丁延松，趙 巖

（河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，南陽(yáng) 473009）

0 引言

金屬結(jié)構(gòu)件在鑄造、焊接、鍛壓和機(jī)械切削加工過(guò)程中，由于熱脹冷縮和機(jī)械力造成的變形，在工件內(nèi)部產(chǎn)生殘余應(yīng)力，致使工件處于不穩(wěn)定狀態(tài)，降低工件的尺寸穩(wěn)定性和機(jī)械物理性能，使工件在成品后使用過(guò)程中因殘余應(yīng)力的釋放而產(chǎn)生變形和失效。尤其是大型焊接件焊接后必然會(huì)有殘余應(yīng)力，殘余應(yīng)力是導(dǎo)致其變形或者開(kāi)裂的重要原因，因此有必要對(duì)這些工件進(jìn)行消除殘余應(yīng)力的時(shí)效處理。時(shí)效有自然時(shí)效、熱時(shí)效和振動(dòng)時(shí)效三種基本工藝技術(shù)。自然時(shí)效是將工件長(zhǎng)時(shí)間露天放置（一般長(zhǎng)達(dá)六個(gè)月至一年左右），利用環(huán)境溫度的季節(jié)性變化和時(shí)間效應(yīng)使殘余應(yīng)力釋放；熱時(shí)效是用爐窯將金屬結(jié)構(gòu)件加熱到一定溫度，保溫后控制降溫，達(dá)到消除殘余應(yīng)力的目的，可以保證加工精度和防止裂紋產(chǎn)生；振動(dòng)時(shí)效是使用振動(dòng)時(shí)效設(shè)備，對(duì)工件進(jìn)行半小時(shí)左右的亞共振振動(dòng)，消除殘余應(yīng)力的時(shí)效技術(shù)。自然時(shí)效由于時(shí)效周期太長(zhǎng)，不能滿足生產(chǎn)進(jìn)度要求，不可能應(yīng)用；熱時(shí)效設(shè)備投資較大，時(shí)效成本很高，生產(chǎn)效率較低，應(yīng)用有難度；振動(dòng)時(shí)效設(shè)備投資少，生產(chǎn)效率高，時(shí)效成本低，是比較理想的。通過(guò)對(duì)三種時(shí)效技術(shù)的綜合分析比較，決定采用振動(dòng)時(shí)效技術(shù)。振動(dòng)時(shí)效（VSR）工藝其原理是用振動(dòng)消除殘余應(yīng)力，可達(dá)到TSR工藝的同樣效果，并在許多性能指標(biāo)上超過(guò)熱時(shí)效。振動(dòng)時(shí)效工藝耗能少（是熱時(shí)效的2%左右）、設(shè)備投資少和效率高，其在節(jié)能、減少環(huán)境污染和提高產(chǎn)品性能方面有卓越的表現(xiàn)，使得這一高新技術(shù)在各行各業(yè)中有廣泛的應(yīng)用前景。

1 原理

振動(dòng)時(shí)效（VSR）消除殘余應(yīng)力使工件獲得尺寸穩(wěn)定性的機(jī)理可以從宏觀和微觀兩方面解釋?zhuān)汉暧^上，當(dāng)σ動(dòng) +σ殘 ≥σS 時(shí)（σ動(dòng)——激振器施加給工件的周期性動(dòng)應(yīng)力，σ殘——?dú)堄鄳?yīng)力，σS——材料屈服強(qiáng)度極限），工件會(huì)產(chǎn)生少量的塑性變形，使殘余應(yīng)力峰值下降，原來(lái)不穩(wěn)定的殘余應(yīng)力得到松弛和勻化。同時(shí)由于包辛格效應(yīng)，經(jīng)一定時(shí)間的循環(huán)后，工件材料的當(dāng)量屈服強(qiáng)度由原來(lái)的σS上升，直到與所受的應(yīng)力相等，工件內(nèi)部不再產(chǎn)生新的塑性變形，此時(shí)塑性變形變成彈性變形，工件的彈性性能得到強(qiáng)化，從而使工件的幾何尺寸趨于穩(wěn)定。 微觀上，因金屬具有將機(jī)械能轉(zhuǎn)變成熱能的性質(zhì)，即使在σ動(dòng) +σ殘 ≤σS 時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生微觀的塑性變形。其機(jī)理為：由振動(dòng)輸入的活化能使位錯(cuò)移動(dòng)，在位錯(cuò)塞積群的前沿引起應(yīng)力集中而產(chǎn)生塑性變形；同時(shí)，遷移的位錯(cuò)切割位錯(cuò)群，以致使位錯(cuò)釘孔，材料基體得到強(qiáng)化，使松弛剛度增大，工件獲得尺寸穩(wěn)定性。

