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简述振动时效技术

分类:消除残余应力    关键词:振动时效

振动时效又称振动消除应力法是将工件(包括铸件,锻件,焊接构件等)在其固有频率下进行数分钟至数十分钟的振动处理消除其残余应力,使尺寸精度获得稳定的一种方法.这种工艺具有耗能少时间短效果显著等特点.近年来在国内外都得到迅速发展和广泛应用

振动时效的实质是以振动的形式给工件施加附加应力当附加应力与残余应力叠加后达到或超过材料的屈服极限时工件发生微观或宏观塑性变形从而降低和均化工件内的残余应力,并使其尺寸精度达到稳定

在工件上施加附加应力的方法有很多种施加静力或静力矩也可得到消除应力稳定精度的效果这就是静态过载法以动力形式施加的附加应力也可以是冲击随机振动或周期振动周期振动中包括共振在本世纪五十年代前后随着现代科学技术的发展振动理论测试技术和激振设备都得到迅速发展从而发现,在工件的共振频率下进行振动可以缩短振动处理时间消除应力和稳定精度的效果更好能源消耗也最少同时出现了相应的振动设备

这种新型的振动时效工艺和设备的出现立即受到各国的高度重视迅速应用于生产实践中目前各国采用的振动时效工艺大多数是共振时效这种工艺是将激振器牢固地夹持在被处理工件的适当位置上通过振动设备的控制部分根据工件的大小和形状调节激振力并根据工件的固有频率调节激振频率直至使联接在工件上的振动传感器(速度计或加速度计)所接收的信号达到一个最大值这时标志工件已达到共振在这种状态下持续振动一段时间即可达到消除应力稳定尺寸精度的目的由于这种工艺日趋成熟振动和控制设备日臻完善振动时效已为十多个工业发达国家广泛采用美国某应力消除公司拥有350台振动设备进行过5000多项振动时效处理上而成本仅为热时效的10%英国和西德对飞机装配型架的焊接梁和框架普遍采用了振动时效苏联金属切削机床实验科学研究院将振动时效工艺推荐给各机床厂某些重型机床厂的大件和基础零件全部采用了振动时效我国近年来在振动时效的研究与应用方面也取得了长足的进展实际使用情况表明经过振动时效的工件尺寸精度稳定性良好6个月至1年的静置观测,尺寸精度变化仅为数μm能够满足产品对工件尺寸精度的要求

振动时效费用仅为热时效的10%左右能源消耗不到热时效的5%由于振动时效的技术经济效果日益明显其应用范围也不断扩大在机械制造航空化工器械动力机械等行业中用钢,铸铁有色合金等材料制造的各类零件成功地采用了振动时效振动时效之所以得到各方面的普遍重视是由于它具有如下特点:

●投资少与热时效相比它无需庞大的时效炉可节省占地面积与昂贵的设备投资现代工业中的大型铸件与焊接件如采用热时效消除应力则需建造大型时效炉不仅造价昂贵利用率低而且炉内温度很难均匀消除应力效果很差采用振动时效可以完全避免这些问题

因此目前对长达几米至几十米的桥梁船舶化工器械的大型焊接件和重达几吨至几十吨的超

重型铸件较多地采用了振动时效

●生产周期短自然时效需经几个月的长期放置热时效亦需经数十小时的周期方能完成而振动时效一般只需振动数十分钟即可完成而且,振动时效不受场地限制可减少工件在时效前后的往返运输如将振动设备安置在机械加工生产线上不仅使生产安排更紧凑而且可以消除加工过程中产生的应力

●使用方便振动设备体积小重量轻便于携带由于振动处理不受场地限制振动装置又可携至现场所以这种工艺与热时效相比使用简便适应性较强

●节约能源降低成本在工件的共振频率下进行时效处理耗能极小实践证明功率为0.25至1马力的机械式激振器可振动150吨以下的工件故粗略计算其能源消耗仅为热时效的3-5%,成本仅为热时效的8-10%

