振动时效技术的原理及应用

第四章振动时效技术的原理及应用
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。

§4—1振动时效的原理
国内外大量的应用实例证明，振动时效对消除和均化残余应力，稳定工件的尺寸精度具有良好的作用。

同时对振动时效的机理也做了大量的研究和探讨。

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能力，无意识导致零件尺寸精度稳定的基本原因。

从分析残余应力松弛和零件变形中可知，残余应力的存在及其不稳定性造成了应力松弛和再分布，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30~55﹪，同时也使峰值应力降低，使应力分布均匀化。

除残余应力值外，决定零件尺寸稳定性的另一种重要因素是松弛刚性，或零件的抗变形能力。

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。

由振动时效的加载实验结果可知，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动应力。

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缺陷。

铸铁中更是存在着大量形状各异的切割金属基体得石墨。

故而无论是钢、铸铁或其他金属，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时，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。

这种塑性变形降低了该处残余应力峰值，并强化了金属机体。

而后，振动又在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性别为止，此时，振动便不再产生消除和均化残余应力及强化金属作用。

上述解释已由大量的试验加以证明。

此外，我更主张从错位、晶格滑移等金属学理论上去解释振动时效机理。

其主要观点是振动时效处理过程实际上是通过在工件的共振状态下，给工件的每一部位（从微观角度说是工件里的每一个微观晶格）施加一定的动能量，如果施加的这个能量值与微观组织本身原有的能量值（残余应力本身是一种势能）之和，足以克服微观组织周围的井势（也可以说是对恢复平衡的束缚力），则微观区域必然会产生塑性变形，使产生残余应力的歪曲晶格得以慢慢地回复平衡状态，使应力集中处地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。

对于残余应力集中的地方，四芯电缆
残余应力值较大，其微观组织本身所具有的回复平衡状态的势能值也较大，所以，此处的残余应力在震动处理过程中消除的就越多。

只有从这一观点上才能解释通许多用第一种观点所解释不通的一些现象，比如：在振动处理过程中我们只需施加一个方向的主动应力，就能消除包括垂直主动应力方向上的所有残余应力等。

§4—2振动时效工艺
振动时效处理过程是将激振器刚性夹持在被处理工件的适当位置，首先根据零件大小，形状和加持情况来调节激振频率，最好使零件在其固有频率下进行共振，然后根据零件所需动应力或振幅的大小来调节激振力。

零件的振动状态和动应力，可用测量振动和应力的仪表来检测。

通常将感受元件（加速度计或速度计）接于被振物体上，振动时，感受元件把接收到得振动信号送往测试仪表，经放大电路将信号放大并指示出各种所需的参数值。

振动状态的主要指示参数是振幅、频率和振型。

振动状态和激振力的控制是通过控制激振器的控制装置来实现的。

它能调节激振力、激振频率和振动时间。

被处理零件在所需频率和振动强度下振动一段时间后，振动时效即告结束，
这个工艺过程一般为几分钟或几十分钟。

概括起来讲振动时效的工艺过程分四步进行：
第一步：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，并用专用电缆线将激振器、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，可用最小的振动能量，使工件产生最大的振幅，得到最大的动应力和动能量，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”时的一个特殊状态。

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，振幅的陡然增大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。

振动时效中一个工件和它的支撑体组成振动学中一个质量和一个弹簧的振动系统，它的固有频率可用下列通式表示：
m
k f n π2=' （4-1） 式中：n f -----固有频率（HZ ）；K---弹簧的刚度（Kg/cm ）；
m---振动体质量（Kg ）。

图4-1示出了某均质等截面梁弯曲的频率及相应的振型。

由振动频率的方程解及上图可知，具有几个自由度的振动系统，有几个固有频率，按低至
高
频顺序分别称为：第一固有频率（基本固有频率）；第二个固有频率……。

对于每一个固有频率都有一个确定的位移形态，称为振型，就是说，对应每一个固有频率都有对应的一个振型。

工件的固有频率可用振动时效设备本身来测定，以VSR 系列振动时效设备为例，只要按一下控制器面板上的“启动”按钮，整套装置就会在其扫频范围内寻找出被时效工件的固有共振频率，并将固有频率值、固有频率下所对应的工件的最大振动加速度值及工件在固有频率周围的振动趋势图打印出来，使操作者一目了然。

