振动时效

11.振动时效工艺简介振动时效（英文为VibratoryStressRelief缩写为VSR）又称振动消除应力，主要是通过控制激振器的转速和偏心，使工件发生共振，让工件需时效的部位产生一定幅度，一定周期的交变运动并吸收能量，使工件内部发生微观粘弹塑性力学变化，从而降低工件的局部峰值应力和均化工件的残余应力场，（尤其是表面的集中应力区域），最终防止工件的变形与开裂，保证以后的尺寸稳定精度，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间接，定性的判断时效效果。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.振动时效比热时效节能95％，处理时间只需几十分钟，不占场地，便携，工件不需运输可就地处理，可插在精加工前任何工序之间多次处理，应力均化效果好，尺寸稳定性好，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。构件经过焊接，铸造，锻造，机械加工等工艺过程，其内部产生了残余应力，它极大地影响了构件的尺寸稳定性，刚度，强度，疲劳寿命和机械加工性能，甚至会导致裂纹和应力腐蚀。时效是降低残余应力，使构件尺寸精度稳定的方法。时效的方法主要有三种：自然时效，热时效和振动时效。自然时效是最古老的方法，它是把构件置于室外，让其经过气候，温度的反复变化，在反复的温度应力作用下，使残余应力松弛，尺寸精度获得稳定。一般认为，经过一年自然时效的工件，残余应力下降2-10﹪，但是却极大地提高了工件的松弛刚度，因而工件的尺寸稳定性很好，但因自然时效时间太长，现在很少采用。热时效是传统的时效方法它是把工件加热到高温，保温后控制降温。通常认为可以消除残余应力70-80％，实际生产中，热时效可消除残余应力20-60％。振动时效是介于自然时效和热时效两者之间的方法，可消除残余应力20-50％，它和自然时效一样，能提高工件的松弛刚度，而热时效却使工件的松弛刚度下降，因而振动时效工件的尺寸稳定性可以与热时效相比拟。振动时效起源于原西德，已在美，英，俄，日，德，法等国得到普遍应用，自1976年引入我国后，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。振动时效特点：1.投资少2.生产周期短3.使用方便4.无废气及辐射污染5.节约能源，降低成本振动时效局限性：1.不能替代去应力目的以外的热处理2.不能显著改变金相组织及机械性能（如强度，硬度）23.不能用于校形4.对于箱，板形工件时效噪音较大5.工艺效果在很大程度上取决于工艺员的振动时效工艺理论水平和经验6.不适宜于高压容器，残余应力较小的工件，大尺寸的薄板焊接件，薄壁铸件，大部分冷加工件，弹性结构应力为主的工件，刚性过大或尺寸过小件（其中部分可用振动平台来时效）7..并非工件所有部位的时效效果都一致机理的力学描述σd+σr≥[σ]残余应力σr必须和动应力σd叠加超过某一微观极限[σ]才能得到降低或均化,即σd+σr≥[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。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（又拾振器）：把加速度信号反馈到主机卡具：把激振器固定在工件上胶垫：隔离振动，降低噪音3振动时效工艺过程振前工艺分析工件时效前需分析工件的残余应力场分布，尺寸要求精度，以及以后的工作载荷，可能的失效原因，然后再决定工件的时效路线及时效重点部位。一．尺寸精度分析1.若要求直线度，或圆柱度，同轴度等，应重点消除中间部位的应力，因为相对端部，中间的应力在加工前后及工况下若有变化的话，从端面看，各方向都能产生弯曲振型2.若要求平面度，也是重点消除中间部位的应力，但除采用弯曲振型外，还必须采用扭转振型。3.若要求同轴度，如箱型工件，应尽量用大激振力，选用弯曲和扭转振型结合。二．工作载荷若以后工作载荷主要产生弯曲变形，则应采用弯曲振型；若以后工作载荷主要产生扭曲变形，则应采用扭转振型。三．工况失效原因若以后可能出现的是变形问题，可以用大激振力进行振动；若以后出现的是开裂问题，则应尽可能选用小激振力，长时间振动。设备选型一．根据工件的重量二．根据工件的形状，结构和刚性振动时效的实施首先应对设备易松的部位进行检查，然后对工件应力集中部位进行检查不允许工件存在缩孔，夹渣，裂纹，虚焊等严重缺陷。一．工艺支撑工件进行振动前要和地面隔离，支撑可以使用专用橡胶垫或废旧轮胎外胎等弹性较好的物体。支撑的主要目的，一是隔离振动，防止能量传到地上；二是降低一部分噪音，因为首先支撑物体弹性较好，避免了刚性接触造成较大噪音；其次支撑位置应尽可能选在振动的节点或节线（即波谷位置）处，可减小工件在振动时因相互撞击而消耗能量和产生噪音。支撑方式：一种是自由支撑，大多数工件振动时都采用这种支撑方式；二是悬臂，主要是针对部分自由支撑时共振频率较高的工件，这种支撑方式较少使用。在保持工件静态及动态平稳的前提下，支撑的点数越少越好，但要注意：不能让工件任意一点接触地面，也不能让任意一点把支撑点压扁硬压在地面上。也就是说工件不但要完全和地面隔离，而且支撑物要完全支撑得起工件的重量，不能超重。支撑位置的选择:如图所示二．安装1.激振器激振器是振动时效的激振源，其安装的位置对于振动尤为重要。激振器一般安装在工件的端，角部位，要求安装位置要平整光滑，刚性要比较大。