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”Vibratory Stress Relief”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Pont Land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。