振動時效工藝的發(fā)展及應(yīng)用
用振動的方法消除金屬構(gòu)件的殘余應(yīng)力技術(shù)，于1900年在美國就取得了專利。但由于人們長期使用熱時效，加上當(dāng)時對振動消除應(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，因此該項技術(shù)一直未得到發(fā)展和應(yīng)用。
直到60年代由于能源危機(jī)，美國、英國、日本、聯(lián)邦德國等國才又開始研究振動時效的機(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)，推動了振動消除應(yīng)力裝置（VSR系統(tǒng)）的發(fā)展：1973年英國制成手提式VSR系統(tǒng)即VCM80，后來美國馬丁工程公司也研制出比較**的設(shè)備LT-100R型VSR系統(tǒng)。法國和蘇聯(lián)也分別生產(chǎn)出PSV型和NB型VSR系統(tǒng)。這些比較**的激振裝置，促進(jìn)了振動消除應(yīng)力工藝的發(fā)展和應(yīng)用。
國內(nèi)開展這項工作比較晚，首先由孫照清總工程師等老一輩的工程技術(shù)專家74年出國考察訪問時，把這項技術(shù)帶回國內(nèi)，并開始在機(jī)械部、航空部研究一直，并于“六五”期間在機(jī)械部提出的攻關(guān)課題之一----------提高機(jī)床鑄件產(chǎn)品質(zhì)量的大課題里面確定了“振動時效可行性研究”這一子課題，并*由北京擊穿研究所和四大機(jī)床廠來完成這一課題，我們在七九年自行研制成功交流串激式振動時效簡易設(shè)備的基礎(chǔ)上不斷地試驗研究，經(jīng)過幾年的努力與其他兄弟院所工廠一期取得了一定的成果，證明振動時效工藝的可行性，機(jī)床所大連理工大學(xué)、撫順石油機(jī)械學(xué)院等對機(jī)理也進(jìn)行了較深入的研究。由于受當(dāng)時簡易設(shè)備的限制，一些工藝參數(shù)很難測得也限制了這項技術(shù)的研究和應(yīng)用，于是八五年機(jī)械部特批貳萬伍千美金，我們與美國馬丁公司合作引進(jìn)了一整套當(dāng)時世界上的VSR-790型振動時效設(shè)備及相關(guān)技術(shù)。為進(jìn)一步推動振動時效工藝研究和設(shè)備的開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。后來隨著使用振動時效設(shè)備的廠家不斷增多和不少院校對這項技術(shù)深入的研究。特別是九一年JB/T5926-91《振動時效工藝參數(shù)選擇及技術(shù)要求》標(biāo)準(zhǔn)的誕生，使得這項技術(shù)得以較快的推廣和發(fā)展，到目前為止，我國已有幾千臺振動時效設(shè)備投入使用，涉及領(lǐng)域包括機(jī)床、冶金、航空、航天、**、輕工、電力、紡織、風(fēng)機(jī)、建筑、造紙等機(jī)械制造行業(yè)。

近十多年來，國內(nèi)外使用振動處理方法消除金屬構(gòu)件內(nèi)的殘余應(yīng)力，以代替熱時效。這種新技術(shù)在國外被稱做“Vibratory Stress Relief Method”（簡稱VSR）。由于這種方法可以降低或均化構(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，可以減少變形。
圖1.1振動處理構(gòu)件設(shè)備布置圖
穩(wěn)定精度，可以防止或減少由于熱時效和焊接產(chǎn)生的微觀裂紋的發(fā)生。特別是在節(jié)省能源、縮短周期上具有明顯的效果，因此被許多國家大量使用。我們在該項技術(shù)的機(jī)理和應(yīng)用研究上，近些年來都取得了較大的進(jìn)展。
§1—1 振動時效的特點及其發(fā)展概況
一、振動時效工藝的簡單程序
振動處理技術(shù)又稱做振動消除應(yīng)力，在我國又稱做振動時效。它是將一個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)件用橡皮墊等彈性物體支承，如圖2.1所示。通過控制器起動電機(jī)并調(diào)節(jié)其轉(zhuǎn)速，使構(gòu)件處于共振狀態(tài)。約經(jīng)20~30分鐘的振動處理即可達(dá)到調(diào)整殘余應(yīng)力的目的。
可見，用振動時效技術(shù)是十分簡單和可行的。
二、振動時效工藝特點
振動時效之所以能夠部分地取代熱時效，是由于該項技術(shù)具有一些明顯的特點。
1．機(jī)械性能顯著提高
經(jīng)過振動處理的構(gòu)件其殘余應(yīng)力可以被消除30%~80%左右，高拉應(yīng)力區(qū)消除的比低應(yīng)力區(qū)大。因此可以提高使用強(qiáng)度和疲勞壽命，降低應(yīng)力腐蝕。
可以防止或減少由于熱處理、焊接等工藝過程造成的微觀裂紋的發(fā)生。
可以提高構(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)備簡單易于搬動，因此可以在任何場地上進(jìn)行現(xiàn)場處理。它不受構(gòu)件大小和材料的限制，從幾十公斤到幾百噸的構(gòu)件都可使用振動時效技術(shù)。特別是對一些大型構(gòu)件無法使用熱時效處理時，振動時效就具有更加**的優(yōu)越性。
3．節(jié)省時間、能源和費用
振動時效只需30分鐘即可進(jìn)行下道工序。而熱時效至少需一至二天以上，且需大量的煤油、電等能源。因此，相對于熱時效來說，振動時效可節(jié)省能源90%以上，可節(jié)省費用90%以上，特別是可以節(jié)省建造大型燜火窯的巨大投資。

