编号：22110101 日期：2022-11-1
项目公司：
振动时效消除应力方案
一、应力的产生；各种机械加工一如铸造、切削、焊接、热处理、装配等都会使工件内部出现不同程度的残余应力。从残余应力产生的原因来讲，可分成如下几类：
1. 由于机械加工产生不均匀的塑性变形引起的残余应力。
2. 由于温度不均匀造成的局部热塑性变形或相变作用引起的不均匀塑性变形而产生的残余应力。
3. 由于装配公差产生的残余应力。
此外还有化学变化等多种原因都可产生残余应力。
由于产生残余应力的原因不同，因此构建内残余应力的分布和良知也不相同。某点的最终残余应力的量值，是由各种原因产生的残余应力的综合值。
现将产生残余应力的几种主要原因的力学模型分述如下：
1、机械加工引起的残余应力
这是金属构件在加工中最易产生的残余应力。当施加外力时，物体的一部分出现塑性变形，卸载后，塑性变形部分限制了与其相邻部分变形的恢复，因而出现了残余应力。
这种由局部塑性变形引起的残余应力，在很多加工工艺中均会出现，如锻压、切削、冷拨、冷弯等等。这种残余应力往往是很大的。
2、温度不均匀引起的残余应力
大多数金属都不是纯弹性或纯塑性材料，在冷却过程中往往会发生塑性至弹性的转变。以铸铁件和碳钢焊接件为例；无论是铸造和焊接均需要将构件加热到800℃以上。加工后放在自然温度环境中，构件都要经过这个塑性—弹性转变温度区间700---400℃，由于构件冷却是从外到内的，就会产生外部成弹性温度区间，而构件内部还处在塑性温度区间，通俗的讲就是构件外部已经固化，而内部因为继续冷却而收缩，构件外部不让其收缩产生残余应力。
二、关于振动时效消除应力的原理
近二十多年来，国内外出现了“振动处理技术”用来调整金属构件内的残余应力，以代替热处理技术，它属于机械作用法。这种新技术在国外被称做“Vibratory Stress Relief Method”（简称VSR）。由于这种方法可以降低或均化金属构件内的残余应力，因此可以提高构件的使用强度，减少变形，可以防止或减少由于热处理和焊接产生的微观裂纹。特别是在节省能源、处理时间上具有明显效果，因此被许多国家大量使用。
振动消除应力实际上就是用周期的动应力叠加，使局部产生塑性变形而释放应力。振动处理时，通过激振器对被处理金属构件施加一动应力，如果动应力幅与被处理的金属构件上某些点所存在的残余应力之和达到或超过材料的屈服极限时，这些点将产生晶格滑移，尽管宏观上没有达到屈服极限，也同样会产生微观的塑性变形，而且这种塑性变形往往是首先发生在残余应力最大的点上，使这些点受约束的变形得以释放从而降低了残余应力。这就是振动时效消除残余应力的机理。即
σ动+σ残>σs
式中：σ动——施加在被处理件上的周期动应力。
σ残——被处理件中的残余应力。
σs ——被处理件材料的屈服极限。
根据上述机理和大量实践，表明振动时效的一个突出特点是：高应力降低的比例大，特别是应力集中处，残余应力降低快。
由于振动时效的上述作用，使该项技术得到厂矿企业和国家的重视和认可，1991年制定了国家行业标准JB/T5928.91（现实行JB/T10375-2002），并在1993年被国家科委批准为“国家级科技成果重点推广计划”项目，在全国普遍推广。有机床、重型机械、冶金设备、造船、铁路、化工机械、汽车制造、核工业等机械构件都可以采用振动时效来消除应力，代替原热时效工艺。特别是振动消除应力近几年运用到国防、航空、航天等高新技术中，其中高速铁路，航天飞机发行架均采用了振动消除应力技术。
三、振动时效处理对金属构件的作用
振动时效是对具有残余应力的金属构件进行振动处理，使构件在共振频率下振动。由于在共振状态下构件按一定的振型产生弹性变形而产生动应力，当这个动应力与构件上各点的残余应力相叠加后，大于材料的屈服极限，则在该点出现局部的塑性变形，因而应力得到释放。所以振动时效从原理上来说，就是降低构件内的残余应力。应力降低的水平与构件内的动应力大小有关，动应力大则消除应力的效果高，动应力小，消除应力的效果也低。
振动时效既然可以降低应力，则必然可以消除或降低残余应力对构件的影响。其作用有如下几方面：
①降低和均化应力，消除应力集中，防止裂纹
因为振动过程中残余应力大的点首先进入屈服，所以高应力点下降的比例大，使应力均化程度高，从而降低应力集中而防止裂纹。
②减少或防止构件变形
构件的变形是由于残余应力特点造成的，因为残余应力的分布和量值具有很大的随机性，分布不均且量值差别太大，所以容易产生变化，即可变性。残余应力的变化，必然使构件产生变形，因此在使用前或安装前，通过振动时效使应力降低和均化，必然防止或减少变形。
③提高焊接构件的疲劳寿命，增加使用周期
通过大量的实验和实践证明，振动时效可提高焊件的疲劳寿命50%以上，提高使用寿命0.5~1倍。
