振动时效去应力的原理、工艺发展、效果鉴定及案例

更新时间：2024-04-01  作者: 应力检测

  从宏观角度分析，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力，是保证零件尺寸精度稳定的最终的原因。从微观方面分析，材料内部存在不一样的微观缺陷，微观缺陷附近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，这种塑性变形降低和均化了该处的残余应力，稳定了尺寸精度。此外，振动时效处理过程其实就是通过在工件的共振状态下，给工件每个部位施加一定的能量，如果施加的这个能量值与微观组织本身原有的能量值之和，足以克服微观组织的井势，则微观区域就会产生塑性变形，使产生残余应力的歪曲晶格得以慢慢地恢复平衡状态，使得应力集中处的位错得以滑移并重新钉扎，达到消除和均化残余应力的目的……

  振动时效工艺技术以其设备成本低、便于操作、不受场地限制、时效时间短、耗能少、污染少等优点 ,受到国内外机械制造业的广泛重视。振动时效工艺从进入我国然后发展到现在也有30余年了，从最原始的亚共振时效到现在的三维振动时效、频谱谐波振动时效，研究不断深入，工艺持续不断的发展，对应力的消除效果也慢慢变得好。

  1、传统的振动时效(亚共振时效)技术振动时效技术虽然在高效、节能、环保等方面很有明显的优势,但传统的振动时效设备经历了几十年的发展,任旧存在着无法逾越的技术瓶颈,始终没有办法纳入正式生产的基本工艺,没有正真获得企业的广泛认可及大规模的应用。传统的振动时效(亚共振时效)技术存在以下的问题:

  对支撑点、激振点、拾振点及方向有严格要求,要一直的扫频、调整位置,所以设备操作必须是受过专业培训的技术人员，一般的工人即使受过培训也很难掌握这项技术;其次工件在单件生产时调整相当繁琐,拾振点、支撑点很难调到最佳状态，一种工件就需要制订一种工艺,这对操作者的经验要求也比较高;

  因为是通过扫频的方式寻找共振峰,而电动机的转速是有限的,当工件共振频率超出激振器的频率范围时,通过扫描就没办法找到工件共振频率,因而无法对工件进行相对有效的振动处理。国家统计数据表明,亚共振技术可处理的工件在机械制造业覆盖面仅为23%;

  有效振型较少,振动时效的应力消除不稳定,应力的消除不能得到最佳的结果;

  频谱谐波时效技术起源于振动时效,但其摒弃了原有振动时效技术的攻关方向,独辟蹊径,从另外一个全新的角度去诠释振动时效的价值,突破了原有的技术瓶颈,迎来了振动时效应用的一个全新时代。因其独有找频方式与处理频率,被称为频谱谐波时效技术。频谱谐波时效技术不再沿用原有的扫频方式而是通过傅立叶方法对工件进行频谱分析，找出工件的几十种谐波频率,在这几十种谐波频率中优选出对消除工件残余应力效果最佳的5种不同振型的谐波频率进行时效处理,达到多维消除应力,提高尺寸精度稳定性的目的。

  采用频谱分析技术,解决了亚共振模式因激振器频率范围限制而不能对高刚性固有频率工件进行振动处理的难题,把振动时效在机械制造领域的应用场景范围从23%提升到近100%;

  对所有工件都能分析出几十个谐振频率,优选处理效果最佳的5种振型频率,2种备选频率,从而解决了亚共振模式不能对残余应力成多维分布、精度要求高、结构较为复杂的工件进行时效处理的难题。多种振型多方向与工件多维残余应力充分叠加,使处理效果显著优于热时效和传统的振动时效(亚共振时效);

  自动确定振动时效工艺参数,对激振点、支撑点、传感器位置无特别的条件,对振动参数自动选取、自动优化,对操作者的要求降低,从而解决了亚共振模式必须依靠操作者经验来选取振动工艺参数,且处理效果各异,以至很难纳入正式工艺的缺陷。

  由于采用6000 r/ min的低频谐波,振动处理时噪音很小,而亚共振模式产品是在工件共振频率下振动,噪音很大,使用者常常很难忍受,也不符合环保要求。

  振动参数曲线法是用来评定振动时效设备使用后，工件残余应力消除效果如何的常用方法。振动时效设备具备量好的残余应力消除效果，但是振动频率和使用方式对最终消除应力效果影响很大，不良的振动频率或激振点选择可能没办法有效消除应力，甚至有可能导致工件开裂或尺寸精度变化较大。一项振动时效工艺是否成功，最后的检测的新方法应是残余应力的变化率和尺寸精度保持性的测试。但是振动处理过程中采用上述两种参数是不可能的，它是需要长时间和复杂的测试过程。通常在实际生产应用的控制过程中往往采用振动时效前后幅频特性参数曲线和振幅-时间参数曲线.2条款验收来实现的。

  （a） 幅频特性曲线幅频特性曲线二次扫描图  （图中实线为振前所测曲线、虚线为振后所测曲线）  在振动处理过程中随着残余应力的下降，构件的内阻尼减小，所以在幅频特性曲线上所表现出的是固有频率的下降，（如图6-1中所示f1变为f1′）、共振峰值的增高、频带变窄。振动处理前测得的幅-频特性曲线和振后幅频特性曲线对比可求出各参数的变化量△f,△h和△u。经过多个试件处理后可把这些变化量的统计值确定下来。这样就可在生产应用时进行监测。如果生产中所得的参数变化与确定的数值相近，说明振动处理的效果已达到。如果远远偏小，说明效果欠佳，尚需在激振参数（主要是激振力）上做适当调整，或支承方式上需做调整。总之，幅-频特性曲线监测法是国内外普遍采用的较为成熟的方法。（b）振幅-时间曲线监测法幅-频特性曲线是振动处理的前后进行的，且频率在不断的改变。有时为获得更好的曲线。这要比前一种方法更简单，它既能够最终靠振幅的变化来控制振动处理的有效时间，又能够最终靠振幅的变化量来监测残余应力的变动情况。当构件中存在的残余应力幅值或分布发生改 变时，其自身振动状态将随之变化，因此经过测量振动时效过程中的实时振幅-时间曲线的变化及振幅-频率曲线振动前后的变化可以定性评估振动时效的效果。振动参数曲线有几率发生的变化为：

  (b) 振幅频率(a-f)曲线振后的峰值升高；(c) 振幅频率(a-f)曲线振后的峰值点偏移；(d) 振幅频 率(a-f)曲线]。当出现如图 所示的四种情况之一，并且振动时效后幅频曲线形 貌较振前简洁且光滑时，即可定性判定为达到了振 动时效效果。>

  现在市面上比较先进的振动时效设备，如HK3000、HK3012等系列会自带振动完成后效果曲线检测及打印功能。

  由于原使用热时效处理构架不仅耗能大且影响工期, 必须研究振动时效的可行性。经过多台构架工艺参数的对比选择，确定振动时效工艺后,对一批构架在生产车间进行了现场应用试验,同时作了残余应力测量。根据对该构架静态应力测试结果,残测点设在受力较大和刚度变化较大部位的焊缝上。测试数据如表4>

  本项目通过几种有代表性构件的残测证明, 振动时效在消除焊接构件残余应力上, 优于目前通常使用的热时效工艺, 且简便易行、高效率节约能源, 是一项先进工艺。