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振動時效原理，振動時效機消除應力的原理，時效振動設備原理分析

振動時效設備基本原理是：通過專業的控制器部分控制激振器電機的轉速使其達到工件本身的固有頻率，使工件產生共振，在共振的同時工件內部歪曲的晶格就會逐漸趨于穩定并達到平衡狀態，從而消除內部殘余應力。

振動時效又稱振動消除應力，指在通過控制激振器的激振頻率，使工件發生共振，讓工件產生適當的交變運動并吸收部分能量，以致內部發生微觀粘彈塑性力學變化，從而降低工件局部峰值應力和均化工件的殘余應力場尤其是表面的應力集中區域，zui終防止工件變形與開裂，保證以后的尺寸穩定精度。它是上個世紀初期開始出現并在五十年代以來獲得廣泛應用的一項消除應力的新技術。

振動時效原理構件經過焊接、鑄造、鍛造、機械加工等工藝過程，在其內部產生了殘余應力，它極大地影響了構件的尺寸穩定性、剛度、強度、疲勞壽命和機械加工性能，甚至會導致裂紋和應力腐蝕。時效是降低殘余應力，使構件尺寸精度穩定的方法。目前時效的方法主要有三種，即自然時效、熱時效和振動時效。

自然時效是zui古老的方法，它是把構件置于室外，讓其經過氣候、溫度的反復變化，在反復溫度應力作用下，使殘余應力松弛、尺寸精度獲得穩定。一般認為，經過一年自然時效的工件，殘余應力僅下降2～10％，但是卻較大地提高了工件的松弛剛度，因而工件的尺寸穩定性很好。但因其時間太長，一般不在實際生產中采用。

熱時效是傳統的時效方法，它是利用熱處理當中的退火技術，通常是將工件加熱到500～650℃進行較長時間的保溫后再緩慢冷卻至室溫。在熱的作用下通過原子擴散及塑性變形使內應力消除。從理論上講采用熱時效時，只要退火溫度和時間適宜，應力可以*消除。但在實際生產中通常認為可以消除殘余應力的70～80％，與此同時它能造成工件材料表面氧化、硬度及機械性能下降等缺陷。因此，人們一直在研究更好的方法來消除殘余應力。

是在上個世紀初期產生并發展起來的消除應力新方法。即工件在激振器所施加的周期性外力作用下產生共振，松弛殘余應力，獲得尺寸精度穩定性。也就是在機械的作用下，使構件產生局部的塑性變形，從而使殘余應力得到釋放，以達到降低和調整殘余應力的目的。但機械作用使應力消除的程度是有限的，不可能*消除。因此振動時效往往是把應力降低（主要是降低殘余應力峰值）和重新分布作為主要目的。

振動消除應力是對構件施加一交變應力，如果交變應力幅與構件上某些點所存在的殘余應力之和達到材料的屈服極*，這些點將產生塑性變形。如果這種循環應力使某些點產生晶格滑移，盡管宏觀上沒有達到屈服極限，也同樣會產生微觀的塑性變形，況且這些塑性變形往往是首先發生在殘余應力zui大點上，因此使這些點受約束的變形得以釋放從而降低了殘余應力。這就是用振動時效可以消除殘余應力的機理。

用振動的方法消除金屬構件的殘余應力技術，1900年在美國就取得了。但由于人們長期使用熱時效，加上當時對振動消除應力的機理還不十分明確，且高速電機尚未出現造成當時的振動時效設備沉重、調節不便，因此該項技術一直未得到大的發展和廣泛應用。直到上世紀50—60年代由于能源危機的出現，美、英等國才又開始研究振動時效的機理和應用工藝。特別是到上世紀70年代由于可調高速電機的出現大大推動了振動消除應力裝置的發展：1973年英國制成手提式振動時效系統VCM80，后來美國馬丁工程公司也研制出比較良好的LT-100R型振動時效系統。這些比較良好的激振裝置，促進了振動消除應力工藝的發展和實際應用。由于這種工藝日趨成熟，振動和控制設備日臻完善，目前振動時效已在英、美、俄、德等國被普遍采用，他們幾乎所有機械廠都配備了振動時效裝置，尤其是起重機械廠的大件和*件全部采用了振動時效。我國也從上世紀70年代后期開始引進和使用振動時效技術。

