1、第四章 振動(dòng)處理技術(shù)的原理及應(yīng)用最近十多年來，國(guó)內(nèi)外使用振動(dòng)處理的方法消除金屬構(gòu)件內(nèi)的殘余應(yīng)力，以防止構(gòu)件變形和開裂，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的熱時(shí)效和自然時(shí)效。這種技術(shù)在國(guó)外稱做”VSR”技術(shù),它是”Vibratory Stress Relief”的縮寫，由于這種方法可以降低和均化構(gòu)件內(nèi)的殘余應(yīng)力，因此可以提高構(gòu)件的使用強(qiáng)度，可以減小變形而穩(wěn)定構(gòu)件的精度，可以防止或減少由于熱時(shí)效和焊接產(chǎn)生的微觀裂紋的發(fā)生。特別是在節(jié)省能源、縮短生產(chǎn)周期上具有明顯的效果，因此被許多國(guó)家大量使用。我們?cè)谠擁?xiàng)技術(shù)的機(jī)理研究和應(yīng)用上取得了較大的進(jìn)展。一、振動(dòng)時(shí)效工藝的簡(jiǎn)單程序振動(dòng)處理技術(shù)又稱做振動(dòng)消除應(yīng)力法，在我國(guó)稱做振動(dòng)時(shí)效。它

2、是將一個(gè)具有偏心重塊的電機(jī)系統(tǒng)稱做激振器安放在構(gòu)件上，并將構(gòu)件用橡膠墊等彈性物體做支撐，如圖所示。通過控制器啟動(dòng)電機(jī)并調(diào)節(jié)其轉(zhuǎn)速，使構(gòu)件處于共振狀態(tài)，約經(jīng)2030分鐘的振動(dòng)處理即可達(dá)到調(diào)整殘余應(yīng)力的目的。圖中的振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)是用來監(jiān)測(cè)動(dòng)應(yīng)力幅值及其變化的。實(shí)際生產(chǎn)上使用中不需要做動(dòng)應(yīng)力監(jiān)測(cè)，振動(dòng)時(shí)效設(shè)備本身具有模擬振幅監(jiān)測(cè)系統(tǒng)?？梢?，用振動(dòng)調(diào)整殘余應(yīng)力的技術(shù)是十分簡(jiǎn)單和可行的。二、振動(dòng)時(shí)效工藝特點(diǎn)振動(dòng)時(shí)效之所以能夠取代熱時(shí)效，是由于該技術(shù)具有明顯的優(yōu)點(diǎn)。1、 機(jī)械性能顯著提高經(jīng)過振動(dòng)時(shí)效處理的構(gòu)件其殘余應(yīng)力可以被消除20%80%左右，高拉應(yīng)力區(qū)消除的比例比低應(yīng)力區(qū)大。因此可以提高使用強(qiáng)度和疲勞壽

3、命，降低應(yīng)力腐蝕?？梢苑乐购蜏p少由于熱處理、焊接等工藝過程造成的微觀裂紋的發(fā)生?？梢蕴岣邩?gòu)件抗變形的能力，穩(wěn)定構(gòu)件的精度，提高機(jī)械質(zhì)量。2、 適用性強(qiáng)由于設(shè)備簡(jiǎn)單易于搬動(dòng)，因此可以在任何場(chǎng)地上進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)處理。它不受構(gòu)件大小和材料的限制，從幾十公斤到幾十噸的構(gòu)件都可以使用振動(dòng)時(shí)效技術(shù)。特別是對(duì)于一些大型構(gòu)件無法使用熱時(shí)效時(shí)，振動(dòng)時(shí)效就具有更加突出的優(yōu)越性。3、節(jié)省時(shí)間、能源和費(fèi)用振動(dòng)時(shí)效只需30分鐘即可進(jìn)行下道工序。而熱時(shí)效至少需要一至兩天以上，且需要大量的煤油、電等能源。因此，相對(duì)與熱時(shí)效來說，振動(dòng)時(shí)效可節(jié)省能源90%以上，可節(jié)省費(fèi)用95%以上，特別是可以節(jié)省建造大型燜火窯的巨大投資。三、振動(dòng)時(shí)

