振动处理技术的原理及应用.

第四章振动处理技术的原理及应用最近十多年来，国内外使用振动处理的方法消除金属构件内的残余应力，以防止构件变形和开裂，代替传统的热时效和自然时效。这种技术在国外称做”VSR”技术,它是”VibratoryStressRelief”的缩写，由于这种方法可以降低和均化构件内的残余应力，因此可以提高构件的使用强度，可以减小变形而稳定构件的精度，可以防止或减少由于热时效和焊接产生的微观裂纹的发生。特别是在节省能源、缩短生产周期上具有明显的效果，因此被许多国家大量使用。我们在该项技术的机理研究和应用上取得了较大的进展。一、振动时效工艺的简单程序振动处理技术又称做振动消除应力法，在我国称做振动时效。它是将一个具有偏心重块的电机系统称做激振器安放在构件上，并将构件用橡胶垫等弹性物体做支撑，如图所示。通过控制器启动电机并调节其转速，使构件处于共振状态，约经20—30分钟的振动处理即可达到调整残余应力的目的。图中的振动测试系统是用来监测动应力幅值及其变化的。实际生产上使用中不需要做动应力监测，振动时效设备本身具有模拟振幅监测系统。可见，用振动调整残余应力的技术是十分简单和可行的。二、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、机械性能显著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。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设备（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。法国和前苏联也分别生产出PSV和NB型VSR设备。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。据统计，目前世界上正在使用VSR系统约8万多台，美国采用振动时效工艺的企业就有一千多个，前苏联和东欧的一些国家也在大量的使用，都获得了显著的经济效益，许多国家都以将振动时效定为某些机械构件必须采用的标准工艺。在英国几乎没有一家机械企业不使用该项技术的。振动处理在国外的应用范围较广，被处理的构件的类型也较多。例如：1、英国一家机床公司大型精密机床，其床身与立柱要求精度为0.01mm/2m。过去采用热时效其精度保持性较差，后来改用振动时效，满足了精度的要求，因此现在已将振动时效定为该项产品的标准工艺。英国生产的铝合金铸造精密泵体，其尺寸为275X300X150mm，也是采用振动时效来保证其精度的。2、美国PX工程公司，用振动的方法来消除8吨重的焊接构结钩齿轮的内应力，用以减少焊接裂纹。美国PontLand电子专业公司，用振动时效技术处理4吨重的锻件。该公司规定对锻件进行三次振动时效处理：（1）毛坯、（2）粗加工后、（3）精加工后。经三次处理后保证了该锻件的稳定性。美国华盛顿钢铁公司，对该公司生产的47吨重的剪床座进行振动处理。剪床座是用152mm和203mm厚的钢板焊接而成，加强筋为38mm和76mm的钢板。这样大而重的构件只用40分钟的振动处理就可代替了过去的热时效。而且不用般动构件。美国西北工艺公司对2800吨重的海洋铁塔及1280吨重的钻井平台也采用了振动时效处理。3、英国对陆上井口平台采用振动时效，井口平台是由管径为200mm的钢管焊成6m*6m*2m管型构架。英国喷气发动机火焰筒衬里，由于焊后热膨胀而发生裂纹，报废率在30%以上，后来采用振动时效处理，报废率几乎为零。英国生产的所有机床床身都是采用振动时效处理来代替热时效。有三十多家机床厂和十几家锻压设备厂都是将振动时效作为标准的生产工艺。美、英等国在其它工业部门也大量地采用振动时效，如造纸机械、船舶轴承厂、激光焊机、齿轮箱制造厂、纺织机械厂、轧钢设备厂、印刷机械厂、泵制造厂、石油钻采设备厂、发电设备厂、锅炉厂等等都应用了振动时效技术来消除金属构件的应力。自1975年以来，该项技术在我国也得到了较大的发展和应用。以北京机床研究所为首，在原一机部机床行业进行推广，此后在机床铸件上取得了较大的进展。同时以哈尔滨焊接研究所为主的在焊接领域进行试验推广，也取得了很大的突破。多年来，关于振动时效对焊接构件疲劳寿命的影响是国内外专家极为关心和争论的焦点问题，我国的一些单位做了许多研究，得出的结论是：振动时效对金属材料的力学性能有很大的影响，合理的振动时效工艺可以提高构件的疲劳寿命。这些结论为振动时效在焊接构件上的应用奠定了理论基础。国外技术工艺的要求使我国在振动时效工艺的应用上得到了很大的发展。佳木斯电机厂生产的出口电机由于国外厂家的要求，在电机壳体上使用振动时效工艺，达到了设计要求。大连橡塑机厂为美国生产的设备也要求用振动时效处理来消除残余应力。这些都促进了国内振动时效技术的发展和应用。现在我们生产的智能型振动时效设备已经使振动时效的应用变的非常方便，其振动时效工艺的一部分已经固化成工艺软件，实现了智能化。其水平已经达到或超过国外的同类产品的水平。