現在的：它是將一個具有偏心重塊的電機系統(激振器)用卡具安放在工件上并將工件用膠墊等彈性物體支承，如圖所示。通過主機控起動電機并調節其轉速，使工件處于共振狀態。一般工件經30分鐘的振動處理即可達到調整殘余應力的目的。

可見，采用振動時效來調整殘余應力的技術是十分簡單和可行的。

振動時效之所以能夠部分地取代熱時效，在實際當中被廣泛應用，是與該項技術具有的一些明顯的*特征分不開的。

1、投資少適用性強。與傳統的熱時效相比它無需龐大的時效爐，現代工業中的大型鑄件與焊接件越來越多也越來越大，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，消除應力效果差。采用振動時效可以*避免這些問題。因此，目前對長達幾米至幾十米的橋梁、船舶、化工器械的大型焊接件和重達幾噸至幾十噸的超重型鑄件，較多地采用了振動時效。

2、生產周期短效率高。熱時效往往需要經過數十小時的周期方能完成，而振動時效一般只需數十分鐘即可完成。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，不僅使生產安排更加緊湊而且可以消除加工過程中產生的應力。

3、使用方便。振動時效設備體積小、重量輕，便于攜帶，我國目前生產的激振器可振動處理300噸以下的工件，但振動裝置本身僅重幾十公斤。國外生產的可振動處理5公斤至150噸工件的全套振動設備其總重也不過一百公斤。正是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，可安排在任何工序之間也可多次進行。

4、節約能源，降低成本，無廢渣、廢氣及輻射等污染。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0.25至1馬力的機械式激振器可振動150噸以下的工件。其能源消耗僅為熱時效的3～5％，成本僅為熱時效的8～10％。加之熱時效時均需要以煤、油等做為燃料不可必免地要排出大量的廢渣、廢氣等不能夠滿足越來越高的環保要求。故振動時效已逐漸成為去應力的*選擇。

5、機械性能顯著提高。經過振動時效處理的工件其殘余應力可以被消除20～80％左右，高拉應力區消除的比低應力區大。可提高使用強度和疲勞壽命，而且從根本上防止了金屬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。還可以提高構件抗變形的能力，穩定構件的精度，提高機械質量。

實踐證明，振動時效適用于碳素結構鋼、低合金鋼、不銹鋼、鑄鐵、有色金屬（銅、鋁、鋅及其合金）等材質的鑄件、鍛件、焊接件及機加工件的應力消除。

當然振動時效也存在著一定的局限性；首先它有一定的噪聲特別對于箱形和板形工件時效噪聲較大；其次工藝效果在很大程度上取決于工藝員對工件關鍵部位及需重點去應力部位的理解和現場有效振型的選擇；再有，它不適于高壓容器、殘余應力較小的工件、大尺寸的薄板焊件、薄壁鑄件、大部分冷加工件、彈性結構應力為主的工件、剛性過大或尺寸過小的工件。

盡管振動時效有一些局限性但在部分行業和部分材質的零件上的時效效果還是非常顯著的。隨著人們對振動時效技術的進一步了解，可以逐步減小它的局限現性。如通過對工件采取隔離，或錯開工作時間等辦法可降低時效的噪聲；對于部分不適用激振器進行時效處理的可通過振動平臺來進時效處理；以及對相關工藝人員進行培訓的方法等等，到目前為止我國已有數千家機械廠在使用振動時效。正是由于振動時效技術的不斷發展、經濟效果日益明顯，才使其應用范圍不斷擴大。在機械制造、航空、化工器械、動力機械、造船等行業中，鑄件、鍛件、焊接件及有色合金等材料制造的各類零件均成功地采用了振動時效。振動時效已越來越受到各方面的重視，其應用領域也越來越廣闊。