振動時效設備 振動時效技術在礦用機械設備中的應用
1 引言
任何一個機械產品都必須保證預期的功能、壽命和安全可靠，并且技術先進，價格低廉。為 此，機械產品必須遵循一套完整的生產規(guī)程和科學質量管理。振動時效是近年來興起的新技 術，國際上稱之“VSR”技術。
振動時效(VSR)就是在激振設備周期性——激振力的作用下，使構件內殘余應力疊加，產生 局部屈 服，引起微小的塑性變形，使構件內殘余應力降低和重新分布，增強抗外載能力，從而提高 構件的尺寸精度穩(wěn)定性。
淮南煤礦機械廠在收集國內外大量資料及借鑒一些廠家成功經驗的基礎上，針對本廠中小型 零件較多的情況，開展了“振動臺法處理中小型工件”課題研究，逐步完善工藝，積累了一定的經驗。 先后對防爆電機 殼、出線箱、掘進機電控箱殼體、油箱體、真空過濾機殼體，液壓破碎機殼體等2800余件零、部件進行振動時效處理。其中絕大部分構件都是因半精加工后，發(fā)現構件存在夾砂、氣孔、 開焊、漏水等缺陷，為不使零件報廢而進行了較大面積補焊，而焊后的構件又因其加工余量小不能進行傳統(tǒng)的熱時效處理，而用振動時效來消除焊后內應力。
1 關于振動臺法處理中小型工件的可行性探討
為了闡述“振動臺法”處理中小型構件的金屬學原理，尚須借助大型構件振動時效機理進行 分析。
對工件施加激振力，使工件作簡諧振動，此時激振力在工件內部產生交變動應力σd ，σd與工件殘余應力σr疊加。因為σr在工件內部的分布是極不勻的，在某些應力集中區(qū)域的σr值往往是非 應力集中區(qū)域的若干倍，這就可能出現兩種情況：
(1)在應力集中區(qū)域σd+σr≥σs(σs為構件的屈服極限)，位錯開始運動，產生 局部滑移，甚至出現整體滑移。工件發(fā)生塑性變形，變形后變形區(qū)域的σr得以釋放。 由于塑性變形使這個區(qū)域出現加工硬化現象，結構上趨于穩(wěn)定，極大地減少缺陷。要想在這個區(qū)域繼續(xù)變形變得相對困難，變形就會向其它區(qū)域轉移。
(2)當變形區(qū)域轉移到σr值較小的區(qū)域時，即σd+σr＜σs時，由于金屬內部大 量位錯存在，而位錯 本身總是從高能位置向低能位置轉移，在附加交變應力σd的持續(xù)作用下，欲動位錯不斷 獲得能 量，使位錯開始運動。實際上在位錯運動過程中常受到晶界、雜質的阻礙，形成位錯塞積群 。由于σd的持續(xù)作用，塞積群中位錯數量不斷增加。由于障礙物的阻礙，在塞積群的前 沿形成 新的應力集中，致使該區(qū)域的殘余應力σr不斷增大，當增大到σd+σr≥σs時， 位錯滑移便在這個區(qū)域內發(fā)生，這個區(qū)域便發(fā)生塑性變形，同樣，該區(qū)域的σr得以釋 放。
在交變應力的反復作用下，工件發(fā)生循環(huán)硬化，松馳剛度得以提高，即工件的抗變形能力得以提高；同時，由于交變應力的作用，工件受到104～106次反復考曲，將出現適應現象 ；由于非彈性體逐步向彈性體過渡，使得工件在服役期間出現塑性變形的可能性大為降低。
對于上述振動時效機理和處理大型工件所具有的效果，已被國內許多制造廠家生產實踐證明 ，是大家已能接受的事實。而采用“振動臺法”對中小型工件振動時效處理是否同樣滿足上述機理及效果呢？
圖1 淮南煤礦機械廠振動臺（略）
圖1為淮南煤礦機械廠處理中小型工件的振動臺示意圖。其工件6底面與平臺7吻合均 勻；當螺母3緊固后工件不會彎曲，只是壓板4對工件有局部壓應力，由于此 壓應力只屬局部存在，不影響我們分析，故可忽略。