图4-2
振动频率一般选择在共振峰前沿，即工件的亚共振区，一般确定在共振峰高度的32~31所对应的频率范围内，如图4-2所示，该工件的固有共振频率为4500r/min ，共振时产生的最大振动加速度（峰值）为60.0m/s 2,则对工件的振动时效频率就确定为工件的振动加速度值在20.0~40.0m/s 2区域内所对应的频率。

具体的确定方式有两种：
1．手动调节。

首先将激振器频率调节到工件固有频率以下100r/min 处，即4400r/min ，观察控制器上加速度的值，然后再用手动慢慢升速，使加速度值升高在20~40m/s 2范围内，具体掌握在多大的频率下，还要看工件的振动情况，若工件在共振状态时振动很激烈，则可选择在21~31范围内，若工件振动不是很激烈，则选择在2
1~31范围内。

2.自动调节。

VSR 系列全自动控制器会自动地控制整套设备对工件进行频率、振动情况的测定，并给出数据及曲线图，并根据专家系统自动地确定对工件的振动频率，这一切无需人工干预，而只需按一下自动按钮就可完成。

二、振动时间的确定
由于各种零件的结构和重量不同，残余应力的大小分布不同，振动时效选用的振动时间也应有所不同。

振动时间的长短对振动时效的效果，尤其是获得最佳技术和经济效果是有一定的影响的。

除英国的振动时效工艺外，其他包括中国在内的所有国家所选用的都是长时间的亚共振处理方法。

英国的振动时效工艺主要内容是控制器控制激振器的激振频率以一定的速度升高，当升高到工件的固有频率附近时，工件产生共振，这时控制器就控制激振器在工件的共振频率上激振约5000次，然后激振器再以一定的速度升速，若再遇上工件的共振频率，再在这个共振频率下施振5000次，之后，再升速直至升到激振器的最高转速极限，之后，再快速扫描一次，这时激振器不再在共振频率处停滞，整个处理过程在很短的时间内就告完结。

其它国家的振动工艺是选择在工件的亚共振区进行较长时间的亚共振处理，在本书的第一部分中所讲的激振频率的选择就是依据这个原则，那么，究竟选择多长时间为宜呢？经过
大量的试验证明，振动消除残余应力大部分是在前五分钟内完成的，五分钟之后的处理效果已不再明显。

为此，我们一般按表4-1原则选择振动处理的时间，经过十几年的证明，基本上能满足振动工艺的要求。

如果工件的刚度较大，振动不是很激烈，可在表4-1的基础上再延长3~5分钟的振动时间。

三、动应力的确定
振动时效过程中，激振器施加给工件以与其周期交变力相对应的动态附加应力。

附加动应力与公家原存残余应力叠加后，所造成的局部或整体塑性变形，就能是工件残余应力松弛，均化和消除，并提高金属基体的抗变形能力。

这是使工件尺寸精度稳定化的关键。

所以，动应力是振动时效中有决定性作用的参数，它不仅与工件中的原始残余应力值有关，而且与工件被处理后的强化和尺度精度温度化有直接关系。

显然，当处理残余应力较小的工件时，只需选用一定的动应力，产生不大的塑性变形，就能使工件材料强化，使不大的原始残余应力处于稳定，而不发生大的翘曲变形。

但是，如果工件的残余应力较大，那么就必须选用足够大的动应力，，使工件产生较大的塑性变形，才能使它的残余应力大幅度降低，使零件的材料得到强化，从而尺寸精度获得稳定。

许多研究和实践证明，用过载系数K所表示的零件原始残余应力和动应力（峰-峰）值之比，即K=动应力/残余应力，能体现振动时效工艺中他们间的依存关系，并能用来鉴定振动时效处理的有效性。

