第四章 振動(dòng)時(shí)效原理
一、振動(dòng)時(shí)效的特點(diǎn)
振動(dòng)時(shí)效的實(shí)質(zhì)是以共振的形式給工件施加附加動(dòng)應(yīng)力，當(dāng)附加動(dòng)應(yīng)力與殘余應(yīng)力疊加后，達(dá)到或超過材料的屈服極限時(shí)，工件發(fā)生微觀或宏觀塑性變形，從而降低和均化工件內(nèi)部的殘余應(yīng)力，并使其尺寸精度達(dá)到穩(wěn)定。
其特點(diǎn)有：
1. 投資少
2. 生產(chǎn)周期短
3. 使用方便
4. 適應(yīng)性強(qiáng)
5. 節(jié)約能源，降低成本
6. 機(jī)械性能顯著提高
7. 符合環(huán)保要求
8. 操作簡單，易于實(shí)現(xiàn)機(jī)械自動(dòng)化。
9. 可避免金屬零件在熱時(shí)效過程中產(chǎn)生的翹曲變形、氧化、脫碳及硬度降低等缺陷。
二、振動(dòng)時(shí)效的機(jī)理
1. 從宏觀的角度分析，振動(dòng)時(shí)效使零件產(chǎn)生塑性變形，降低和均化殘余應(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。由振動(dòng)時(shí)效的加載試驗(yàn)結(jié)果可知，振動(dòng)時(shí)效件的抗變形能力不僅高于未經(jīng)時(shí)效的零件，也高于經(jīng)熱時(shí)效處理的零件。
2. 從微觀方面分析，振動(dòng)時(shí)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的動(dòng)應(yīng)力。
3. 從錯(cuò)位、晶格滑移等金屬學(xué)理論上解釋，其主要觀點(diǎn)是振動(dòng)時(shí)效處理過程實(shí)際上是通過在工件的共振狀態(tài)下，給工件的每一部位（晶格）施加一定的動(dòng)能量，如果施加的這個(gè)能量值與微觀組織本身原有的能量值之和，足以克服微觀組織周圍的井勢（恢復(fù)平衡的束縛力），則微觀區(qū)域必然會產(chǎn)生塑性變形，使產(chǎn)生殘余應(yīng)力的歪曲晶格得以慢慢地恢復(fù)平衡狀態(tài)，使應(yīng)力集中處的錯(cuò)位得以滑移并重新釘扎，達(dá)到消除和均化殘余應(yīng)力的目的。
三、振動(dòng)時(shí)效工藝過程
A.振動(dòng)工藝裝備如圖所示：它是將一個(gè)具有偏心重塊的電機(jī)系統(tǒng)(激振器)用卡具安放在工件上并將工件用膠墊等彈性物體支承。通過主機(jī)控制電機(jī)并調(diào)速，使工件處于共振狀態(tài)。一般工件經(jīng)30分鐘的振動(dòng)處理即可達(dá)到調(diào)整均化殘余應(yīng)力的目的。
主機(jī)：控制電機(jī)的啟動(dòng)及調(diào)速、信號的收集、處理、顯示及打印參數(shù)
激振器：強(qiáng)迫工件振動(dòng)并將電機(jī)轉(zhuǎn)速及激振頻率反饋回主機(jī)
拾振器：把振動(dòng)響應(yīng)如加速度幅值等反饋回主機(jī)
卡具：將激振器牢牢固定在工件正確位置上
膠墊：隔振、降噪，防跑件
B.工藝選擇
1、激振頻率：選擇共振區(qū)別明顯處，一般鑄件可以采用中頻大激振力，焊接件可分頻激振。
2、激振力：由構(gòu)件上最大的動(dòng)應(yīng)力來確定，即應(yīng)保證 σd+σr≥[σ]。Σd與構(gòu)件的材料和結(jié)構(gòu)有關(guān)，一般鑄件為∓2kgf/mm2,軟鋼件為∓7kgf/mm2。
3、激振時(shí)間：振動(dòng)的前10分鐘殘余應(yīng)力變化最快，20分鐘后趨于穩(wěn)定，一般認(rèn)為處理20-50分鐘即可。
工件重量（T） |
﹤1 |
1-3 |
3-6 |
6-10 |
10-50 |
﹥50 |
振動(dòng)時(shí)間（min） |
10 |
12 |
15 |
20 |
25 |
30-50 |
