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振动时效
振动时效的基本知识
2009-09-2510:
57:
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一、振动时效设备的组成及作用:
1、主机:
控制电机启动及调速、信号的收集、处理、显示及打印参数;
2、激振器:
强迫工件振动并将电机转速及激振频率反馈回主机;
3、拾振器:
把振动响应如加速度值等反馈回主机。
二、工艺的选择
1、激振频率:
选择共振区别明显处,一般铸件可以选择中频大激振力,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既应保证δ动+δ残=δS,(δ-激振器施加给工件的周期性动应力,δ残-残余应力,δS材料屈服强度极限)
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,一般处理20-50分钟即可;
4、激振点和支撑点:
激振点应在该工件振动节点上,激振点一般在两点支撑点间刚性较大的位置上(亚共振方式/传统的振动时效)
5、用震动时效过程中测出的动态参数曲线,根据曲线的变化现场、及时判断振动效果,是目前被认证的方法。
三、振动时效的几个重要参数是:
“支撑点、振型、激振点、加速度、固有频率、时间”其中振动加速度、共振频率、共振时间是决定工艺效果的主要参数。
四、振动实效的实质
振动时效是在激振器所产生的周期性外力-激振力作用下迫使工件在其共振范围内产生共振,在此过程中当周期性载荷δd+δr>=[δ]时在工件内残余应力的高峰值处产生局部屈服引起微小的塑性变形,使工件内部残余应力高峰值降低并使残余应力重新均化分布,从而达到强化金属基体、增强抗变形能力、提高工件尺寸精度稳定性的目的。
振动时效从作用上讲是以机械能形式给工件提供能量,增大金属内部原子的振动幅度、加快畸变晶格的排列趋于平衡,振动时效从形式上讲是通过对工件施加略低于材料屈服极限的动应力,人为造成工件“变形”提前发生,从而是工件在其精加工后不再发生变形的效果。
振动时效采用外力振动的方式,使工件内部产生一定周期性的交变作用力,作用力和工件本身残余应力叠加超过工件本身的屈服极限,便导致工件发生微观的塑弹性力学变化,从而引起残余应力的降低和均化,使工件内部各方面作用的力基本趋与平衡,从而防止工件变形、提高工件的疲劳极限,从而发挥工件本身的最大使用价值。
应选用不同的激振力不同的时间进行时效处理
2010-01-0815:
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振动时效振动时效设备
根据今后可能出现的问题,应选用不同的激振力不同的时间进行时效处理。
其次,应根据被时效的工件,科学地选择振动时效设备。
不应该选择一些简易的、所谓“全自动振动时效设备”;而应该深入了解振动时效机理后,通过比较选择这样的振动时效设备:
a)运行稳定、转速闭环控制、定速可靠、在线打印、性价比高:
b)强弱电隔离、自我保护功能强、故障率低、易于维修:
c)操作方便、能够人机对话,并能通过面板输入口令设置设备运行参数,而不需要改变硬件设置:
d)不论使用何种操作模式(手动、半自动、全自动、编程)均能实现多峰值自动识别、多振型时效,并能实现局部扫描、局部打印;并且能针对工件的个性,采用超级手动(可根据操作者的经验及意愿直接快速完成振前扫描、打印、识别、时效、振后扫描)完成有用峰的时效,避免处理无用峰;而且还能够通过超级手动找出大量工艺参数,作科学的分析,找出相同零件的共性,迅速、方便地在面板上编制程序并储存,以便今后随时调用对工件科学全自动的时效处理;
e)能遥控操作:
对大型零件,能使操作者一边触摸观察工件的情况,一边远距离操控设备,调整运行参数,完成时效的全过程;同时还能让操作者远离噪声,保护操作者。
1、振动时效的机理
振动时效的实质是通过振动的形式给工件施加一个动应力,当动应力与工件本身的残余应力叠加后,达到或超过材料的微观屈服极限时,工件就会发生微观或宏观的局部、整体的弹性塑性变形,同时降低并均化工件内部的残余应力,最终达到防止工件变形与开裂,稳定工件尺寸与几何精度的目的。
2、振动时效工艺的常见问题
由于部分用户对振动时效的机理不甚了解,盲目使用一些简易的(所谓“全自动振动时效”)振动时效设备对产品进行时效。
这种完全不针对工件个性、仅按照振动时效设备生产者预置的参数,对各种工件均采用一种或几种工艺参数进行时效的方法,会导致被时效工件出现下列几种情况:
2.1.假时效:
工件未发生共振或振幅很小或者虽然振幅较大,但工件整体做刚体振动或摆动,“全自动振动时效设备”也能按照预置的程序打印或输出各种时效参数、曲线,误导操作者和工艺员判断,这样工件根本没有达到时效的效果;
2.2.误时效:
工件虽然产生共振,但是发生的振型与工件所需要的振型不一致,动应力没有加到工件需去应力的部位,这样不能使工件达到预期的时效目的,影响时效的效果;
2.3.过时效:
由于不针对工件个性采用合理的时效参数,完全照盲目预置的参数,对工件进行时效,可能会因为共振过于强烈或振幅过大,导致工件内部的缺陷(裂纹、夹渣、气孔、缩松等)继续扩大、撕裂,甚至报废的严重后果。
3、振动时效的工艺分析
由上述的振动时效工艺的现状可以看出:
用盲目的全自动振动时效工艺对工件时效处理是伪科学的,这不仅不能使工件达到时效目的,还会因此出现严重的后果,造成工件开裂,甚至机毁人亡。
那么,什么样的振动时效工艺才是科学的呢?