2 工藝方案

振動(dòng)時(shí)效的工藝過(guò)程很簡(jiǎn)便。首先用膠墊支撐好工件，然后將激振器和測(cè)振器固定在工件上，就可以開(kāi)機(jī)進(jìn)行振動(dòng)時(shí)效處理了。如果使用全自動(dòng)工藝，先是振前掃頻搜尋共振峰，找到共振峰后，設(shè)備將自動(dòng)優(yōu)選最佳亞共振點(diǎn)共振時(shí)效半小時(shí)左右，并自動(dòng)進(jìn)行振后掃頻和打印時(shí)效曲線作為質(zhì)檢依據(jù)，整個(gè)時(shí)效過(guò)程就完成了。在實(shí)際加工中，工件的重量、體積、結(jié)構(gòu)形狀具有多樣性，在振動(dòng)時(shí)效前很準(zhǔn)確制定出各工藝參數(shù)，工件的主振頻率、輔振頻率、激振力及激振點(diǎn)和支承點(diǎn)位置等參數(shù)必須通過(guò)調(diào)整才能準(zhǔn)確得出。實(shí)際操作中常借鑒典型工件的工藝方案，總結(jié)形成適合：

2.1 根據(jù)振動(dòng)時(shí)效工件可能出現(xiàn)的振型，合理地支撐工件及裝卡激振器的位置

1）梁型件

支撐一般應(yīng)用4點(diǎn)距一端2/9和7/9處。激振器一般裝卡在中間波峰附近，加速度計(jì)安裝在一端的波峰附近。主振頻率多以彎振型較多,其節(jié)線一般位于距支點(diǎn)(2/9)L處，實(shí)際工作中應(yīng)根據(jù)工件具體結(jié)構(gòu)形式采取兩點(diǎn)、三點(diǎn)或四點(diǎn)支承方式，對(duì)于冶金設(shè)備的重型梁架構(gòu)件，支點(diǎn)位置的設(shè)置可采用垂直平分線法，即以三個(gè)支點(diǎn)中心為頂點(diǎn)作三角形，三角形三條邊垂直平分線 與邊緣線的交點(diǎn)位置為激振器的固定區(qū)域。經(jīng)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，振動(dòng)中阻力較小，易獲得振幅較大的共振及振動(dòng)效果。

2）板型件

板型工件隨著長(zhǎng)寬比不同，其主振型有彎曲振型和扭曲振型。長(zhǎng)寬比小的工件常為扭曲振型，支撐點(diǎn)為三點(diǎn)(互成120度) ；長(zhǎng)寬比大的工件主振型一般為彎彎振型，采用4點(diǎn)(對(duì)角)支撐再邊緣處，激振器一般裝卡在兩橡膠墊中間邊緣波峰附近，加速度計(jì)安裝在一側(cè)兩橡膠墊中間邊緣的波峰附近。

3）圓板型件

一般采用3點(diǎn)(互成120度)或4點(diǎn)(對(duì)角)支撐再邊緣處，激振器一般裝卡在兩橡膠墊中間邊緣波峰附近，加速度計(jì)安裝在一側(cè)兩橡膠墊中間邊緣的波峰附近。

4）方箱型件

一般采用3點(diǎn)支撐再較長(zhǎng)的邊緣處，激振器一般裝卡在上邊鋼性較大的邊緣波峰附近，加速度計(jì)安裝在邊緣的波峰附近。

5）小型件平臺(tái)振動(dòng)

大部分機(jī)械產(chǎn)品均為幾公斤至幾百公斤的小型件，因重量、體積過(guò)小無(wú)法單獨(dú)振動(dòng)，常采用平臺(tái)振動(dòng)時(shí)效法，即將批量工件安裝至特制平臺(tái)上，對(duì)平臺(tái)進(jìn)行振動(dòng)使工件同時(shí)產(chǎn)生共振，達(dá)到與對(duì)單個(gè)大型工件振動(dòng)同樣的效果。平臺(tái)的結(jié)構(gòu)為長(zhǎng)矩形（長(zhǎng)寬比3:4），厚度50～80mm，激振器采用夾持或螺孔安裝，平臺(tái)主振型為彎曲振型，以四點(diǎn)支撐，工件呈縱向放置。對(duì)軸類(lèi)、法蘭類(lèi)零件及機(jī)加工后不便于熱處理的工件的處理效果較顯著。