4、效工藝的發(fā)展及應(yīng)用用振動(dòng)的方法消除金屬構(gòu)件的殘余應(yīng)力技術(shù)，于1900年在美國(guó)就取得了專利。但由于人們長(zhǎng)期使用熱時(shí)效，加上當(dāng)時(shí)對(duì)振動(dòng)時(shí)效消除殘余應(yīng)力的機(jī)理還不十分明確，且高速電機(jī)尚未出現(xiàn)造成設(shè)備沉重、調(diào)節(jié)不便，因此該技術(shù)一直未得到實(shí)際應(yīng)用。直到60年代由于能源危機(jī)，美國(guó)、英國(guó)、日本、聯(lián)邦德國(guó)等國(guó)才又開始研究振動(dòng)時(shí)效的機(jī)理和應(yīng)用工藝。特別是到70年代由于可調(diào)高速電機(jī)的出現(xiàn)，推動(dòng)了振動(dòng)消除應(yīng)力設(shè)備（VSR系統(tǒng)）的發(fā)展：1973年英國(guó)制成手提式VSR系統(tǒng)即VCM80，后來美國(guó)馬丁工程公司也研制出比較先進(jìn)的設(shè)備LT100R型VSR系統(tǒng)。法國(guó)和前蘇聯(lián)也分別生產(chǎn)出PSV和NB型VSR設(shè)備。這些比較先進(jìn)的激振

5、裝置，促進(jìn)了振動(dòng)消除應(yīng)力工藝的發(fā)展和應(yīng)用。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前世界上正在使用VSR系統(tǒng)約8萬多臺(tái)，美國(guó)采用振動(dòng)時(shí)效工藝的企業(yè)就有一千多個(gè)，前蘇聯(lián)和東歐的一些國(guó)家也在大量的使用，都獲得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益，許多國(guó)家都以將振動(dòng)時(shí)效定為某些機(jī)械構(gòu)件必須采用的標(biāo)準(zhǔn)工藝。在英國(guó)幾乎沒有一家機(jī)械企業(yè)不使用該項(xiàng)技術(shù)的。振動(dòng)處理在國(guó)外的應(yīng)用范圍較廣，被處理的構(gòu)件的類型也較多。例如：1、英國(guó)一家機(jī)床公司大型精密機(jī)床，其床身與立柱要求精度為0.01mm/2m。過去采用熱時(shí)效其精度保持性較差，后來改用振動(dòng)時(shí)效，滿足了精度的要求，因此現(xiàn)在已將振動(dòng)時(shí)效定為該項(xiàng)產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)工藝。英國(guó)生產(chǎn)的鋁合金鑄造精密泵體，其尺寸為275X300X1

6、50mm，也是采用振動(dòng)時(shí)效來保證其精度的。2、美國(guó)PX工程公司，用振動(dòng)的方法來消除8噸重的焊接構(gòu)結(jié)鉤齒輪的內(nèi)應(yīng)力，用以減少焊接裂紋。美國(guó)Pont Land電子專業(yè)公司，用振動(dòng)時(shí)效技術(shù)處理4噸重的鍛件。該公司規(guī)定對(duì)鍛件進(jìn)行三次振動(dòng)時(shí)效處理：（1）毛坯、（2）粗加工后、（3）精加工后。經(jīng)三次處理后保證了該鍛件的穩(wěn)定性。美國(guó)華盛頓鋼鐵公司，對(duì)該公司生產(chǎn)的47噸重的剪床座進(jìn)行振動(dòng)處理。剪床座是用152mm和203mm厚的鋼板焊接而成，加強(qiáng)筋為38mm和76mm的鋼板。這樣大而重的構(gòu)件只用40分鐘的振動(dòng)處理就可代替了過去的熱時(shí)效。而且不用般動(dòng)構(gòu)件。美國(guó)西北工藝公司對(duì)2800噸重的海洋鐵塔及1280噸重的