由于振动时效的上述作用，使该项技术得到厂矿企业和国家的重视和认可，1991年制定了国家行业标准JB/T5926.91，并在1993年被国家科委批准为“国家级科技成果重点推广计划”项目，在全国普遍推广。
四、振动时效具有的特点：
1）投资少，生产周期短
2）使用方便，适应性强
3）节约能源，降低成本
4）机械性能显著提高
5）符合环保要求
6）操作简单，易于实现机械自动化。
7）可避免金属零件在热时效过程中产生的翘曲变形、氧化、脱碳及硬度降低等缺陷。
振动时效优于热时下的特点在于：
被处理工件的机械性能显著提高：经过振动处理的构件其残余应力，高拉应力区消除的比低应力区大。因此可以提高使用强度和疲劳寿命，降低应力腐蚀。可以防止或减少由于热处理、机加工等工艺过程造成的微观裂纹的发生。可以提高构件抗变形的能力，稳定构件的精度，提高机械质量。
使用简单效率高：由于设备简单易于搬动，因此可以在任何场地上进行现场处理。它不受构件大小和材料的限制，从几十公斤到几百吨的构件都可使用振动时效技术。特别是对一些大型构件无法使用热时效处理时，振动时效就具有更加突出的优越性。
减少污染节约能源能源和费用：振动时效只需30分钟即可进行下道工序。而热时效至少需一至二天以上，且需大量的煤油、电等能源。因此，相对于热时效来说，振动时效可节省能源95%以上，可节省费用95%以上，特别是可以节省建造大型焖火窑的巨大投资。
五、振动时效工艺的简单程序
振动时效，它是在激振器的周期性外力（激振力 ）的作用下，使被处理的工件产生共振，并通过这种共振方式将一定的振动能量传递到工件的所有部位，使工件内部发生微观的塑性变形—被歪曲的晶格逐渐恢复平衡状态。位错重新滑移并钉扎，从而使工件内部的残余应力得以消除和均化，最终防止工件在加工和使用过程中变形和开裂，保证工件尺寸精度的稳定。
振动时效的实质，是在工件的低频亚共振点，稳定地亚共振振动15-30分钟左右，使共振峰出现变化，内部发生微观的弹性塑性力学变化，从而实现时效目的。
根据振动时效工艺标准，采取如下方案：
1）激振频率：选择共振区别明显处，一般铸件可以采用中频大激振力，焊接件可分频激振。
2）激振力：由构件上最大的动应力来确定，即应保证σd+σr≥[σ]。Σd与构件的材料和结构有关，一般铸件为∓2kgf/mm2,软钢件为∓7kgf/mm2。
3）激振时间：振动的前10分钟残余应力变化最快，20分钟后趋于稳定，一般认为处理20-50分钟即可。
4）激振点和支撑点：支撑点应该在工件振动节点上，激振点一般在两点支撑点间刚性较大的位置上。
5）根据振动实效设备打印出的手动模式曲线或自动模式曲线对照国家机械行业 JB/T10375—2002标准中的相应条款来看振动实效效果。
6）对于不容易直接装卡的小型构件或刚度较强的构件，其共振频率会很高，一般采取降频措施，主要的降频措施包括：悬臂，串联和平台等方法 。
六、平台振动时效工艺
对于不容易直接装卡的小型构件或刚度较强的构件，其共振频率会很高，一般采取降频措施，主要的降频措施包括：悬臂，串联和平台等方法 。
总结起来说设计振动台必须牢记以下原则：
1、首先要保证振动台的刚度应大于工件的刚度。
2、应使振动台和工件组成一体系的中性面接近工件和振动台的接触面。
3、振动台的大小应以工件的大小及批量来确定。
4、振动台上工件的布置应以工件获得最大能量为原则
根据工件的加工工艺及流程拟采用：
1、针对工件用平台时效工艺，把工件摆放在平台上，用压板固定住，平台4点橡胶垫支撑，激振器采用C型卡具工装方式固定，以平台振动带动工件振动达到去应力的效果。每次振动时效时间为30分钟（时间可调整）。振动时效设备推荐型号“VSR-80振动消除残余应力系统”，激振器采用1200W。
平台参数：长1500mm 宽 800mm 厚 30mm (暂定可调整)
根据工件尺寸在平台上打孔，攻丝，每个工件用压板阀固定在平台上
工艺示意图如下：
七、振动时效与热时效数据对比
|
工件 图号 |
时效 方式 |
热时效 |
检测 记录 |
时效 方式 |
振动时效 |
检测 记录 |
||||
|
测点 序号 |
测试 状态 |
σ1 MPa | σ2 MPa | θ | 消除率% | σ1 MPa | σ2 MPa | θ | 消除率% | |
| A1 | 时效前 | +00026.66 | +00003.59 | -00025.25 | +00157.46 | +00045.16 | +00028.54 | |||
| 时效后 | +00005.32 | -00008.32 | -00040.79 | 80.0% | +00039.83 | +00032.73 | +00019.15 | 74.7% | ||
