常州震动消除铸件应力 振动时效的原理

金属构件在机械加工过程中会产生导致尺寸精度和稳定性降低的余应力，目前普遍采用热时效和传统振动时效（即亚共振时效）消除余应力。每吨工件热时效费用至少500元，消耗180千克标准煤，排放410千克二氧化碳和13千克二氧化硫。这样一个成本高、能耗大、污染严重的传统工艺竟然沿用至今。而传统振动时效噪音大、振型单一、效果欠佳、处理范围受限、操作繁琐、操作者需有丰富的工艺经验，特别对于高刚性、高固有频率的工件更是传统振动时效的禁区。
残余应力
§2.1残余应力分类
在各种金属构件加工制造过程中，构件内部不可避免地会产生残余应力。生产过程中应力产生主要工艺分为：铸造残余应力、焊接残余应力、压力加工残余应力、切削加工残余应力、热处理残余应力、镀层残余应力、表面硬化处理残余应力、校直残余应力等。
§2.2残余应力的产生
各种机械加工一如铸造、切削、焊接、热处理、装配等都会使工件内部出现不同程度的残余应力。从残余应力产生的原因来讲，可分成如下几类：
1. 由于机械加工产生不均匀的塑性变形引起的残余应力。
2. 由于温度不均匀造成的局部热塑性变形或相变作用引起的不均匀塑性变形而产生的残余应力。
3. 由于装配公差产生的残余应力。
此外还有化学变化等多种原因都可产生残余应力。
由于产生残余应力的原因不同，因此构建内残余应力的分布和良知也不相同。某点的终残余应力的量值，是由各种原因产生的残余应力的综合值。
现将产生残余应力的几种主要原因的力学模型分述如下。
一、 机械加工引起的残余应力
这是金属构件在加工中易产生的残余应力。当施加外力时，物体的一部分出现塑性变形，卸载后，塑性变形部分限制了与其相邻部分变形的恢复，因而出现了残余应力。
这种由局部塑性变形引起的残余应力，在很多加工工艺中均会出现，如锻压、切削、冷拨、冷弯等等。这种残余应力往往是很大的。
二、 温度不均匀引起的残余应力
大多数金属都不是纯弹性或纯塑性材料，在冷却过程中往往会发生塑性至弹性的转变。以铸铁件和碳钢焊接件为例；无论是铸造和焊接均需要将构件加热到800℃以上。加工后放在自然温度环境中，构件都要经过这个塑性—弹性转变温度区间700---400℃，由于构件冷却是从外到内的，就会产生外部成弹性温度区间，而构件内部还处在塑性温度区间，通俗的讲就是构件外部已经固化，而内部因为继续冷却而收缩，构件外部不让其收缩产生残余应力。

概括起来讲振动时效的工艺过程分四步进行：
步：首先用弹性橡胶垫将要时效处理的工件在其节线附近支撑起来，并将激振器用弓形卡具卡紧在工件振动时的波峰处，将测试工件振动情况的传感器用磁坐吸紧在工件上，并用电缆线将激振器、传感器和控制器连接起来，这一步又称为准备过程。
第二步：振动时效设备以扫描的方式自动检测出被时效处理工件的固有共振频率和应该给工件振动能量的大小，这一步又称为振前扫描。
第三步：振动时效设备以第二步测得参数为依据自动确定出对工件进行振动处理的振动频率，并对工件进行振动时效处理，在处理过程中随时检测振动参数和工件残余应力的变化，而残余应力不再消除时即适时停止处理过程，这一步又称为振动处理过程。
第四步：振动处理完毕后，振动时效设备自动对被时效处理工件的参数进行再一次检测，以便依据JB/T5926-91或JB/T10375-2002标准，对振动时效进行判定。这一步又称为时效效果检测过程或振后扫描。
振动时效工艺实际上是指对工件的几个振动时效参数的确定，振动时效的几个主要参数是：振动频率、振动时间、动应力、工件的振型（用来确定工件的支撑位置，激振器和传感器的装夹位置），下面将对这几个参数进行较为详细的说明。
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。

时效方法简介
构件在冷热加工过程中，必然产生残余应力，因此消除残余应力的时效工序就十分必要了，凡是能降低残余应力，使工件尺寸精度稳定的方法都叫“时效”。主要方法有热时效、自然时效、振动时效、静态过载时效、热冲击时效等。后两种方法应用少不再讲述。
§3.1自然时效
自然时效是较古老的时效方法。它是把构件露天放置于室外，经过几个月至几年的风吹.日晒.雨淋和季节温度的变化，给构件多次造成反复的温度应力。在温度应力形成的过载下促使残余应力发生松弛而使尺寸精度获得稳定。
自然时效降低的残余应力不大，但对工件尺寸稳定性很好，原因是工件经过长时间的放置石墨及其它线缺陷附近产生应力集中，发生了塑性变松弛了应力，同时也强化了这部分基体，于是该处的松弛刚度也提高了，增加了这部分材质的抗变形能力，自然时效降低了少量残余应力，却提高了构件的松弛刚度，对构件的尺寸稳定性较好，方法简单易行，但生产周期长.占用场地大，不易管理，不能及时发现构件内的缺陷，已逐渐被淘汰。

振动时效技术具有节能、节省费用、方便简单、省时省力、减少污染等**优点，因此受到国内外的广泛重视。生产办公室也将该项技术的推广应用列入了“八五规划”，“九五规划”列为重点新技术推广项目，二000年国家经贸委列出二十五项重点推广的典型案例之一。振动时效是对机械制造业传统的自然时效和热时效方法的革命。
“振动时效技术”，国外称“Vibratory Stress Relidf Method”简称“VSR”）。它包括振动消除应力技术，振动焊接技术，振动铸造技术及用振动提高焊接构件及轴类构件疲劳寿命技术等项内容。在调整构件残余应力的技术领域中，振动时效技术完全可以代替原有的热时效工艺，因其应用面广，技术潜力大，而具有重大的经济和社会效益。
近二十年来，振动消除应力技术的研究和应用，在我国取得了飞速的发展。在此期间，经国内许多单位的共同努力，在振动时效机理、振动时效工艺技术和应用研究方面，取得了突破性的成果，制定了我国关于振动时效方面的国家行业标准“*共和国机械行业标准JB/T5926-2005”，了该项技术的应用和设备的生产，推动了该项技术的广泛应用，为我国经济建设做出了较大的贡献。
振动时效在西方发达国家，由于基础工业比较成熟，运用比较成熟。国内是近二十年由于电机技术和控制技术的发展，振动时效设备才能够满足机械构件消除应力要求，但由于振动时效涉及材料力学、振动学、金属物理学等多学科，相对而言工艺上比热时效复杂的多，而国内的参考书较少，应广大从事时效技术工作人员的要求，编者结合国内外焊接、铸造、锻造、机械加工领域里学者的核心理论，注重于通俗易懂，简单实用原则，编写了本书，该书适用于从事残余应力消除工作的工程技术人员，对振动时效技术的了解和运用。也可作为大专院校相关的师生的教学参考教材
超声波时效法是国外较流行的焊后处理、表面局部强化和消除余应力的方法。该方法首先在前苏联的乌克兰延生，于二十世纪六十年代在美国得到*发展，在*十三届国际焊接学会上被公认为是提高焊接结构疲劳性能方法，并在发达国家*得以推广应用，经过半个多世纪的发展，超声波时效处理的工艺及设备已日趋完善，该方法的执行机构轻巧，使用灵活方便、噪音小、效率高、成本低、节能、无污染。
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