首先,应在时效前分析工件的残余应力分布情况,形位精度要求,以及今后的工作载荷和可能失效的原因等,制订合理的振动时效工艺,确定时效路线及重点时效部位。
3.1.形位精度分析:
根据工件直线度、圆柱度、平面度、同轴度、对称度等,应采取不同的激振力,选用不同的振型。
3.2.共振频率分析:
pcsdasadw
根据工件强度、刚性、批量选择不同支撑方式或采用振动平台进行处理。
3.3.振型分析:
不同的频率对应不同的振型,不同的振型对应不同动应力场。
3.4.工作载荷:
振动时效设备针对工件今后的工作变形状况,应重点消除工况状态工件载荷较大部位的残余应力,选用与之相对应的振型进行时效处理。
大量的实际应用证明这种方法比热时效更能提高工件的尺寸稳定性。
2010-01-0515:
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一、振动时效技术应用
振动时效技术,国外称之为“VibratingStressRelief”简称“VSR”,旨在通过专业的振动时效设备,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――被歪曲的晶格逐渐回复平衡状态。
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性。
二、振动时效的特点
1.时效效果好
2.灵活性强
3.彻底解决了热时效炉窑的环境污染问题
4.投资少
5.节能显著
6.效率高
7.特别时候不宜高温时效的材料和零件的消除应力处理
表一振动时效与热时效特点比较
项目热时效振动时效
应力消除40-80%30-90%
能源消耗高比热时效节能95%
环境保护有烟气粉尘废渣排放无污染
尺寸稳定性较好比热时效提高30%以上
生产费用150-300元/吨4-10元/吨
时效周期20-60小时20-50分钟
抗变形较差比热时效提高30-75%
时效氧化较大可忽略不计
时效变形有无
大型工件无法进炉处理可方便就地处理
三、振动时效的由来及现状
1.由来及国外的应用情况pcdfddfew
在工件的铸造、焊接、锻造、机械加工、热处理、校直等制造过程中在工件的内部产生残余应力,而残余应力的存在必然会导致一些不良的后果出现。
如:
降低工件的实际承载能力而生裂纹;
易发生变形而影响工件的尺寸精度;
加速应力腐蚀;
降低工件的疲劳寿命等。
消除应力有:
自然时效、热时效、振动时效、静态过载时效、爆炸时效、循环加载时效等,虽然都有有缺点,但都在一定程度上达到消除和均化的目的。
振动时效源自于敲击时效,在焊接中,施焊一段时间后立即用小锤对焊缝及周边进行敲击以防止裂纹产生,其原因就是随时将焊接应力消除一些,以免最终产生较大的应力集中。
敲击法能量有限,后来发现使工件产生共振时,可给工件出入最大的振动能力,从而于1915年在美国产生世界上第一台关于振动消除残余应力的专利。
直到五十年代后期,电动机制造水平的提高,轻巧的振动时效设备陆续在美国、德国、英国、法国、苏联等国家出现,并不断地被应用到机械制造业中,大量的实际应用证明这种方法比热时效更能提高工件的尺寸稳定性。
2.国内发展及现状
国内发展较晚,首先由孙照清总工程师等老一辈技术专家于74年出国考察,把技术带回国内,并开始在机械部、航空部研究移植,并在“六五”期间在机械部提出攻关课题―――提高机床铸件产品质量的大课题里面确定“振动时效可行性研究”。
八五年机械部特批二万五千美金与美国马丁公司合作,引进当时世界上最先进的VSR--790型振动时效设备及相关技术。
特别是九一年JB/T5926-91《振动时效工艺参数选择及技术时效设备要求》标准的诞生,使该技术得以较快的推广和发展。
四、振动时效的特点
振动时效的实质是以共振的形式给工件施加附加动应力,当附加动应力与残余应力叠加后,达到或超过材料的屈服极限时,工件发生微观或宏观塑性变形,从而降低和均化工件内部的残余应力,并使其尺寸精度达到稳定。
其特点有:
1.投资少
2.生产周期短
3.使用方便
4.适应性强
5.节约能源,降低成本
6.机械性能显著提高
7.符合环保要求
8.操作简单,易于实现机械自动化。
9.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。