资料指出：使工件尺寸精度稳定的K值为0.45左右为宜。

如果动应力施加的比较小则消除残余应力的效果比较差；如果动应力施加的太大，有可能超过工件的疲劳强度，甚至抗拉强度，引起工件疲劳强度的下降，甚至断裂。

HK200系列振动时效装置的内部软件系统已备自动判定动应力是否合适的功能，如果动应力不够，打印机会自动地打印出让您加大动应力的指令，如果动应力太大，系统会自动关机，避免引起不良后果，并通知操作者来减小动应力，所以使用VSR系列振动时效装置可令您放心。

四、工件的支承位置与激振器的装夹位置的确定
谈到这两种位置的确定，首先我们先谈一谈工件的振型问题。

在本节的第一部分中，我们谈到工件的固有频率时曾提到过对应工件的任何一个固有频率都对应的一个振型，而支承位置和装夹位置都是依据工件的振型来确定的。

总的原则是，支承垫应放在工件振型的波节处，支承垫应用具有弹性（如橡胶、垫木、刚性弹簧等）；激振器应放在工件振型的波峰处，用专用卡具与工件刚性地卡在一起；加速度计应按放在远离激振器的另一个波峰处，如图4-3所示。

如果对工件的振型判断不对，使得支承位置和装夹位置不合理，那么就会直接影响时效效果，甚至出现振不起来的现象。

而工件的振型由于工件本身的重量、几何形状、尺寸等因素的不同又各不相同，所以判断工件的振型、寻找支承、装夹位置是振动时效实际应用中遇到问题最多，甚至到了影响振动时效工艺推广应用的地步。

我到过许多振动时效使用厂家，工艺上反映问题最多的就是这方面，而有时给予正确的指正，就顺利地进行了。

有些工作者干了七八年的振动时效，如果让他们干一种其他形状的工件，他们就不知如何干了。

还有的厂家对不同形状的工件采用千篇一律的支承和装夹方式，也不知道工件的振型是什么形状。

如果出现什么质量问题反过来怀疑是振动时效技术本身的问题。

当然出现这些问题一方面使用者就振动时效工艺尚不熟悉，更重要的是振动时效设备的生产销售厂家，他们能够生产出振动时效设备（先不论其质量好坏），但对振动时效工艺却一知半解，对振动时效的原理更是知之甚少，有些用户买了他们的设备，他们最多负责去调试一下，设备到了用户手中，只要电机能转，显示正常，就算交差，只要能振动就行，而不知效果如何。

我的观点认为，振动时效设备本身并不值那么多钱（如美国马丁设备售价2.5万美元），而值钱的是振动时效技术本身，所以它是一种高附加值的产品，所以用户选择设备时，一要看设备本身的性能和质量，二要看身材厂家有无过硬的工艺服务体系。

我们经过十几年的实践经验和理论研究，在工件的支承和激振器的装夹方面总结出一下几个基本原则。

1．当工件长：宽＞3，长：厚＞5时，则认为工件属于梁型件类，橡胶垫应在距端部2/9长度处，激振器卡在中间或一端，传感器洗紧在另一端，如图4-4。

2．当工件的长≈宽，长：厚＞5时，则认为工件属于板型件类。

可在距端部1∕3长度处放上四个橡胶垫，激振器卡在中间或一端，传感器吸紧在另一端，如图4-5。

3．当工件的长≈宽≈高时，则认为工件属方型件类。

橡胶垫可采用三点支承方式，激振器放在单支点侧的端部，或工件顶面的中间，传感器放在另一端部，如图4-6。

4．当工件为圆环时，橡胶垫在圆环底部采用四个或三个对称支承，激振器夹在两个橡胶中间，传感器放在另两个橡胶垫中间，如图4-7。

5．当工件为轴类件时，按梁型件类支撑，若轴的刚性交差，可采用悬挂方式处理。

6．当工件较小，属小件类，可采用振动台的方式进行集中处理，但振动台的设计计算比较复杂，采用这种工艺应请有经验的振动时效专家设计，方能取得较好的时效效果。

7．当工件较大，当刚性太强时，可采用定速定时工艺处理。