振動時效原理及應用
發布時間：2022/03/21
1. 振動時效原理
振動消除應力簡稱VSR(Vibratory Stress Relief)，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，降低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降低殘余應力，特別是危險的峰值應力。振動時效同樣可以降低殘余應力。零件在振動處理后殘余應力通常可降低20-30%，有時可達50-60%，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。
2、振動時效微觀機理
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。
振動時效實質是以振動的形式給工件施加附加應力，當附加應力σ動與殘余應力σ殘疊加后，達到或超過材料的屈服極限σs時，即
σ動+ σ殘≥ σs
工件發生微觀或宏觀塑性變形，從而降低和均化工件內的殘余應力，并使其尺寸精度達到穩定 。
3、振動時效提高構件抗變形能力和尺寸穩定性
3.1金屬材料學表明：在退火狀態下，位錯密度最低，材料的強度也最低;位錯密度的增加，材料的強度也增大，從而抗變形能力提高。
3.2振動時效后位錯密度有所增加
4、傳統振動時效應用上存在的問題
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，無法納入正式的工藝生產流程，也始終沒有受到廣泛企業的認可，得到大規模的應用。
4.1 亞共振時效方式
由低轉速掃描到電機額定轉速，尋找共振峰，在亞共振區確定主、附振頻率及掃頻范圍。在亞共振頻率進行幾十分鐘的振動處理。
4.2 亞共振技術存在的問題
(1) 對支撐點、激振點、拾振點及方向有嚴格要求，需要不斷的掃頻、調整位置。所以必須由受過專業培訓的人員操作設備，一般的工人即使受過培訓也很難掌握這項技術;工件在單件生產時調整相當繁瑣，拾振點、支撐點很難調到最佳狀態，一種工件就需要制訂一種工藝;人為地確定需處理共振峰，這對操作者的經驗要求也比較高;
(2) 因為是通過掃頻的方式尋找共振峰，而電機的轉速是有限的，當工件共振頻率超出激振器的頻率范圍時，通過掃描就無法找到工件共振頻率，因而無法對工件進行有效的振動處理。國家相關數據統計亞共振技術可處理的工件在機械制造業覆蓋面僅為23%。
(3) 有效振型較少，振動時效的應力消除不穩定，應力的消除不能達到最佳的結果;
(4) 噪聲過大也是難以推廣的主要原因。
5、頻譜諧波技術在振動時效領域的應用
在21世紀初一種新的振動時效技術在中國出現了，她摒棄了原有振動時效技術攻關方向，獨辟蹊徑，從另外一個全新的角度，去詮釋振動時效的價值。突破了原有的技術瓶頸，迎來了振動時效應用的一個全新時代。
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五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、材料特性均能找出五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，振動噪音低，在機械行業的覆蓋面已達到近100%。處理的轉速全部在6000RPM以下，也解決了亞共振設備噪音大的問題。
6、頻譜諧波時效應用領域
黑色金屬：碳素結構鋼、低合金鋼、不銹鋼、鑄鐵;
有色金屬(銅、鋁、鋅、鈦及其它合金)等材質構成的鑄件、鍛件、焊接件、機械加工件。
7、頻譜諧波時效應用行業
隨著振動時效技術在我國幾十年的研究應用和發展，現已應用到工業生產的各行各業中，如航天、航空、兵器、機床、汽車、模具、風電、船舶、鑄造、水泥機械、木工機械、包裝機械、工程機械、冶金機械、礦山機械、煤礦機械、紡織機械、重型機械、通用機械、電子生產設備、石油化工機械等幾十個行業。
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