4、激振點(diǎn)和支撐點(diǎn)：支撐點(diǎn)應(yīng)該在工件振動(dòng)節(jié)點(diǎn)上，激振點(diǎn)一般在兩點(diǎn)支撐點(diǎn)間剛性較大的位置上。
5、用振動(dòng)時(shí)效過程中測出的動(dòng)態(tài)參數(shù)曲線，根據(jù)曲線的變化、現(xiàn)場，及時(shí)判斷振動(dòng)效果，是國內(nèi)外推薦認(rèn)可的方法。
振動(dòng)時(shí)效最重要的幾個(gè)參數(shù)是：“支撐點(diǎn)、振型、激振點(diǎn)、拾振點(diǎn)、加速度、固有頻率、時(shí)間。”其中振動(dòng)加速度、共振頻率、共振時(shí)間是決定時(shí)效工藝效果的主要參數(shù)。
振動(dòng)時(shí)效的實(shí)質(zhì)，是在工件的低頻亞共振點(diǎn)，穩(wěn)定地亞共振振動(dòng)15-30分鐘左右，使共振峰出現(xiàn)變化，內(nèi)部發(fā)生微觀的彈性塑性力學(xué)變化，從而實(shí)現(xiàn)時(shí)效目的。
振動(dòng)時(shí)效效果的判定方法
檢測振動(dòng)時(shí)效的效果實(shí)際上就是檢驗(yàn)工件中殘余應(yīng)力是否得以消除和均化，目前對殘余應(yīng)力的測試方法總的分為兩大類。一類是定量測量：如盲孔法、X射線法、磁測法、噴砂打孔法、切割法、套環(huán)法等；另一類是定性測試：如振動(dòng)參數(shù)曲線法、尺寸精度穩(wěn)定性法等。
一、振動(dòng)參數(shù)曲線法
一項(xiàng)振動(dòng)時(shí)效工藝是否成功，起最后的檢測方法應(yīng)是殘余應(yīng)力的變化率和尺寸精度保持性的測試。但在振動(dòng)處理過程中采用上述兩種參數(shù)是不可能的，它需要長時(shí)間和復(fù)雜的測試過程。通常在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用的控制過程中往往采用振動(dòng)時(shí)效前后幅頻特性參數(shù)曲線和振幅時(shí)間參數(shù)曲線測試法，并按JB/T5926-91標(biāo)準(zhǔn)中第4.1條款或JB/T10375-2002標(biāo)準(zhǔn)中的第6.2條款驗(yàn)收來實(shí)現(xiàn)。
（1） 幅頻特性曲線掃描法
在振動(dòng)處理過程中隨著殘余應(yīng)力的下降，構(gòu)件的內(nèi)阻尼減小，所以在幅頻特性曲線上所表現(xiàn)出的是固有頻率的下降，共振峰的增高、頻帶變窄。
（2） 振幅-時(shí)間曲線監(jiān)測法
幅-頻特性曲線是在振動(dòng)處理的前后進(jìn)行的，且頻率在不斷的改變。有時(shí)為了獲得更好的曲線還需要將激振力調(diào)到最�。ㄆ淖钚〉臋n級）。采用頻率不變的同時(shí)畫出振幅隨時(shí)間變化的曲線。這種方法既可以通過振幅的變化來控制振動(dòng)處理的有效時(shí)間，又可通過振幅的變化量來檢測殘余應(yīng)力的變化情況。
二、盲孔法
切割法和套環(huán)法具有較大的破壞性，因此目前應(yīng)用較為廣泛的殘余應(yīng)力測試方法是鉆盲孔法。就是在被測點(diǎn)上鉆一小孔，使被測點(diǎn)的應(yīng)力得到部分或全部釋放，并由事先貼在小孔周圍的應(yīng)變計(jì)測得釋放的應(yīng)變量，再根據(jù)彈性力學(xué)原理計(jì)算出殘余應(yīng)力來。這種方法具有較好的精度，因此它已成為應(yīng)用比較廣泛的殘余應(yīng)力測試方法之一。
三、尺寸精度穩(wěn)定法
尺寸精度穩(wěn)定法是根據(jù)定期對構(gòu)件尺寸精度的測量來實(shí)現(xiàn)的。它包括兩方面內(nèi)容：一方面是觀測構(gòu)件尺寸精度隨時(shí)間而發(fā)生的變化量，與熱時(shí)效或精度允差相比較；另一方面是要觀察構(gòu)件在靜、動(dòng)載荷作用后的尺寸精度變化量，同樣與傳統(tǒng)工藝（熱時(shí)效）相比，以鑒定振動(dòng)時(shí)效工藝的可行性。
