/T5926-91进行判断，方法有残余应力检测法、参数曲线观测法和精度稳定性观测法。1、残余应力检测法通过盲孔法或X-射线法测量振前、振后工件上至少5个点的应力平均值来计算应力消除率，焊件应大于30%，铸锻件应大于20%。另外用振前、振后的最大应力与最小应力差来衡量均化程度，振后的计算值应小于振前的计算值。2、振动曲线观测法（五判据）满足下列五个条件之一就可判定为已达到振动时效效果：•振幅时间(A-t)曲线上升后变平。•振幅时间(A-t)曲线上升后下降然后变平。•振幅频率(A-f)曲线振后比振前的峰值升高。•振幅频率(A-f)曲线振后比振前的峰值点左移。•振幅频率(A-f)曲线振后比振前的带宽变窄。3、精度稳定性观测法•精加工后检验。•长期放置定期检验静尺寸稳定性（第一次在放置15天后检验，以后每隔30天检一次，要求静置时间半年以上。•在动载荷后检验。四、开发目标我公司希望通过合作提高该套大磁致伸缩式振动时效设备的自动化程度，提高产品质量稳定性，使之成为世界上采用新型振动方式的新一代方便、可靠、节能、环保型高科技工业产品。（一）激振器进行设计优化，使换能效率更高、重量更轻、可靠性更高、成本更低。基本性能指标要求：1、工作频率：DC~400Hz;2、平均功率：=500W;3、瞬间功率：=2000W;4、直流电阻：=1~4欧姆；（二）电源控制器通过开发提高产品的稳定性、可靠性和自动化程度，要求可以具备全手动、半自动和全自动功能，具备按键输入、USB存储、液晶屏幕显示、配备上位计算机接口、可由上位机控制、数据和曲线适时处理和显示等功能，提高整机产品的档次和水平。基本性能指标要求：1、工作频率：DC~400Hz;2、频率精度：0.01Hz;2、平均功率：=1000W;3、瞬间功率：=4000W;汇报结束，谢谢！