在振動時效開始時，工件的塑性變形尚未形成，此時工件內的應力為σd+σr，這種 情況與大件振動時效處理是相同的。隨著時間的增加，在σd的持續(xù)作用下，金屬晶體 有位錯運動，產生滑移的趨勢，即工件有發(fā)生塑性變形的趨勢。如果是大型工件處理，無論是采用自由支撐、懸臂支撐還是鉸支撐，工件都可毫無阻礙發(fā)生塑性變形。而“振動臺法” 卻是將中小型工件剛性地聯接在平臺上，工件的變形必須帶動平臺一起變形才能實現，平臺 相對工件又具有足夠的剛度，這就有一個十分關鍵的問題：裝夾在平臺上的工件在振動時效 處理時是不是發(fā)生塑性變形？這正是平臺振動與大型工件振動的區(qū)別所在。
激振力對工件持續(xù)做功，使得晶體中有位錯、滑移運動趨勢的小單元（首先在應力集中處） 不斷獲得能量，在激振力和激振時間足夠的情況下，這些不穩(wěn)定的小單元將克服阻力去實現 位錯、滑移運動。也就是說，盡管工件被剛性聯接在振動平臺上，而平臺的剛性又足夠大， 工件的塑性變形看來似乎不能發(fā)生，而事實上，只要σd+σr≥σs，工件就開始 屈服，位錯、滑移運動必然發(fā)生，這正是金屬晶體結構的力學性質所決定的。伴隨著這些運 動的是工件彈性變形能的儲量不斷增加，或者壓板、螺栓及平臺裝夾件彈性變形能的儲量不 斷增加，或者是兩者兼有之。
與大件振動時效處理不同的是：工件的應力由σd+σr過渡到σd+σ′r+σt (σt為剛性裝夾使得塑性變形后的工件 產生的裝夾應力；σ′r為剩余殘余應力)。由于工件金屬晶體發(fā)生位錯、滑移運動，而 這些運動又借助于σ′r才發(fā)生的，所以使得σr得以釋放，即｜σ′r｜＜｜σ r｜，尤其是在應力集中區(qū)域，｜σ′r｜≤｜σr｜。當振動完畢，激振器停止工 作，附加動應力σd＝0；當拆除對工件的裝夾后，工件與裝夾件立即發(fā)生彈性變形，隨之 又有σt＝0，那么工件的應力只剩下σ′r。由于｜σ′r｜＜｜σr｜，因 而可以認為：應用“振動臺法”處理中小型工件，同樣具有降低和均化殘余應力的作用，能 夠達到時效處理的目的。
此外，“振動臺法”處理工件同樣受到交變應力的反復作用，也將發(fā)生循環(huán)硬化和適應現象 ，使工件的抗變形能力和彈性性能得以提高。
綜上所述，我們認為：“振動臺法”對中小型工件的振動時效處理，原則上滿足大型工件振 動時效機理，從金屬學原理上能夠圓滿解釋，因此在理論上是可行的。
2 振動時效工藝制定
2.1 設備
振動時效設備主要包括6個部分。
(1)系統(tǒng)控制箱：為系統(tǒng)主機；
(2)電感箱：為主回路濾平電樞電流；
(3)激振器：包括直流電動機及偏心箱，是被振金屬構件的“振動源”；
(4)PP40四色打印機；
(5)加速度傳感器；
(6)橡膠墊及弓形卡。
2.2 操作要點
(1)將工件或平臺用橡膠墊支撐，使之水平并處于良好的彈性狀態(tài)。
(2)將激振器安裝在被振構件的波峰處（即金屬構件在自由振動情況下振幅最大處）。將激 振器調整在一檔處。
(3)將加速度傳感器固定在被振構件的波峰處。
(4)對金屬構件進行振動掃頻實驗，畫出振前G1－RPM特性曲線，如圖2，找出諧振頻率。
(5)在適當激振力條件下對金屬構件進行振動時效處理。畫出時效處理過程的加速度—時間 （G－T）特性曲線，如圖2中實線所示。
圖2 振動特性曲線（略）
(6)在掃頻實驗同等條件下進行振后再次掃頻實驗，畫出振后G2—RPM特性曲線，如圖2中 虛線所示。
(7)效果分析。比較振前G1—RPM與振后G2—RPM特性曲線之變化，可以看出振后比振前 峰值 頻率左移，幅值也有增加，另有G—T特性曲線的幅值G隨著振動時間的增加而增長，最后趨 于穩(wěn)定，由此快速判斷和分析出振動時效處理工藝效果來。
