振動時效的應用及未來發展趨勢
發布時間：2021/06/28
1、振動時效概述
1.1振動時效原理
振動消除應力簡稱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力的目的。國內外大量的應用實例證明，振動時效對穩定零件的尺寸精度具有良好的作用。然而，對于振動時效穩定尺寸精度的機理，迄今為止尚無系統的、滿意的解釋。
從宏觀角度分析，振動時效使零件產生塑性變形，減小和均化殘余應力并提高材料的抗變形能力，無疑是導致零件尺寸精度穩定的基本原因。從分析殘余應力松弛和零件變形中可知，殘余應力的存在及其不穩定性造成了應力松弛和再分布，使零件發生塑性變形。故通常采用熱時效方法以消除和減小殘余應力，特別是危險的峰值應力。
振動時效同樣可以減小殘余應力。零件在振動處理后殘余應力通常可減小20%～30%，有時可達50%一60%，同時也可使峰值應力降低，使應力分布均化。
除殘余應力值外，決定零件尺寸穩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，振動時效同樣表現出明顯的作用。由振動時效的加載試驗結果可知，振動時效件的抗變形能力不僅高于未經時效的零件，也高于經熱時效處理的零件。通過振動而使材料得到強化，使零件的尺寸精度達到穩定。
從微觀方面分析，振動時效可視為一種以循環載荷的形式施加于零件上的一種附加應力。眾所周知，工程上采用的材料都不是理想的彈性體，其內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力集中。
當受到振動時，施加于零件上的交變應力與零件中的殘余應力疊加。當應力疊加的結果達到一定的數值后，在應力集中最嚴重的部位就會超過材料的屈服極限而發生塑性變形。這塑性變形降低了該處殘余應力峰值，并強化了金屬基體。而后，振動又在另一些應力集中較嚴重的部位上產生同樣作用，直至振動附加應力與殘余應力疊加的代數和不能引起任何部位的塑性變形為止，此時，振動便不再產生消除和均化殘余應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實踐中發現，振動時效不僅可以消除工件的殘余應力，而且振動時效后工件的強度指標也有很大提高。這就啟發我們，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、有阻尼系統的受迫振動問題。為了便于分析，我們將系統簡化為單自由度、有阻尼系統的受迫振動來進行分析，其力學模型見圖1。
其動力學方程為
公式(2)中：m表示激振器的質量，e表示偏心距，w表示轉速。可見激振力的大小隨偏心距e和轉速w2的增大而增大。因此在實際應用中，通過調整激振器的偏心和轉速可以對金屬材料工件施加交變動應力，而金屬材料在交變動應力的作用下會產生位錯運動。
交變動應力從零增大至峰值時，隨著外加動應力的增大，金屬材料位錯被激發，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力場使其鄰近晶粒的位錯有發生移動的趨勢。原有應力場較大地方的塞積首先得以開通，其應力集中得以釋放。交變動應力從最大值下降至零的過程中，位錯塞積群的平衡狀態破壞，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。隨著外加動應力的交變，上述過程不斷重復，內應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力最高、強度最弱的部位形成。振動處理后由于高內應力得以降低，分布均化，減小了應力集中的影響;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。
