我的机械网

搜索
查看: 136|回复: 1

简述振动时效技术

[复制链接]

76

主题

76

帖子

715

积分

高级会员

Rank: 4

积分
715
发表于 2019-8-9 15:22:41 | 显示全部楼层 |阅读模式

马上注册,结交更多好友,享用更多功能,让你轻松玩转社区。

您需要 登录 才可以下载或查看,没有帐号?立即注册   一键登录:

x
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
[size=10.5000pt]0
+1
+1
-1
-1
振后15分钟
+4
+3
+2
[size=10.5000pt]0
-2
-2
+0.5
+0.5
-1
-2
振后30分钟
+4
+3
+2
[size=10.5000pt]0
-1
-2
+1
+1
[size=10.5000pt]0
[size=10.5000pt]0
振后45分钟
+4
+3
+2
[size=10.5000pt]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,导
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,以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。

我的机械网(www.mejxw.com)中国最好的机械论坛!官方QQ群:我的机械网用户交流群
发表于 2019-8-9 15:22:51 | 显示全部楼层
谢谢楼主
我的机械网(www.mejxw.com)中国最好的机械论坛!官方QQ群:我的机械网用户交流群
您需要登录后才可以回帖 登录 | 立即注册   一键登录:

本版积分规则


 
 
技术支持
VIP购买
迈迪技术支持
326998550
官方QQ群:
机械设计论坛
中国机械CAD论坛
中国机械cad论坛
VIP会员群
我的机械网vip群
工作时间:
9:00-17:00
客服热线:
15953133114
官方微信扫一扫
快速回复 返回顶部 返回列表