振動時效技術在礦用機械設備中的應用

時間：2022-04-08作者：濟南力拓信息技術有限公司瀏覽：141

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，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，**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(xiàn)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σr在工件內部的分布是不勻的，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(xiàn)兩種情況：

(1)在應力集中區(qū)域σd+σr≥σs(σs為構件的屈服限)，位錯開始運動，產生 局部滑移，甚至出現(xiàn)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(xiàn)加工硬化現(xiàn)象，結構上趨于穩(wěn)定，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(xiàn)適應現(xiàn)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(xiàn)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(lián)接在平臺上，工件的變形必須帶動平臺一起變形才能實現(xiàn)，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（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(xiàn) 位錯、滑移運動。也就是說，盡管工件被剛性聯(lián)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(xiàn)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。


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  詞條說明

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