7、鉆井平臺(tái)也采用了振動(dòng)時(shí)效處理。3、英國(guó)對(duì)陸上井口平臺(tái)采用振動(dòng)時(shí)效，井口平臺(tái)是由管徑為200mm的鋼管焊成6m*6m*2m管型構(gòu)架。英國(guó)噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)火焰筒襯里，由于焊后熱膨脹而發(fā)生裂紋，報(bào)廢率在30%以上，后來采用振動(dòng)時(shí)效處理，報(bào)廢率幾乎為零。英國(guó)生產(chǎn)的所有機(jī)床床身都是采用振動(dòng)時(shí)效處理來代替熱時(shí)效。有三十多家機(jī)床廠和十幾家鍛壓設(shè)備廠都是將振動(dòng)時(shí)效作為標(biāo)準(zhǔn)的生產(chǎn)工藝。美、英等國(guó)在其它工業(yè)部門也大量地采用振動(dòng)時(shí)效，如造紙機(jī)械、船舶軸承廠、激光焊機(jī)、齒輪箱制造廠、紡織機(jī)械廠、軋鋼設(shè)備廠、印刷機(jī)械廠、泵制造廠、石油鉆采設(shè)備廠、發(fā)電設(shè)備廠、鍋爐廠等等都應(yīng)用了振動(dòng)時(shí)效技術(shù)來消除金屬構(gòu)件的應(yīng)力。自1975年以來

8、，該項(xiàng)技術(shù)在我國(guó)也得到了較大的發(fā)展和應(yīng)用。以北京機(jī)床研究所為首，在原一機(jī)部機(jī)床行業(yè)進(jìn)行推廣，此后在機(jī)床鑄件上取得了較大的進(jìn)展。同時(shí)以哈爾濱焊接研究所為主的在焊接領(lǐng)域進(jìn)行試驗(yàn)推廣，也取得了很大的突破。多年來，關(guān)于振動(dòng)時(shí)效對(duì)焊接構(gòu)件疲勞壽命的影響是國(guó)內(nèi)外專家極為關(guān)心和爭(zhēng)論的焦點(diǎn)問題，我國(guó)的一些單位做了許多研究，得出的結(jié)論是：振動(dòng)時(shí)效對(duì)金屬材料的力學(xué)性能有很大的影響，合理的振動(dòng)時(shí)效工藝可以提高構(gòu)件的疲勞壽命。這些結(jié)論為振動(dòng)時(shí)效在焊接構(gòu)件上的應(yīng)用奠定了理論基礎(chǔ)。國(guó)外技術(shù)工藝的要求使我國(guó)在振動(dòng)時(shí)效工藝的應(yīng)用上得到了很大的發(fā)展。佳木斯電機(jī)廠生產(chǎn)的出口電機(jī)由于國(guó)外廠家的要求，在電機(jī)殼體上使用振動(dòng)時(shí)效工藝，達(dá)

9、到了設(shè)計(jì)要求。大連橡塑機(jī)廠為美國(guó)生產(chǎn)的設(shè)備也要求用振動(dòng)時(shí)效處理來消除殘余應(yīng)力。這些都促進(jìn)了國(guó)內(nèi)振動(dòng)時(shí)效技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。現(xiàn)在我們生產(chǎn)的智能型振動(dòng)時(shí)效設(shè)備已經(jīng)使振動(dòng)時(shí)效的應(yīng)用變的非常方便，其振動(dòng)時(shí)效工藝的一部分已經(jīng)固化成工藝軟件，實(shí)現(xiàn)了智能化。其水平已經(jīng)達(dá)到或超過國(guó)外的同類產(chǎn)品的水平。振動(dòng)時(shí)效調(diào)整殘余應(yīng)力的機(jī)理： 為了降低和均化構(gòu)件內(nèi)的成型內(nèi)應(yīng)力，保持構(gòu)件的尺寸精度，生產(chǎn)上采用的方法大致可分為以下兩大類。第一類：使內(nèi)應(yīng)力大量消除，如熱時(shí)效（將構(gòu)件加熱到520-550保溫一段時(shí)間然后緩慢冷卻至室溫）一般可以消除殘余應(yīng)力的50-80%。 第二類：提高構(gòu)件的松弛剛度，而不大量消除內(nèi)應(yīng)力，如自然時(shí)效和加