1.3振動時效特點
在機械制造、航空、化工器械、動力機械等行業中，用鋼、鑄鐵、有色合金等材料制造的各類零件成功地采用了振動時效。振動時效之所以得到各方面的普遍重視，是由于它具有如下特點：
(1) 投資少。與熱時效相比，它無需龐大的時效爐，可節省占地面積與昂貴的設備投資。現代工業中的大型鑄件與焊接件，如采用熱時效消除應力則需建造大型時效爐，不僅造價昂貴，利用率低，而且爐內溫度很難均勻，消除應力效果很差。采用振動時效可以完全避免這些問題。
(2) 生產周期短。自然時效需經幾個月的長期放置，熱時效亦需經數十小時的周期方能完成，而振動時效一般只需振動數十分鐘即可完成。而且，振動時效不受場地限制，可減少工件在時效前后的往返運輸。如將振動設備安置在機械加工生產線上，不僅使生產安排更緊湊，而且可以消除加工過程中產生的應力。
(3) 使用方便。振動設備體積小，重量輕，便于攜帶。由于振動處理不受場地限制，振動裝置又可攜至現場，所以這種工藝與熱時效相比，使用簡便，適應性較強。
(4) 節約能源，降低成本。在工件的共振頻率下進行時效處理，耗能極小。實踐證明，功率為186—746W的機械式激振器可振動150t以下的工件，故粗略計算其能源消耗僅為熱時效的3%～5%，成本僅為熱時效的8%～10%。
(5) 振動時效操作簡便，易于實現機械化自動化。可避免金屬工件在熱時效過程中產生的翹曲變形、氧化、脫碳及硬度降低等缺陷，是目前唯一能進行二次時效的方法。
2、振動時效的發展及在我國的應用
振動時效起源于二次世界大戰以后的歐美國家。在上世紀50年代前后，振動理論、測試技術和激振設備都得到迅速的發展。從而發現，在工件的共振頻率下進行振動，可以縮短振動處理時間，消除應力和穩定精度的效果更好，能源消耗也最少。同時，出現了相應的振動設備。這種新型的振動時效工藝和設備的出現，立即受到各國的高度重視，迅速應用于生產實踐中。現在，振動和控制設備日臻完善，振動時效已為十多個工業發達國家廣泛采用。
美國某應力消除公司擁有350臺振動時效設備，進行過5000多項振動時效處理。英國和德國對飛機裝配架的焊接梁和框架普遍采用了振動時效。前蘇聯金屬切削機床實驗科學研究院將振動時效工藝推薦給各機床廠，某些重型機床廠的大件和基礎零件全部采用了振動時效。
在能源緊缺、生態環境越來越惡化的形勢下，高效節能減少環境污染的VSR工藝近二三十年來在國外得到迅速發展。現在，美、英、德、法、俄、加、比、羅、日等國均已不同程度地把VSR工藝應用于航空、海洋、鉆探、礦山、機床、紡織、造紙、石油運輸等各種輕重工業的鑄、鍛、焊件以及有色金屬工件中。美國、德國、法國、英國都有世界知名的VSR設備制造商。
振動時效(VSR)20世紀70年代被引進我國。1974年北京機床研究所正式將VSR工藝列為研究課題，開始進行機床鑄鐵件應用VSR工藝及設備的研究工作，經過幾年的研究，確定了VSR的基本工藝方法，肯定了VSR效果。隨著研究的進行和深入，在“六五”期間VSR又被列為中國38項重點攻關任務分子項“提高機床鑄件質量的研究”內容之中，由北京機床研究所負責進行VSR工藝實用性研究。按期完成研究任務，“六五”總鑒定，VSR工藝研究達到了世界先進水平。“七五”期間北京機床研究所又承擔國家重點課題“消化吸收重大項目一條龍數控機床焊接構件振動時效工藝研究”。