●其他振动时效操作简便易于实现机械化自动化可避免金属零件在热时效过程中产生的翘曲变形氧化脱碳及硬度降低等缺陷是目前唯一能进行二次时效的方法

零件内部的残余应力是使其尺寸精度不稳定的主要原因影响稳定性的不仅是残余应力数值的大小应力分布的均匀性也有着重大影响振动时效常常被认为是消除工件残余应力的方法但一系列试验研究表明振动时效对消除和均化残余应力都有一定的作用振动时效对减少和均化残余应力皆有着良好作用这是由于在振动过程中工件受周期性附加应力的作用在应力集中处首先发生局部的塑性变形继而又在整体上发生较大的塑性变形峰值应力处产生的塑性变形较大而其它部位则相对较小正是由于这种塑性变形导致了工件中残余应力的降低和均匀化

零件在振动时效前后发生塑性变形是振动消除应力的保证因此许多人测量过零件振动处理前后的尺寸变化实际测量表明即使附加应力与残余应力叠加后仍不超过材料的弹性极限时零件也会产生塑性变形

某种龙门刨床的立柱和横梁铸件在振动处理前后零件在振动过程中变形并不是无休止的达到一定程度后继续施加振加尺寸精度并不继续发生变化这说明零件尺寸已达到稳定在生产中常常依此判断振动时效的效果及确定振动处理的时间1为一种机床床身铸件在振动处理过程中的变形与振动时间的关系

点的标号

1-1

2-2

3-3

4-4

5-5

6-6

7-7

8-8

9-9

10-10

振前

+3

+2.5

+1.5

-0.5

-2

0

+1

+1

-1

-1

振后15分钟

+4

+3

+2

0

-2

-2

+0.5

+0.5

-1

-2

振后30分钟

+4

+3

+2

0

-1

-2

+1

+1

0

0

振后45分钟

+4

+3

+2

0

-1

-2

+1

+1

-0.5

-0.5

1

进行上述试验时首先在铸件导轨面上选择一个基准点和若干测量点用精确的水平仪测量出各测量点相对于基准点的不直度误差如图2所示在振动过程中按规定时间记录这些读数直至读数不再变化为止由表2可知经过振动处理15分钟后2点外其余各测量点与基准点的相对位置都发生了变化振动30分钟后测量点中有5个不再发生进一步的变化振动45分钟后所有各点都达到稳定

                             136.png

综上所述所可以看出,振动时效使工件在交变应力作用下产生塑性变形,松驰了工件中的残余应力.故振动时效过程是零件塑性变形的产生和逐渐稳定的过程,也就是残余应力减小和稳定化的过程.尺寸精度的变化,示于图1所示。

零件的变形不仅取决于残余应力的大小和分布还与松驰刚性和抗变形能力有关振动时效不仅能够减小和均化残余应力,还可提高材料的抗变形能力对振动处理后的工件进行加静载和加动载试验可证实这一点

某种精密车床床身铸件外廊尺寸为1160X232X190mm材料为HT30-54,重105kg

轨经表面淬火处理采用振动时效消除残余应力并稳定其尺寸精度其振动时效的工艺参数为:动应力-+0.75kgf/mm2 ,时间-累积时间为60分钟振动后把它与未经振动的同种床身铸件进行抗变形能力的对比试验静载试验时在床身铸件上加1吨静载加载时间10分钟卸载后再加4.5吨重静载保持15分钟每次加载前后分别测量铸件两导轨垂直面内的不直度比较振动件和未振动件加载前后尺寸精度变化量变形越小表明抗变形能力越强。从试验结果可见重为100kg左右的铸件加其10倍重量的静载时经振动时效的铸件的抗变形能力比未经处理的铸件提高70%以上;加更大静载时(4.5吨)抗变形能力仍可提高20%还对一种仪表机床床身进行了承受静载和动载的对比试验床身铸件材质为HT20-40铸铁尺寸为1100X80X180mm,重80kg.施加的静载荷重200kg,动载荷为频率50Hz的+2 . 5kgf/m2 的交变应力