2.3 參數選擇
振動時效的參數選擇的最根本依據為動應力，即：σd+σr＞σs。其效果是以消 除內應力量值大小來檢查的，但在實際生產工藝中，對殘余應力測試是比較困難的，只有以處理過程中結構動態(tài)參數變化作為監(jiān)測參數。隨著應力變化的進行，殘余應力變化引起構件應力的變化，因此參數選擇的是否合理直接影響到處理效果。
2.3.1 共振頻率、波峰、波節(jié)、支撐點的確定
在第一次掃頻實驗后，從畫出的G1—RPM曲線中便可找出共振頻率，一般說，共振時被振金 屬 構件發(fā)出較大的嗡嗡聲，這時往構件上撒一些砂子，砂子產生劇烈地跳動，砂子聚攏處為波 節(jié)，反之為波峰。共振頻率是在電流值加速度值呈現最大值處相對應的頻率。 波峰、波節(jié)應反復找二、三次，使支撐位置更加合理，以便減小振動能量而獲 得較大的振動幅值。
2.3.2 激振力的選擇
應根據金屬構件的不同材質、幾何形狀以及重量等因素來確定所需要的激振力大小。 根據大量資料及實驗證明：鑄鐵件動應力在2～3.5kg/mm2之間，焊接構件動應力 大小 可用動態(tài)電阻應變儀來確定，若無此儀器時，也可根據被振金屬構件形態(tài)，依材料力學介紹 的 “理想體”來進行估算，一般在7kg/mm2左右。動應力大小的調整通過改變激振力大小 來完 成，改變激振力可以通過改變激振器上的偏心距來實現，激振力大小按公式來計算。PJ =0.01097n2pe/g
其中：PJ——激振力，kgf；
p——偏心輪重，kgf；
n——轉速，r/min；
e——偏心距，cm；
g——重力加速度，cm/s2。
淮南煤機廠使用的WZ—96A型設備，電機調速范圍為2000～10000r/min，各檔參考激振力如 表1所示。
根據被振金屬構件的形狀、材質及重量，經過反復試驗及國內廠家的實踐經驗，一般情況下 振動時間為：金屬構件重量＜1 t時，處理時間10～20min； 1～4.5t時，20～30 min；＞4. 5t時，30～35min。
采用“振動臺法”處理時，其重量應包括平臺、緊固夾具及工件的全部重量。
3 效果驗證
為檢驗振動時效工藝效果，我們曾對熱處理時效與振動時效兩種工藝方 法進行過尺寸精度穩(wěn)定性對比檢驗。
工件為JBQ3—11.4電動機機座，其形狀如圖3所示。工件材料均為Q235—A，鋼板組焊 成形，其毛重為49.2kg，加工后重量為37.8kg。
試驗方法。對18只焊接后毛坯，熱時效處理6只，振動時效處理6只，未時效處理6只。對18 只零件均 按圖3所示尺寸加工，其中未時效處理6只放余量1mm，防止零件報廢（圖中A－A、B－B為測 量尺寸分布點）。零件加工后進行分類編號測試記錄，并將其呈自由狀態(tài)放置水泥平臺上用 三點支撐，靜止3個月后再進行尺寸測試，其結果見表2。
表1 不同轉速下的激振力（略）
表2 不同處理方法的變形比較（略）
圖3 電動機機座（略）
本工件時效處理目的在于提高工件的精度穩(wěn)定性，通過驗證可以看出：振動時效處理對零件 精度穩(wěn)定性較理想。
我們通過多年來對振動時效技術的探討及應用，認為它是一項高效節(jié)能、工藝簡單、方便適 用、具有顯著經濟效益的新技術，但也有許多不足，如：施工中噪聲很大，不能改善工件的 切削性能，特別是對焊接件，它不能改善焊縫及熱影響區(qū)的組織和性能。所以它不能完全取代熱時效處理，這就要求我們在實踐中不斷地去完善它，使之能發(fā)揮更大的效益。