時效方法簡介
構(gòu)件在冷熱加工過程中，必然產(chǎn)生殘余應(yīng)力，因此消除殘余應(yīng)力的時效工序就十分必要了，凡是能降低殘余應(yīng)力，使工件尺寸精度穩(wěn)定的方法都叫“時效”。主要方法有熱時效、自然時效、振動時效、靜態(tài)過載時效、熱沖擊時效等。后兩種方法應(yīng)用少不再講述。
§3.1自然時效
自然時效是較古老的時效方法。它是把構(gòu)件露天放置于室外，經(jīng)過幾個月至幾年的風(fēng)吹.日曬.雨淋和季節(jié)溫度的變化，給構(gòu)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)生松弛而使尺寸精度獲得穩(wěn)定。
自然時效降低的殘余應(yīng)力不大，但對工件尺寸穩(wěn)定性很好，原因是工件經(jīng)過長時間的放置石墨及其它線缺陷附近產(chǎn)生應(yīng)力集中，發(fā)生了塑性變松弛了應(yīng)力，同時也強(qiáng)化了這部分基體，于是該處的松弛剛度也提高了，增加了這部分材質(zhì)的抗變形能力，自然時效降低了少量殘余應(yīng)力，卻提高了構(gòu)件的松弛剛度，對構(gòu)件的尺寸穩(wěn)定性較好，方法簡單易行，但生產(chǎn)周期長.占用場地大，不易管理，不能及時發(fā)現(xiàn)構(gòu)件內(nèi)的缺陷，已逐漸被淘汰。

殘余應(yīng)力
§2.1殘余應(yīng)力分類
在各種金屬構(gòu)件加工制造過程中，構(gòu)件內(nèi)部不可避免地會產(chǎn)生殘余應(yīng)力。生產(chǎn)過程中應(yīng)力產(chǎn)生主要工藝分為：鑄造殘余應(yīng)力、焊接殘余應(yīng)力、壓力加工殘余應(yīng)力、切削加工殘余應(yīng)力、熱處理殘余應(yīng)力、鍍層殘余應(yīng)力、表面硬化處理殘余應(yīng)力、校直殘余應(yīng)力等。
§2.2殘余應(yīng)力的產(chǎn)生
各種機(jī)械加工一如鑄造、切削、焊接、熱處理、裝配等都會使工件內(nèi)部出現(xiàn)不同程度的殘余應(yīng)力。從殘余應(yīng)力產(chǎn)生的原因來講，可分成如下幾類：
1. 由于機(jī)械加工產(chǎn)生不均勻的塑性變形引起的殘余應(yīng)力。
2. 由于溫度不均勻造成的局部熱塑性變形或相變作用引起的不均勻塑性變形而產(chǎn)生的殘余應(yīng)力。
3. 由于裝配公差產(chǎn)生的殘余應(yīng)力。
此外還有化學(xué)變化等多種原因都可產(chǎn)生殘余應(yīng)力。
由于產(chǎn)生殘余應(yīng)力的原因不同，因此構(gòu)建內(nèi)殘余應(yīng)力的分布和良知也不相同。某點的終殘余應(yīng)力的量值，是由各種原因產(chǎn)生的殘余應(yīng)力的綜合值。
現(xiàn)將產(chǎn)生殘余應(yīng)力的幾種主要原因的力學(xué)模型分述如下。
一、 機(jī)械加工引起的殘余應(yīng)力
這是金屬構(gòu)件在加工中易產(chǎn)生的殘余應(yīng)力。當(dāng)施加外力時，物體的一部分出現(xiàn)塑性變形，卸載后，塑性變形部分限制了與其相鄰部分變形的恢復(fù)，因而出現(xiàn)了殘余應(yīng)力。
這種由局部塑性變形引起的殘余應(yīng)力，在很多加工工藝中均會出現(xiàn)，如鍛壓、切削、冷撥、冷彎等等。這種殘余應(yīng)力往往是很大的。
二、 溫度不均勻引起的殘余應(yīng)力
大多數(shù)金屬都不是純彈性或純塑性材料，在冷卻過程中往往會發(fā)生塑性至彈性的轉(zhuǎn)變。以鑄鐵件和碳鋼焊接件為例；無論是鑄造和焊接均需要將構(gòu)件加熱到800℃以上。加工后放在自然溫度環(huán)境中，構(gòu)件都要經(jīng)過這個塑性—彈性轉(zhuǎn)變溫度區(qū)間700---400℃，由于構(gòu)件冷卻是從外到內(nèi)的，就會產(chǎn)生外部成彈性溫度區(qū)間，而構(gòu)件內(nèi)部還處在塑性溫度區(qū)間，通俗的講就是構(gòu)件外部已經(jīng)固化，而內(nèi)部因為繼續(xù)冷卻而收縮，構(gòu)件外部不讓其收縮產(chǎn)生殘余應(yīng)力。

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