138.png

数据清楚地表明了振动处理的铸件比不经时效的铸件抗静载能力提高30%左右抗动载能力提高1~3倍抗温度变形能力也提高近30%与经过热时效的铸件相比振动件的抗静载能力高40%以上抗动载能力提高70%

铸件经振动时效后抗变形能力的提高,可以用循环加载下铸铁弹性性能的提高来解释振动时效实质上是对零件附加一种循环应力铸铁组织中由于存在着石墨和局部的微观夹杂物缺陷在受到拉伸载荷时没有明显的比例极限在应力作用下伴随着弹性变形的产生同时也产生塑性变形这种塑性变形在循环应力不超过其适应性极限σL 的情况下以过一定的循环次数后即可大部分或全部消失应力一应变曲线由原始的开口型(图3中曲线1)变为闭口型(曲线2)残余变形的逐渐消失使铸铁的弹性性能加强,弹性模量显著提高4所示结果说明循环加载后Eσ 的提高在应力较大时表现得更为明显

国内外大量试验和实用事例证明振动时效对于稳定零件的尺寸精度具有良好的作用其作用不仅表现在长期使用过程中尺寸精度变化量较小而且能在较短的时间内使零件尺寸达到稳定下面的五种情况为例同一种铸件分别进行了振动时效,热时效和自然时效在同样的时间内观测其随时间而发生的翘曲变形量和翘曲变形的持续时间。由数据结果可知,铸件在振动时效后的变形量小其值仅为热时效和自然时效变形量的一半左右同时经振过时效的铸件变形的持续时间也最短30~60天内尺寸精度便达到稳定而经热时效的铸件需100~150天才能稳定而自然时效的铸件尺寸持续变240~270天由图5亦可看出经振动时效工作台的铸件达到尺寸稳定的时间比热时效处理的铸件所需时间要短这一对比实验可以充分证明振动时效能有效的稳定铸件尺寸精度

139.png   

国内外大量的应用实例证明振动对稳定零件的尺寸精度具有良好的作用然而,对于振动时效稳定尺寸精度的机理迄今为止尚无系统的,满意的解释

从宏角度分析振动时效使零件产生塑性变形降低和均化残余应力并提高材料的抗变形能力无疑是导致零件尺寸精度稳定的基本原因从分析残余应力松驰和零件变形中可知残余应力的存在及其不稳定性造成了应力松驰和再分布使零件发生塑性变形故通常采用热时效方法以消除和降低残余应力特别是危险的峰值应力振动时效同样可以降低残余应力零件在振动处理后残余应力通常可降低20~30%有时可达50~60%同时也使峰值应力降低,使应力分布均化除残余应力值外决定零件尺寸稳定性的另一重要因素是松驰刚性或零件抗变形能力有时虽然零件具有较大的残余应力但因其抗变形能力强,而不致造成大的变形在这一方面,振动时效同样表现出明显的作用由振动时效的加载试验结果可知振动时效件的抗变形能力不仅高于未经时效的零件也高于经热时效处理的零件通过振动而使材料得到强化使零件的尺寸精度达到稳定

从微观方面的分析振动时效可视为一种以循环载荷的形式施加于零件上的一种附加应力众所周知工程上采用的材料都不是理想的弹性体其内部存在着不同类型的微观微陷铸铁中更是存在着大量形状各异的切割金属基体的石墨故而无论是钢铸铁或其它金属,其中的微观缺陷附近都存在着不同程度的应力集中当受到振动时施加于零件上的交变应力与零件中的残余应力叠加当应力叠加的结果达到一定的数值后在应力集中最严重的部位就会超过材料的屈服极限而发生塑性变形这塑性变形降低了该处残余应力峰值并强化了金属基体而后振动又在另一些应力集中较严重的部位上产生同样作用直至振动附加应力与残余应力叠加的代数和不能引起任何部位的塑性变形为止此时振动便不在产生消除和均化残余应力及强化金属的作用上述解释已由大量的试验加以证明此外还有些研究者从位错滑移等金属理论上加以解释


上一条:振动时效设备对薄壁筒形工件的应用 下一条:振动时效技术的特点
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