| A2 | 时效前 | +00065.17 | +00019.33 | +00031.43 | +00058.48 | +00042.58 | -00029.88 | |||
| 时效后 | +00032.38 | +00022.37 | +00006.90 | 50.3% | +00030.27 | +00025.04 | -00031.56 | 48.2% | ||
| B1 | 时效前 | +00028.44 | +00003.31 | +00038.71 | +00068.09 | +00058.32 | -00015.18 | |||
| 时效后 | +00011.50 | -00000.62 | +00038.48 | 59.6% | +00035.94 | +00032.06 | -00018.63 | 47.2% | ||
| B2 | 时效前 | +00141.10 | +00053.77 | +00024.86 | +00089.28 | +00030.66 | +00038.72 | |||
| 时效后 | +00086.61 | +00077.14 | +00036.74 | 38.6% | +00049.34 | +00037.03 | +00029.28 | 44.7% | ||
| C1 | 时效前 | +00146.17 | +00067.70 | +00024.78 | +00039.71 | +00035.41 | +00015.48 | |||
| 时效后 | +00034.59 | +00018.16 | +00033.82 | 76.3% | +00015.42 | +00009.64 | -00037.28 | 61.1% | ||
| C2 | 时效前 | +00177.88 | +00072.69 | +00023.38 | +00030.20 | +00010.28 | +00009.93 | |||
| 时效后 | +00051.89 | +00044.99 | -00037.15 | 70.8% | -00035.31 | -00131.31 | +00023.56 | 51% | ||
八、时效设备
VSR-80型便携式多功能振动时效系统
产品描述：
该系统采用单片机数字信号处理技术，铝合金整体结构面板，所有部件镶嵌在面板内部，结构紧凑屏蔽性能好，杜绝了外来信号的干扰。9.7吋液晶操作平台可以90度方向进行调节，可调节最佳操作角度。具备全自动、半自动、智能、手动、振动焊接等功能一体的多功能振动时效系统。动应力分析可在扫频及时效过程中实时动态跟踪振动加速度状态，判断振动时效工艺的实施。全智能化菜单模式设计时效工艺过程简单、实用、高效，全过程柔性控制，既节约时间又提高了系统的使用寿命。触摸屏操作可直接输入汉字、数字及英文字母编辑，时效参数图形化处理，在线显示时效a-n、a-t曲线的时效过程参数。也可通过USB接口读取振动时效曲线数据，并以报告的形式保存及打印。
系统参数：
| VSR-80型系统参数 | |
| 名称 | 参数 |
| 扫频范围 | 2000～8000（r/min） |
| 激振力范围 | 0～35（kn） |
| 额定功率 | 1.2（kw） |
| 处理工件范围 | 0-10（吨） |
| 额定电流 | 10（A） |
| 稳频精度 | ±1（r/pm） |
| 加速度范围 | 0～25g（250m/s2） |
| 供电电源 | ～220V±10, 50hz |
| 绝缘等级 | E |
| 工作环境 | -30～40（℃） |
系统功能：
|
型号 功能 |
VSR-80型 |
| 频谱分析（谐波） | |
| 动应力分析 | √ |
| 亚共振时效 | √ |
| 液晶触摸屏操作 | √ |
| 可调角度液晶操作平台 | √ |
| 按键操作 | |
| 全自动时效功能 | √ |
| 智能时效功能 | √ |
| 预置功能 | √ |
| 电子手动时效功能 | √ |
| 机械手动 | √ |
| 强震时效功能 | √ |
| 多频率时效功能 | √ |
| 任意选择时效频率功能 | √ |
| 在线调整时效参数功能 | √ |
| 自动调整最佳时效参数 | √ |
| 信息编辑功能 | √ |
| 工艺储存功能 | √ |
| 帮助功能 | √ |
| 失效提示功能 | √ |
| 系统故障提示功能 | √ |
| USB储存 | √ |
| 内置打印机打印 | √ |
| 可外接打印机模式 |
系统功能介绍：
1、全自动功能：全自动功能实行一键操作，自动扫频过程中自动寻找最佳的共振频率、时效、时效后扫频、自动分析时效参数变化量等全部过程，适合各种构件的振动时效工艺。该功能大大降低了由于操作失误等原因造成的质量偏差。该功能操作简单，只需要按触摸屏菜单的自动按钮即可实现全自动振动时效工艺.