五、振动时效的机理
1.从宏观的角度分析,振动时效使零件产生塑性变形,降低和均化残余应力并提高材料的抗变形能力,无疑是导致零件尺寸精度稳定的基本原因。
由振动时效的加载试验结果可知,振动时效件的抗变形能力不仅高于未经时效的零件,也高于经热时效处理的零件。
2.从微观方面分析,振动时效可视为一种以循环载荷的形式施加于零件上的一种附加的动应力。
3.从错位、晶格滑移等金属学理论上解释,其主要观点是振动时效处理过程实际上是通过在工件的共振状态下,给工件的每一部位(晶格)施加一定的动能量,如果施加的这个能量值与微观组织本身原有的能量值之和,足以克服微观组织周围的井势(恢复平衡的束缚力),则微观区域必然会产生塑性变形,使产生残余应力的歪曲晶格得以慢慢地恢复平衡状态,使应力集中处的错位得以滑移并重新钉扎,达到消除和均化残余应力的目的。
六、振动时效工艺过程
A.振动工艺装备如图所示:
它是将一个具有偏心重块的电机系统(激振器)用卡具安放在工件上并将工件用胶垫等弹性物体支承。
通过主机控制电机并调速,使工件处于共振状态。
一般工件经30分钟的振动处理即可达到调整均化残余应力的目的。
主机:
控制电机的启动及调速、信号的收集、处理、显示及打印参数
激振器:
强迫工件振动并将电机转速及激振频率反馈回主机
拾振器:
把振动响应如加速度幅值等反馈回主机
卡具:
将激振器牢牢固定在工件正确位置上
胶垫:
隔振、降噪,防跑件
B.工艺选择
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。
工件重量(T)﹤11-33-66-1010-50﹥50
振动时间(min)101215202530-50
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。
(亚共振方式,或者传统振动时效)
5、用振动时效设备过程中测出的动态参数曲线,根据曲线的变化、现场,及时判断振动效果,是国内外推荐认可的方法。
振动时效最重要的几个参数是:
“支撑点、振型、激振点、拾振点、加速度、固有频率、时间。
”其中振动加速度、共振频率、共振时间是决定时效工艺效果的主要参数。
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。
六,传统振动时效设备在应用中的问题有那些?
1振动时效必须是受过专业培训的人员操作,一般的工人即使受过培训也很难掌握这项技术;
2有些复杂的工件必须是熟练的专业技术人员操作,一般工厂很难做到;
3工件在单件生产时调整相当繁琐,拾振器支撑点和激振点很难调到最佳状态,一种工件就需要制订一种工艺;pcdfddfew
4需要操作者确定处理参数,对人的技能要求比较高
5由于有效振型较少,经振动时效处理后达不到较高精度要求,很难纳入工艺
6许多工件由于刚性和固有频率太高,找不到共振峰无法振动;机械制造业覆盖面仅为23%
7噪声过大也是难以推广的主要原因。
振动时效振动时效设备
振动时效是一种先进的残余应力消除技术,对于工业发展起到了不可或缺的作用
2009-12-3114:
22:
09| 分类:
振动时效设备| 标签:
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振动时效振动时效设备
振动时效是一种先进的残余应力消除技术,对于工业发展起到了不可或缺的作用,但是由于原
因很对人对于它还不是非常了解,本文就为大家介绍振动时效的基本原理,和一般用途的基础
知识。
时效加工是机械制造业的基础工艺,最早投入实际运用的是自然时效,而后是热时效,振动时
效工艺是在六十年出现的新时效工艺技术,通过近三十年的探索和开发不断完善,由于其环保
、节能和加工便利,因此是现代的朝阳工业。
我国七十年代开始生产振动时效设备,一九八六年振动时效工艺方法通过鉴定,一九九一年发
布JB-5925、JB/T5926行业标准,从九十年代初期开始生产自动化设备—TZ21系列智能型振动
时效装置,1995年“RSR系列全自动振动消除应力专家系统”投放市场,2000年投入“RSR2000
系列全自动振动消除应力专家系统”,逐步开发、完善了振动时效设备的产品系列,使我国的
振动时效设备生产技术和振动时效工艺技术跨入世界先进行列。
