金屬工件在焊接、沖壓、鑄造和其它許多加工中，均可能形成殘余應(yīng)力。在許多情況下，殘余應(yīng)力的存在對工件是有害的，如降低工件強度和疲勞極限，造成脆性斷裂，加快工件在腐蝕大氣中的腐蝕速度等。分布不均勻的殘余應(yīng)力會對工件尺寸精度和穩(wěn)定性產(chǎn)生極為不利的影響。為了減少殘余應(yīng)力，通常采用自然時效、熱時效等方法。自然時效是最古老的時效方法。它是把零部件放在室外，經(jīng)過幾個月至幾年的風(fēng)吹、日曬、雨淋、嚴(yán)寒酷暑和四季的溫度變化，給工件多次造成反復(fù)的溫度應(yīng)力，在溫度應(yīng)力形成的過載下，促使殘余應(yīng)力發(fā)生松弛從而消除和均化殘余應(yīng)力，使尺寸精度獲得穩(wěn)定。該法雖然經(jīng)濟實用、簡單易行，但周期長，容易造成資金、產(chǎn)品的積壓，占用場地大，且不能及時發(fā)現(xiàn)工件內(nèi)的缺陷，所以逐漸被淘汰。熱時效是傳統(tǒng)的處理方法，它是將零件由室溫緩慢、均勻加熱至一定溫度，保溫較長時間，然后再嚴(yán)格控制降溫速度出爐。熱時效工藝要求嚴(yán)格，但只要工藝規(guī)范掌握得好，其具有很好的時效效果。熱時效的缺點是占廠房面積大，費用高，需消耗大量能源，成本高，處理時間長，勞動強度大。振動時效在國外被稱為VSR技術(shù)。簡單地說，就是用振動的辦法，反復(fù)地對有殘余應(yīng)力的工件加循環(huán)載荷，使工件產(chǎn)生一定的塑性變形，隨之殘余應(yīng)力得到松弛，從而使工件的尺寸穩(wěn)定下來。振動時效是熱時效的補充和發(fā)展，現(xiàn)在一定范圍內(nèi)代替了熱時效。1、振動時效概述1.1振動時效原理振動消除應(yīng)力簡稱VSR(VibratoryStressRelief)，它是利用一受控振動能量對金屬工件進行處理，達到消除工件殘余應(yīng)力的目的。國內(nèi)外大量的應(yīng)用實例證明，振動時效對穩(wěn)定零件的尺寸精度具有良好的作用。然而，對于振動時效穩(wěn)定尺寸精度的機理，迄今為止尚無系統(tǒng)的、滿意的解釋。從宏觀角度分析，振動時效使零件產(chǎn)生塑性變形，減小和均化殘余應(yīng)力并提高材料的抗變形能力，無疑是導(dǎo)致零件尺寸精度穩(wěn)定的基本原因。從分析殘余應(yīng)力松弛和零件變形中可知，殘余應(yīng)力的存在及其不穩(wěn)定性造成了應(yīng)力松弛和再分布，使零件發(fā)生塑性變形。故通常采用熱時效方法以消除和減小殘余應(yīng)力，特別是危險的峰值應(yīng)力。振動時效同樣可以減小殘余應(yīng)力。零件在振動處理后殘余應(yīng)力通?？蓽p小20%～30%，有時可達50%一60%，同時也可使峰值應(yīng)力降低，使應(yīng)力分布均化。除殘余應(yīng)力值外，決定零件尺寸穩(wěn)定性的另一重要因素是松弛剛性或零件抗變形能力。有時雖然零件具有較大的殘余應(yīng)力，但因其抗變形能力強，而不致造成大的變形。在這一方面，振動時效同樣表現(xiàn)出明顯的作用。由振動時效的加載試驗結(jié)果可知，振動時效件的抗變形能力不僅高于未經(jīng)時效的零件，也高于經(jīng)熱時效處理的零件。通過振動而使材料得到強化，使零件的尺寸精度達到穩(wěn)定。從微觀方面分析，振動時效可視為一種以循環(huán)載荷的形式施加于零件上的一種附加應(yīng)力。眾所周知，工程上采用的材料都不是理想的彈性體，其內(nèi)部存在著不同類型的微觀缺陷，鑄鐵中更是存在著大量形狀各異的切割金屬機體的石墨。故而無論是鋼、鑄鐵或其他金屬，其中的微觀缺陷附近都存在著不同程度的應(yīng)力集中。當(dāng)受到振動時，施加于零件上的交變應(yīng)力與零件中的殘余應(yīng)力疊加。當(dāng)應(yīng)力疊加的結(jié)果達到一定的數(shù)值后，在應(yīng)力集中最嚴(yán)重的部位就會超過材料的屈服極限而發(fā)生塑性變形。這塑性變形降低了該處殘余應(yīng)力峰值，并強化了金屬基體。而后，振動又在另一些應(yīng)力集中較嚴(yán)重的部位上產(chǎn)生同樣作用，直至振動附加應(yīng)力與殘余應(yīng)力疊加的代數(shù)和不能引起任何部位的塑性變形為止，此時，振動便不再產(chǎn)生消除和均化殘余應(yīng)力及強化金屬的作用。1.2振動時效對材料性能的影響振動時效對材料性能的影響在生產(chǎn)實踐中發(fā)現(xiàn)，振動時效不僅可以消除工件的殘余應(yīng)力，而且振動時效后工件的強度指標(biāo)也有很大提高。