10、載處理等。振動(dòng)時(shí)效的作用是以上兩類時(shí)效方法綜合的結(jié)果，它不僅大量消除和均化成型內(nèi)應(yīng)力（降低成型內(nèi)應(yīng)力35-80%），而且還可以有效的提高構(gòu)件的松弛剛度，提高構(gòu)件的抗動(dòng)載荷變形能力。 振動(dòng)消除應(yīng)力實(shí)際上就是用周期的動(dòng)應(yīng)力與殘余應(yīng)力疊加，使構(gòu)件局部產(chǎn)生塑性變形而釋放應(yīng)力。這里，殘余應(yīng)力是作為平均應(yīng)力提高周期應(yīng)力水平而起作用。振動(dòng)處理是對(duì)構(gòu)件施加一交變應(yīng)力，如果交變應(yīng)力幅與構(gòu)件上某些點(diǎn)所存在的殘余應(yīng)力之和達(dá)到材料的屈服極限時(shí)，這些點(diǎn)將產(chǎn)生塑性變形。如果這種循環(huán)應(yīng)力使某些點(diǎn)產(chǎn)生晶格滑移，盡管宏觀上沒有達(dá)到材料的屈服極限，也同樣會(huì)產(chǎn)生微觀的塑性變形，況且這些塑性變形往往是首先發(fā)生在殘余應(yīng)力最大的點(diǎn)上，因

11、此，使這些點(diǎn)受約束的變形得以釋放從而降低了殘余應(yīng)力。這就是用振動(dòng)時(shí)效可消除殘余應(yīng)力的機(jī)理。振動(dòng)消除殘余應(yīng)力是在交變應(yīng)力達(dá)到一定周次后實(shí)現(xiàn)的，這就是包辛格效應(yīng)的結(jié)果。一、 等幅荷載反復(fù)作用下金屬材料的應(yīng)力與應(yīng)變圖21是將試件在材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸，當(dāng)荷載為變幅遞升多次反復(fù)時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線示意圖。從圖中曲線可見，材料的屈服極限在逐漸提高，殘余變形再逐漸增大，最后導(dǎo)致破壞。而圖22是等幅（00）重復(fù)荷栽作用下的拉伸曲線示意圖。0為重復(fù)荷載的幅值，00從圖中可見，每次拉伸都使屈服點(diǎn)比前一次有所提高，滯回曲線面積減少，殘余變形減少。經(jīng)過若干次之后，殘余應(yīng)變?yōu)?，說明不再出現(xiàn)新的塑性變形，材料處于安定狀