“RSR3000系列三维全自动振
动消除应力专家系统”的开发成功,进一步标志着我国振动时效技术开始领先于世界,使振动
时效工艺理论具备了更好的实践装备。
热时效(TSR)工艺是目前还在广泛采用的传统机械加工方法,其原理是用炉窑将金属结构件
加热到一定温度,保温后控制降温,达到消除残余应力的目的,可以保证加工精度和防止裂纹
产生。
TSR工艺广泛应用于几乎所有机械产品生产厂,在中国有几万家企业每年有数十万吨的
机械金属结构件采用TSR,其所消耗的重油、电、煤气和原煤折合标准煤为140-240kg/吨左右
,由此可见TSR工艺耗能已不容忽视,其对环境造成的污染之大也是有目共瞩的。
TSR工艺的基
本工装低温时效炉目前造价约为人民币4000元/立方米左右,年维护费用为人民币300-400元/
立方米,加上运输、其它辅助工作(如去除氧化皮等),每吨金属结构件的处理费用将高达人
民币400-600元。
自然时效(NSR)是将工件长时间露天放置(一般长达六个月至一年左右),利用环境温度的季
节性变化和时间效应使残余应力释放,由于周期太长和占地面积大,仅适应长期单一品种的批
量生产和效果不理想,目前应用的较少。
振动时效(VSR)工艺是一种可完全取代TSR和NSR的工艺,其原理是用振动消除残余应力,可
达到TSR工艺的同样效果,并在许多性能指标上超过TSR。
VSR工艺耗能少(是TSR的2%左右)
、设备投资少和效率高,其在节能、减少环境污染和提高产品性能方面有卓越的表现,使得这
一高新技术在各行各业中有广泛的应用前景。
VSR工艺在我国的应用已有二十多年的历史,但其较具规模的应用却不到十年,影响其广泛应
用的原因主要是设备制造技术的相对落后。
在二十世纪九十年代以前,我国生产的振动时效设
备普遍存在技术陈旧、故障率高、操作复杂和体积笨重等缺点,使用设备的企业往往对其又爱
又怕,爱的是其带来的可观利益,怕的是其娇嫩易坏,有统计表明该时期设备带病率几乎为
100%,其维护复杂也使相当多的技术人员谈虎变色。
进入九十年代,一种全新概念的新型设备
“TZ21智能型振动时效装置”在深圳出现,在短短的一年左右就普及大江南北,使一些“行业
专家”大跌眼镜,其独创的全软件控制、模板组合硬件结构、编程全自动操作等新技术,使故
障率大幅度降低、操作相对简化和体积、重量减少,其可观的销售业绩已说明其在中国市场上
的成功。
“RSR系列、RSR2000系列、RSR3000系列全自动消除应力专家系统”更是青出于蓝而
胜于蓝。
这些先进设备的出现,使振动时效工艺的普及有了良好的基础。
VSR(VibrationStressRelief)这个术语表示一个使金属结构件尺寸稳定的物理过程,这个
过程的结果是解决加工过程中和加工后的变形,它是利用受控共振对工件进行处理,在工业技
术高度发达的今天已使这个过程得以实现。
金属结构件在铸造、焊接、锻压和机械切削加工过程中,由于热胀冷缩和机械力造成的变形,
在工件内部产生残余应力,致使工件处于不稳定状态,降低工件的尺寸稳定性和机械物理性能
,使工件在成品后使用过程中因残余应力的释放而产生变形和失效。
为消除残余应力,传统的
工艺方法是采用自然时效和热时效,热时效(TSR)前面有介绍,自然时效是将工件长时间露
天放置(一般长达六个月至一年左右),利用环境温度的不断变化和时间效应使残余应力释放
,由于周期太长和占地面积大,不适应批量生产和效果不理想,目前应用的很少。
振动时效(VSR)对降低或匀化金属结构件的残余应力,提高抗动载变形能力,稳定尺寸精度
和防止裂纹有非常好的效果:
⑴降低工件内残余应力(峰值)30%-80%,与传统的热时效(TSR)相当,工件无氧化脱碳现象
,无需清理氧化皮,减少了辅助工时。
⑵与TSR相比提高了工件抗载荷变形能力,VSR工艺的应用使工件抗静载变形能力提高30%以上
,抗动载变形能力提高1-3倍多。
⑶是目前超大型结构件和多种材料组合的结构件唯一时效方法,VSR还适用于二次时效(一般
在半精加工后),是唯一不受场地、环境、工序和工件形状限制的处理方法。
振动时效(VSR)消除残余应力使工件获得尺寸稳定性的机理可以从宏观和微观两方面解释:
宏观上,当σ动+σ残≥σS时(σ动--激振器施加给工件的周期性动应力,σ残-