2、智能功能：（1）设置、根据不同需求对其最高扫频范围进行设置，减少系统在高频运行中带来的不利影响。（2）多峰振动时效功能、该功能能对构件的多个固有频率在同一个坐标内依次进行振动时效处理，并分别进行数据采集记录、储存及数据打印。使构件达到最佳的时效效果、如图（九）（3）选择任意频率时效，该功能在设置的扫频范围内出现所有的共振峰中可以任意选择一个波峰对其实施振动时效，（扫频到终止后等待选择时效波峰指令），如图（七）或者系统扫频过程中出现有效共振峰后液晶屏右侧菜单栏会展现【暂停】按键，如果不需要继续扫频按【暂停】按键，如图八，然后再按【时效】键、即可进入振动时效程序。上述三种工艺在时效结束后均自动进行时效后扫频及数据打印及USB储存。
3、手动功能：（1）模式1半自动扫频过程中可以任意停止或继续扫频，灵活性高、制定时效工艺最快捷，（2）模式2手动扫频可以直接用系统手动旋钮进行手动扫频。（3）模式3机械旋钮调整频率，三种模式均可以转变自动时效工艺流程进行时效并制定完整工艺报告。
4、强震功能：强震功能是在手动扫频过程中实现的，通过对振幅的判断，随时对其时效频率进行暂停【暂停】键进行暂停，按【强振】键即可实现强震功能，可解决某些特殊构件固有频率高的问题。【选择＋】【选择－】键进行频率微调。
5、在线调整：该功能应用在时效过程中通过液晶平台菜单键盘在线对其参数调整，也可以用数字键盘直接输入要调整的参数进行在线调整最佳的时效参数，确保时效效果。
5、编辑构件名称：该功能可在时效前或时效后对其构件名称等所需信息进行编辑储存，编辑的信息会打印在打印数据曲线上。（也可以用）
6、数据储存功能：系统配饰内置热敏打印机，振动时效及相关数据可通过该打印机进行打印储存。也可以通过USB接口U盘存储。
7、工艺储存功能： 编辑构件名称对工艺进行保存，可在已存的时效工艺中快速查找选取进行振动时效工艺，大大缩短制定工艺的时间。
8、帮助功能： 帮助功能是系统的操作介绍，在操作系统中随时进行查阅。操作灵活简便，之需按液晶显示屏右侧菜单栏下方【帮助】按键，液晶显示屏会出现功能菜单/子菜单，按菜单选择所需查找资料即可
9、失效提示： 该系统设计有动应力分析功能，对其振动力自动进行分析识别，振动幅度低于时效有效范围系统会自动进行提示，并指导处理方案。
10、系统故障提示：系统发生故障、自动分析故障原因进行文字提示、并且指导处理方案。
11、激振器：激振器是该系统关键部件之一，由直流电机与偏心箱两部分组成。电机的转速范围2000-8000r/min稳频精度（r/min）±1
采用美国马丁工程公司先进技术设计，由国内知名专业电机企业生产的无槽、永磁电机，输出功率大、功耗小，适用于恶劣环境。
偏心箱采用铝合金铸造工艺，刚性强，轻便，便于现场操作。可对10吨以下构件进行振动时效处理。
设备组成清单如下：
| 序号 | 产品名称 | 单位 | 数量 | 备注 |
| 1 | 振动消除应力设备主机 | 台 | 1 | |
| 2 | 激振器 | 台 | 1 | |
| 3 | 拾振器 | 只 | 1 | |
| 4 | 专用橡皮垫 | 只 | 4 | |
| 5 | 弹簧钢卡具 | 只 | 2 | |
| 6 | 电机控制线 | 组 | 1 | |
| 7 | 随机专用工具一套 | 套 | 1 | |
| 8 | 拾振器传感信号线 | 根 | 1 | |
| 9 | 电源线 | 根 | 1 | |
| 10 | 热敏打印纸 | 卷 | 9 | |
| 11 | 培训资料 | 套 | 1 | |
| 12 | 保险管 | 只 | 10 |