這就啟發(fā)我們，對工件進行振動處理，從而使材料得到強化。振動強化就是使工件受外部循環(huán)載荷進行受迫振動，激振力來自激振器的偏心部分。X這是一個多自由度、有阻尼系統(tǒng)的受迫振動問題。為了便于分析，我們將系統(tǒng)簡化為單自由度、有阻尼系統(tǒng)的受迫振動來進行分析，其力學(xué)模型見圖1。其動力學(xué)方程為公式(2)中：m表示激振器的質(zhì)量，e表示偏心距，w表示轉(zhuǎn)速。可見激振力的大小隨偏心距e和轉(zhuǎn)速w2的增大而增大。因此在實際應(yīng)用中，通過調(diào)整激振器的偏心和轉(zhuǎn)速可以對金屬材料工件施加交變動應(yīng)力，而金屬材料在交變動應(yīng)力的作用下會產(chǎn)生位錯運動。交變動應(yīng)力從零增大至峰值時，隨著外加動應(yīng)力的增大，金屬材料位錯被激發(fā)，不斷釋放出新位錯，并在障礙物前塞積。不斷增大的位錯塞積群應(yīng)力場使其鄰近晶粒的位錯有發(fā)生移動的趨勢。原有應(yīng)力場較大地方的塞積首先得以開通，其應(yīng)力集中得以釋放。交變動應(yīng)力從最大值下降至零的過程中，位錯塞積群的平衡狀態(tài)破壞，大量的位錯會由于移動過程中與其它位錯交割，位錯密度因此而大大增加。隨著外加動應(yīng)力的交變，上述過程不斷重復(fù)，內(nèi)應(yīng)力峰值下降的同時位錯不斷得到增殖，而位錯密度的不斷增加有利于材料疲勞強度的提高。疲勞破壞分3個階段：裂紋萌生、裂紋擴散和瞬時斷裂。金屬材料的疲勞壽命主要由裂紋萌生壽命和裂紋擴展壽命2個部分組成。裂紋萌生總是先在應(yīng)力最高、強度最弱的部位形成。振動處理后由于高內(nèi)應(yīng)力得以降低，分布均化，減小了應(yīng)力集中的影響；同時位錯密度增加使滑移帶滑移更加困難，從而使裂紋萌生壽命增加。而材料的位錯組態(tài)變化和位錯密度增加，使得滑移運動阻力增大，裂紋擴展所需能量增大，使裂紋擴展壽命增加，從而提高了材料的疲勞強度，使材料性能得到強化。

2、振動時效在齒輪箱加工中的應(yīng)用本次案例中的齒輪箱體是鑄鐵件，外形尺寸為790mm×760mm，厚度為105mm。箱體內(nèi)部是空腔，壁厚為15mm，屬于薄壁件。箱體兩端面為7級精度要求，表面粗糙度值Ra=3.2μm。兩端面是在立式車床上經(jīng)過粗、精車兩道工序加工，加工后經(jīng)過檢驗，兩端面的平面度、平行度超差。經(jīng)過分析認為，薄壁件在加工過程中易產(chǎn)生塑性變形、熱變形和殘余應(yīng)力變形，而加工殘余應(yīng)力是引起零件在加工中變形的主要原因，因此消除加工殘余應(yīng)力是必要的。2.1、振動時效工藝方案設(shè)計(1)工藝路線的確定為了消除齒輪箱體加工殘余應(yīng)力，決定在原工藝路線中增加一道振動時效處理工序。根據(jù)振動時效使用的技術(shù)要求及安排，應(yīng)在粗加工后、精加工前增加振動時效工序。工藝路線對比如下。原工藝路線：鑄造→退火處理→粗加工→精加工。新工藝路線：鑄造→退火處理→粗加工→振動時效處理→精加工。(2)裝夾方式激振器裝夾方式有兩種，一種是直接裝夾方式，直接用弓形鋼把激振器裝夾在工件上，適用于大型、產(chǎn)量少的工件;另一種是輔助工裝裝夾方式，激振器不能直接裝夾在工件上，需要通過時效平臺對工件進行時效，適用于小型、產(chǎn)量大的工件。鑒于該齒輪箱體屬于小型工件，且產(chǎn)量較大，因此采用輔助工裝裝夾齒輪箱體，進行振動時效處理，振動效率高。隨后進行激振點位置的選擇，工件的定位壓緊等操作，就緒后，通電進入主程序—選擇對應(yīng)激振器型號—時效方式—頻譜諧波—運行—進行頻譜分析，自動選出對工件處理效果最佳的七個諧波峰，從中選擇五種振形處理。2.2、時效后效果驗證時效后的結(jié)果依據(jù)JB/T5926-2005振動時效效果評定方法進行判定，出現(xiàn)下列情況之一時，即可判定為達到振動時效工藝效果：①振幅-時間(a-t)曲線上升后變平。②振幅-頻率(a-f)曲線振后比振前的峰值升高、峰值點左移。經(jīng)試驗，得出振幅-時間(a-t)曲線如圖2所示。圖2振幅-時間(a-t)曲線時效后效果顯示，曲線先上升后變平，加速度基本維持在12.1g左右；a-f曲線評價，振后峰值比振前峰值升高且峰值點左移。試驗結(jié)果符合JB/T5926-2005振動時效效果評定方法中規(guī)定的判定條件，因此判定振動時效可達到工藝要求的效果。

3、結(jié)語采用振動時效