对于平面的要求是因为激振器固定在工件上以后，如果不平，在振动过程中可能造成激4振器的偏心部分变形，进而导致轴承发热损坏对于刚性的要求是因为，如果安装点刚性不够，则可能出现激振器本身自振的现象，也就是激振器自身振动很大，但激振器产生的振动源并没有传递到工件其他部位。激振器的常规的安装位置：激振器安装好以后，用专用电缆将激振器与控制主机连接起来。在连接时注意首先要将航空插座上的定位销对准插口，然后旋紧，需要注意的是在插拔航空插座时，务必轻拿轻放，以免损坏，因为航空插座是铸铝的材料，比较脆，要防止摔，压，砸。另外平时工作结束后，电缆与激振器连接端最好不要拆下，电缆可以和激振器把手固定（但电缆与把手之间要间隔柔软且耐磨的材料），以提高电缆的使用寿命。2．加速度传感器加速度传感器是和安装磁座配合使用的，通过安装磁座吸在工件表面。传感器一般安装在工件远离激振器的振幅较大（波峰）处。加速度传感器有两点需要注意的：一是方向性，加速度传感器的安装面要和振动方向垂直安装，否则检测不到振动；其次安装的位置，传感器要安装在远离激振器且振幅较大处，也就是要安装在共振时的波峰位置，如果安装在振幅较小出处即波谷处的话，在找共振点时就会出现漏掉共振频率的可能性。三．振动时效在进入振动时效时，第一步需要做的是，选择合适的激振力，也就是调整合适的偏心角度。在调偏心角度的时候，要遵循从小到大的原则，也就是先根据工件的结构，刚性，重量等综合情况，根据自己的经验，先调整一个相对保守的角度，进行试振，根据试振的情况决定角度是否合适，需要加大还是减小，直至调到相对合适的激振力，进行振动时效。扫频：将激振器的频率（即转速）缓慢的由小调大的过程。扫频曲线：随着频率的变化，工件振动响应（即加速度）发生变化，反映振动响应与频率之间关系的曲线。振动时效一般分为三大步：1.振前扫频也就是在振动前对工件的共振点的分布做一个分析，找出工件在激振器的有效频率范围内的共振点。2.时效振动在振前扫频找到共振点的前提下，对共振频率进行分析，选出针对所振动的工件的有效频率，进行振动。在振前扫频时，可能找到几个或多个共振频率，但这些频率不一定都对工件有效或在时效范围及位置上有相似或重合的情况，所以要有选择的进行振动，选择的主要依据就是根据每个频率所对应的振型。振型：即振动系统，可以理解为在某个频率下，工件不同部位振动加速度的系统分析振型的方法：①手感法，在共振时，用手或用某一个工具放在工件各个重点部位，感觉振动大小，振5动大的部位是波峰，振动小的部位是波谷，根据波峰和波谷的位置画出简单的振型示意图。②铺砂法，对于部分有较大平面的工件，可采用铺砂法，就是在工件的平面上撒上一些砂子，在共振时，看砂子的聚散情况，砂子聚拢形成的线叫节线，即振幅最小的地方，离节线越远的地方振动越大，找出了波峰和波谷，振型也就自然得出来了。③实测法，共振时用加速度传感器依次去测工件主要位置的振动大小，根据振动数值判断出实际振型。这种方法比较麻烦，所以实际振动中很少采用。3.振后扫频振后扫频是相对于振前扫频而言，通过振动前后扫频曲线上反映的参数的变化情况，依据振动时效行业标准进行判定和验收。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振动时效不可盲目采用全自动时效方式：如下图梁形工件（a）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。反之，针对有效工艺参数事先不熟悉的工件，若不分析工件应力位置，不分析现场峰值及振型与工件区域的对应关系，就按事先设定的原则去时效，则常会带来误时效、漏时效、乱时效。例：假设残余应力在A区，选振幅最高的频率n2去时效则对A区没有效果，也即误时效；假设残余应力在B区，选频率值最低的频率n1去时效，B区也达不到效果，也即误时效；假设A、B区均有残余应力，若只选择其中一个峰值（即单峰值）时效则总有一区没有效果，即漏时效；因为只有n1、n2双峰值处理才能使A、B区都有效；假设A、B区中只有一个区域有残余应力，既用n1又用n2去时效工件就会带来时间的浪费、无谓的电机损耗及噪音，也可能导致工件薄弱环节的疲劳，也即乱时效。总之，由于振动时效控制箱（主机）只能识别a-n曲线（b）；而振型只能靠操作者去现场亲自识6别，所以盲目采用设备的全自动时效方式，必然导致误时效、漏时效、乱时效。也即，只有操作者根据残余应力分布先通过识别振型再反过来选择频率才可能达到时效效果。相关标准振动时效行业标准：JB/T5926-2005:振动时效工艺效果评定方法：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，即可判定在当前状态下，工件部分区域已达到振动时效工艺效果：①加速度-时间（A-t）曲线上升后变平②加速度-时间（A-t）曲线上升后下降然后变平③加速度-频率（A-n）曲线振后的比振前的峰值升高④加速度-频率（A-n）曲线振后的比振前的频率下降⑤加速度-频率（A-n）曲线振后的比振前的带宽变窄⑥加速度-频率（A-n）曲线振后出现裂变现象四．批量振动平台常规振动时效设备只适合于处理大，中型工件，而对于一些尺寸较小，重量较轻，批量有比较大的工件不是很方便。对于这种情况，可以针对某些适合批量振动的小件，设计制作振动平台，将小件刚性的安装固定在平台的适当位置，通过激振器振动平台，间接的振动小件。批量振动时效工作台有三部分组成：振动时效系统；适合工件结构和模态参数的振动平台；适合工件的专用装卡系统。不过，振动平台这种方式，和直接振动相比较而言，时效效果要差一些。五．振动焊接振动焊接就是对被焊不见进行