“七五”后我國VSR工藝成熟、完備，VSR設備也達到世界先進水平，基本滿足VSR工藝要求。“八五”VSR被國家科委、機電部、國務院生產辦列為“八五”六大重點推廣技術之一。1999年原國家經貿委又將其列入全國重點推廣項目;1999年7月中國機械工程學會又成立了消除應力技術委員會，我國就有了專門研究應力與變形的國家級學術組織;2000年原國家經貿委又將新一代VSR設備列為國家級重點技術創新項目;2001年原國家經貿委立項支持標準制修訂工作，同年8月中國機械工業聯合會發布文件，正式將振動消除應力技術納入機床制造標準，接著將把振動消除應力技術制修訂到鑄、鍛、焊基礎件以及各制造業制造標準。2003年全國科協大會選定振動時效作為大會宣讀論文。在2008年，國防科工委又頒布了振動時效。這一切為振動消除應力技術的發展和應用起到了極大的推動作用。
VSR在中國從無到有，現在已有幾千臺VSR設備在我國的機床、模具、鍛壓、鑄造、木工、航空、航天、冶金、礦山、鐵道、造船、紡織、核電站等行業運行。
但因為傳統的振動時效還存在著諸多的問題，始終沒有被大多數企業納入正式的工藝流程，在國內外機械制造領域仍普遍采用熱時效處理方式。
3、頻譜諧波技術在振動時效領域的應用
振動時效技術雖然在高效、節能、環保等方面有著非常明顯的優勢，但傳統的振動時效技術也就是亞共振技術也確實存在著幾十年未能解決的技術難題，無法納人正式的工藝生產流程，始終沒有受到廣泛企業的認可，未得到大規模的應用。
在振動時效技術的繼續提高上，各國的研究者把如何提高激振器的轉速，以期解決高剛性材料的找頻問題，以及如何合理地制定各種工件的振動工藝方案作為了主要研究和突破方向。但似乎進入了一個技術瓶頸，電動機轉速的提高面臨著諸多的技術難題，新材料、新設備的不斷出現，也使工藝方案的制定變得紛繁復雜。
同時，也沒有解決振動時，需要電動機在高轉速運行所產生的噪聲大;工作電流高，電動機發熱的問題。
振動時效在20世紀的后二三十年進入了一個發展緩慢的階段，但隨著電子設備的快速發展，在控制器方面逐漸從簡單的人工控制發展到單片機，再到電腦控制，使用設備控制，使用監控越來越方便快捷，但關鍵性的問題——覆蓋面低、噪聲高、振型少、應力消除效果不好、工藝方案人工干預較多、制定復雜的問題沒有得到實質性的解決。
振動時效在企業的應用也進入了一個低潮期。原先購置的設備，或者閑置，或者只能在實驗室里作為實驗研究課題用機。高污染、高能耗的熱時效爐繼續被沿用下來。振動時效留給企業的似乎只有陰影。
在21世紀初，一種新的振動時效技術——頻譜諧波技術在中國出現了，它摒棄了原有振動時效技術攻關方向，突破了原有的技術瓶頸。因為其獨有找頻方式與處理頻率，被稱為頻譜諧波技術。
頻譜諧波技術不再沿用原有的掃頻方式，而是通過傅立葉方法對工件進行頻譜分析找出工件的幾十種諧波頻率，在這幾十種諧波頻率中優選出對消除工件殘余應力效果最佳的5種不同振型的諧波頻率進行時效處理，達到多維消除應力提高尺寸精度穩定性的目的。
頻譜諧波方式不論工件大小、頻率剛性高低、材料特性，均能找出5種不同振型的諧波峰。不受激振器的轉速范圍限制，對激振點和拾振點無特殊要求，能夠處理亞共振無法處理的高剛性、高固有頻率工件，能夠滿足對尺寸精度要求高的工件，振動噪聲低，在機械行業的覆蓋面已達到100%。處理的轉速全部在6000r/rain以下，也解決了亞共振設備噪聲高的問題(表1)
這種新技術的專利發明人是北京翔博科技，他們生產的采用頻譜諧波技術的“領航者消除應力專家系統”已經率先在中國航空、航天、兵器等高精尖行業得到了充分應用，解決了行業多年困擾的問題，被納入正式的工藝定型方案。
4、振動時效應用的未來
近年來，節約能源、減少排放已經成為各國政府的重點工作。
今年全國兩會，“碳達峰”“碳中和”備受關注。國務院總理李克強在政府工作報告中提出，要扎實做好碳達峰、碳中和各項工作，制定2030年前碳排放達峰行動方案。
在機械制造行業，一些明顯高能耗、高污染的工藝手段，會受到很大的限制。振動時效有著熱時效不可比擬的節能減排優勢，而且在其他方面也有部分優于熱時效。而頻譜諧波技術在振動時效領域的應用，使振動時效取代熱時效已經成為可能，而且是必然發展方向。