振动时效调整残余应力的机理：为了降低和均化构件内的成型内应力，保持构件的尺寸精度，生产上采用的方法大致可分为以下两大类。第一类：使内应力大量消除，如热时效（将构件加热到520-550℃保温一段时间然后缓慢冷却至室温）一般可以消除残余应力的50-80%。第二类：提高构件的松弛刚度，而不大量消除内应力，如自然时效和加载处理等。振动时效的作用是以上两类时效方法综合的结果，它不仅大量消除和均化成型内应力（降低成型内应力35-80%），而且还可以有效的提高构件的松弛刚度，提高构件的抗动载荷变形能力。振动消除应力实际上就是用周期的动应力与残余应力叠加，使构件局部产生塑性变形而释放应力。这里，残余应力是作为平均应力提高周期应力水平而起作用。振动处理是对构件施加一交变应力，如果交变应力幅与构件上某些点所存在的残余应力之和达到材料的屈服极限时，这些点将产生塑性变形。如果这种循环应力使某些点产生晶格滑移，尽管宏观上没有达到材料的屈服极限，也同样会产生微观的塑性变形，况且这些塑性变形往往是首先发生在残余应力最大的点上，因此，使这些点受约束的变形得以释放从而降低了残余应力。这就是用振动时效可消除残余应力的机理。振动消除残余应力是在交变应力达到一定周次后实现的，这就是包辛格效应的结果。一、等幅荷载反复作用下金属材料的应力与应变图21是将试件在材料试验机上进行拉伸，当荷载为变幅递升多次反复时的应力-应变曲线示意图。从图中曲线可见，材料的屈服极限在逐渐提高，残余变形再逐渐增大，最后导致破坏。而图22是等幅（σ0＞σ0）重复荷栽作用下的拉伸曲线示意图。σ0为重复荷载的幅值，σ0＞σ0从图中可见，每次拉伸都使屈服点比前一次有所提高，滞回曲线面积减少，残余变形减少。经过若干次之后，残余应变为0，说明不再出现新的塑性变形，材料处于安定状态。这正是振动时效力学机理的静态模拟。二、振动处理过程中材料的应力和应变振动处理是对构件施加一交变应力，而残余应力相当于平均应力而改变了总应力水平。但在交变应力作用下，残余应力是一个不稳定的力学量，在振动处理过程中逐渐下降，使总应力水平降低。从图23中可以看到在振动处理过程中残余应力的变化情况，当材料受到等幅交变作用（εc—εB）时，如果材料已经屈服，则残余应力下降。设处理前的残余应力为σA，回线ACB是第一次交变循环时的应力和应变曲线。当总应力超过A点后，材料进入塑性直到C点。而CB又平行于弹性线，CB末端却又偏离弹性线。这些现象都是由包辛格效应所致。经过一定次数的循环后应力和应变均处于稳定的回线上。如图中曲线所示，残余应力由σA下降到σE而不再变化。图23和图21从原理上来说是相同的，都说明要使构件中的残余应力下降，必须使作用应力与残余应力叠加后大于材料的屈服极限，即：σ动+σ残＞σs如果残余应力下降后作用应力与残余应力之和小于屈服极限时，则构件保持稳定的应力状态。因此振动处理到一定周次后不提高作用应力的量值，则继续处理将不再起作用。三、残余应力与作用应力关系的实验研究：Wozney等做了如下实验：对薄板试件（SAE1070,7.6×1.9×0.13cm）进行喷丸处理后,施加交变弯曲应力，使残余应力发生变化。其结果如表24所示。残余应力是用X射线法测定的。试样２是喷丸处理的，试样3—6是喷丸后又施加了交变应力。经高应力交变处理时，残余应力有明显的下降。作用应力低则残余应力变化小甚至不变化。图25是根据这些结果表示的交变应力作用下残余平均应力的变化规律。从图中可见，当处于弹性极限直线所包围的内部状态时（例如试件３），即使有应力交变作用，平均应力也不变化。而试样4—6在交变应力作用下，平均应力都将向弹性极限直线移动，这些都是在压应力状态下应力的变化情况。即使在拉应力状态下，也仍然是如此，如图中B点，在交变拉应力作用下向C点移动，在A点时平均应力就不发生变化。这些都和图23所反映的规律是一样的即作用应力和残余应力之和必须大于材料的屈服极限时，平均应力才能下降。表24用振动消除薄板试样的残余应力试样No试验后的应力7MPa作用应力7MPa应力范围7MPa周次1-2300（初始状态）2-5100（喷丸处理）3-5135-86-16270004-4170-121+19270005-3785-126+441006-3485-122+4827000为尽量明确作用应力与残余应力的关系，如图26用板梁的振动处理结果来说明，用一普通钢制成的长1200mm，宽120mm，厚16mm的板梁，在其上表面堆焊出两条焊道，测其残余应力为150MPa左右。将板梁一端固定成悬臂状，并在另一端激振，由应变片1测其动应力为80MPa。经30分钟的振动处理后，再次测图中梁上三点的残余应力，其变化见表26。不难看出同上面一样的结果：动应力越大消除应力的效果越好，而消除应力的最必要的条件，就是作用应力与残余应力之和必须大于材料的屈服极限，即：σ动+σ残＞σs表26板梁残余应力值点号123振前应力值150.0150.0150.0振后应力值76.582.5140.4消除应力值73.567.59.60消除比例（%）49.044.96.40