-残余应力,σS--材料屈服强度极限),工件会产生少量的塑性变形,使残余应力峰值
下降,原来不稳定的残余应力得到松弛和匀化。
同时由于包辛格效应,经一定时间的循环后,
工件材料的当量屈服强度由原来的σS上升,直到与所受的应力相等,工件内部不再产生新
的塑性变形,此时塑性变形变成弹性变形,工件的弹性性能得到强化,从而使工件的几何尺寸
趋于稳定。
微观上,因金属具有将机械能转变成热能的性质,即使在σ动+σ残≤σS时,也会产生
微观的塑性变形。
其机理为:
由振动输入的活化能使位错移动,在位错塞积群的前沿引起应力
集中而产生塑性变形;同时,迁移的位错切割位错群,以致使位错钉孔,材料基体得到强化,
使松弛刚度增大,工件获得尺寸稳定性。
VSR工艺的应用无论是对国家还是使用单位均可带来较大的经济效益,主要包含三个方面:
⑴VSR投资少,见效快
VSR国产设备单台投资一般在人民币10万元以下,维护费用一年约3-4千元左右。
而一个
20平方米的炉窑投资在人民币35-40万元左右,每年的维护费用在4-5万元左右,其
建设周期一般为2-3个月。
⑵VSR运行费用低
TSR工艺处理的工件耗能折合标准煤约140-240kg/吨,需人工约2-3工时/吨,
其中不包含后期去氧化皮的人工工时,由于工作环境差其工时费用高。
VSR工艺的耗能仅为TSR
的1-2%,需人工0.1-0.2工时/吨。
⑶VSR有利于环境保护pcasw0111
TSR处理使用的能源主要是重油、二氧化碳、天然气和原煤,以使用的最广泛的重油为例,每
吨重油燃烧后产生约73.5kg的二氧化硫,同时还产生二氧化碳等其它有害气体,而污
染最小的天然气通过燃烧也将产生四倍的废气,目前我国用于TSR的重油上万吨,天然气上百
万立方,由于分布面广,未能引起重视,但的确是一个不容忽视的污染源,其造成的间接损失
不可估量。
振动消除应力法
2009-12-3114:
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35| 分类:
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振动时效振动时效设备振动时
效技术又称“振动消除应力法”,国外简称“VSR”技术。
它的实施过程是通过振动时
效装置的控制系统控制激振器的转数和偏心作用在工件上产生离心力,使工件发生共振(谐振
),让工件需时效部位产生一定幅度、一定周期的交变运动,并吸收能量,经过一定时间的振
动引起工件微小塑性变形及晶粒内部位错逐渐滑移,并重新缠绕钉扎使得残余应力被消除和均
化,防止工件变形和开裂,从而达到提高工件尺寸精度稳定性,增强工件的抗变形能力和提高
疲劳寿命。
◆从宏观角度分析振动时效使零件产生塑性变形,降低和均化残余应力并提高材料的抗变形能
力,无疑是导致零件尺寸精度稳定的基本原因。
从分析残余应力松驰和零件变形中可知,残余
应力的存在及其不稳定性造成了应力松驰和再分布,使零件发生永久塑性变形。
故通常采用热
时效方法以消除和降低残余应力,特别是危险的降值应力,振动时效同样可以降低残余应力,
零件在振动处理后残余应力通常可降低30—80%,同时也使峰值应力降低使应力分布均匀化。
◆从微观方面分析振动时效可视为一种以循环载荷的形式施加于零件上的一种附加动应力,众
所周知工程上采用的材料都不是理想的弹性体,其内部存在着不同类型的微观缺陷,铸铁中更
是存在着大量形状各异的切割金属基体的石墨。
故而无论是钢、铸铁或其他金属,其中的微观
缺陷附近都存在着不同程度的应力集中,当受到振动时,施加于零件上的交变应力与零件中的
残余应力叠加。
当应力叠加的结果到一定的数值时,在应力集中最严重的部位就会超过材料的
屈服极限而发生塑性变形。
这种塑性变形降低了该处残余应力降值,并强化了金属基体,而后
振动又在一些应力集中较严重的部位上产生同样作用,直至振动附加应力与残余应力叠加的代
数和不能引起任何部位的塑性变形为止,此时振动便不再产生消除和均化残余应力及强化金属
的作用。
◆实践证明振动时效替代热时效后可节约能源90%以上,提高抗变形能力30%以上,尺寸稳定性
提高30%以上,疲劳寿命提高20
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