12、態(tài)。這正是振動(dòng)時(shí)效力學(xué)機(jī)理的靜態(tài)模擬。二、振動(dòng)處理過程中材料的應(yīng)力和應(yīng)變振動(dòng)處理是對(duì)構(gòu)件施加一交變應(yīng)力，而殘余應(yīng)力相當(dāng)于平均應(yīng)力而改變了總應(yīng)力水平。但在交變應(yīng)力作用下，殘余應(yīng)力是一個(gè)不穩(wěn)定的力學(xué)量，在振動(dòng)處理過程中逐漸下降，使總應(yīng)力水平降低。從圖23中可以看到在振動(dòng)處理過程中殘余應(yīng)力的變化情況，當(dāng)材料受到等幅交變作用（cB）時(shí)，如果材料已經(jīng)屈服，則殘余應(yīng)力下降。設(shè)處理前的殘余應(yīng)力為A，回線ACB是第一次交變循環(huán)時(shí)的應(yīng)力和應(yīng)變曲線。當(dāng)總應(yīng)力超過A點(diǎn)后，材料進(jìn)入塑性直到C點(diǎn)。而C B又平行于彈性線，CB末端卻又偏離彈性線。這些現(xiàn)象都是由包辛格效應(yīng)所致。經(jīng)過一定次數(shù)的循環(huán)后應(yīng)力和應(yīng)變均處于穩(wěn)定的回線

13、上。如圖中曲線所示，殘余應(yīng)力由A下降到E而不再變化。圖23和圖21從原理上來說是相同的，都說明要使構(gòu)件中的殘余應(yīng)力下降，必須使作用應(yīng)力與殘余應(yīng)力疊加后大于材料的屈服極限，即： 動(dòng)+殘s如果殘余應(yīng)力下降后作用應(yīng)力與殘余應(yīng)力之和小于屈服極限時(shí)，則構(gòu)件保持穩(wěn)定的應(yīng)力狀態(tài)。因此振動(dòng)處理到一定周次后不提高作用應(yīng)力的量值，則繼續(xù)處理將不再起作用。三、殘余應(yīng)力與作用應(yīng)力關(guān)系的實(shí)驗(yàn)研究：Wozney等做了如下實(shí)驗(yàn)：對(duì)薄板試件（SAE1070, 7.61.90.13cm）進(jìn)行噴丸處理后,施加交變彎曲應(yīng)力，使殘余應(yīng)力發(fā)生變化。其結(jié)果如表24所示。殘余應(yīng)力是用X射線法測(cè)定的。試樣是噴丸處理的，試樣36是噴丸后又施加

14、了交變應(yīng)力。經(jīng)高應(yīng)力交變處理時(shí)，殘余應(yīng)力有明顯的下降。作用應(yīng)力低則殘余應(yīng)力變化小甚至不變化。圖25是根據(jù)這些結(jié)果表示的交變應(yīng)力作用下殘余平均應(yīng)力的變化規(guī)律。從圖中可見，當(dāng)處于彈性極限直線所包圍的內(nèi)部狀態(tài)時(shí)（例如試件），即使有應(yīng)力交變作用，平均應(yīng)力也不變化。而試樣46在交變應(yīng)力作用下，平均應(yīng)力都將向彈性極限直線移動(dòng)，這些都是在壓應(yīng)力狀態(tài)下應(yīng)力的變化情況。即使在拉應(yīng)力狀態(tài)下，也仍然是如此，如圖中B點(diǎn)，在交變拉應(yīng)力作用下向C點(diǎn)移動(dòng)，在A點(diǎn)時(shí)平均應(yīng)力就不發(fā)生變化。這些都和圖23所反映的規(guī)律是一樣的即作用應(yīng)力和殘余應(yīng)力之和必須大于材料的屈服極限時(shí)，平均應(yīng)力才能下降。表24 用振動(dòng)消除薄板試樣的殘余應(yīng)力試樣No試驗(yàn)后的應(yīng)力7MPa作用應(yīng)力 7MPa應(yīng)力范圍 7MPa周次1-2300（初始狀態(tài)）2-5100（噴丸處理）3-5135-86 -16270004-4170-121 +19270005-3785-126 +441006-3485-122 +4827000為盡量明確作用應(yīng)力與殘余應(yīng)力的關(guān)系，如圖26用板梁的振動(dòng)處理結(jié)果來說明，用一普通鋼制成的長(zhǎng)1200mm，寬120mm，厚16mm的板梁，在其上表面堆焊出兩條焊道，測(cè)其殘余應(yīng)力為150MPa左右。將板梁一端固定成