上述只是簡(jiǎn)要的介紹一般常規(guī)工件的支撐與激振器的裝卡位置，具體情況還需要反復(fù)試驗(yàn)(利用手動(dòng)工作模式)來(lái)找出合適的振動(dòng)時(shí)效工藝參數(shù)。

2.2 時(shí)效處理的頻率、波峰波節(jié)、支撐點(diǎn)的選擇

利用手動(dòng)掃頻到被振工件發(fā)出較大的振動(dòng)聲時(shí)，往工件上撒一些沙子，沙子會(huì)劇烈的跳動(dòng)，沙子聚攏處為波節(jié)，反之為波峰，共振頻率是在電流和加速度值最大時(shí)相對(duì)應(yīng)的頻率。波峰、波節(jié)要反復(fù)找多次，使支撐更加合理。

2.3 激振力的選擇

激振力大小的選擇應(yīng)根據(jù)工件的不同材質(zhì).幾何形狀.剛度的大小及重量等因素來(lái)確定。實(shí)驗(yàn)和國(guó)內(nèi)外的資料證明，工件的動(dòng)應(yīng)力應(yīng)在20mpa～35mpa之間。焊接件大一些(35mpa)鑄件小一些(20mpa)效果較好。動(dòng)應(yīng)力的大小可用動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變儀來(lái)測(cè)定，若無(wú)儀器，可根據(jù)被振工件的形態(tài)依據(jù)材料力學(xué)介紹的永硐胩逵來(lái)進(jìn)行估算。動(dòng)應(yīng)力大小的調(diào)整是通過(guò)改變激振力的大小來(lái)完成的，改變激振力是通過(guò)改變激振器的偏心距來(lái)實(shí)現(xiàn)。實(shí)際操作中可以經(jīng)驗(yàn)先選定一偏心距，再逐級(jí)調(diào)節(jié)，以避免振前掃描時(shí)出現(xiàn)過(guò)載現(xiàn)象。

2.4 振動(dòng)時(shí)間的選擇

各種零件的結(jié)構(gòu)和重量不同，殘余應(yīng)力的大小和分布不同，振動(dòng)時(shí)效時(shí)選用的振動(dòng)時(shí)間也應(yīng)有所不同。目前在生產(chǎn)實(shí)踐中，一般采用下列幾種方法來(lái)快速確定振動(dòng)時(shí)效的時(shí)間參數(shù)：按零件的重量來(lái)確定振動(dòng)時(shí)間；按零件振動(dòng)過(guò)程中塑性變型基本停止的時(shí)間來(lái)確定振動(dòng)時(shí)間；按零件振動(dòng)過(guò)程中的振動(dòng)響應(yīng)（即共振峰、振幅）、激振器的激振力變化（即電流或功率等參數(shù)的變化）來(lái)確定振動(dòng)時(shí)間。

2.5 振動(dòng)時(shí)效工藝效果

為了評(píng)價(jià)振動(dòng)時(shí)效工藝效果，應(yīng)從振動(dòng)時(shí)效前后殘余應(yīng)力檢測(cè)、振動(dòng)時(shí)效工藝曲線和振動(dòng)時(shí)效工件的實(shí)際使用效果等方面進(jìn)行綜合考察。

3 結(jié)論

振動(dòng)時(shí)效對(duì)降低或勻化金屬結(jié)構(gòu)件的殘余應(yīng)力，提高抗動(dòng)載變形能力，穩(wěn)定尺寸精度和防止裂紋有非常好的效果：

1）降低工件內(nèi)殘余應(yīng)力（峰值）30%-80%，與傳統(tǒng)的熱時(shí)效（TSR）相當(dāng)，工件無(wú)氧化脫碳現(xiàn)象，無(wú)需清理氧化皮，減少了輔助工時(shí)。

2）與熱時(shí)效相比提高了工件抗載荷變形能力，振動(dòng)時(shí)效工藝的應(yīng)用使工件抗靜載變形能力提高30%以上，抗動(dòng)載變形能力提高1～3倍多。

3）是目前超大型結(jié)構(gòu)件和多種材料組合的結(jié)構(gòu)件唯一時(shí)效方法，振動(dòng)時(shí)效還適用于二次時(shí)效（一般在半精加工后），是唯一不受場(chǎng)地、環(huán)境、工序和工件形狀限制的處理方法。

振動(dòng)時(shí)效工藝的應(yīng)用還可以帶來(lái)較大的經(jīng)濟(jì)效益，主要包含三個(gè)方面：

1）振動(dòng)時(shí)效投資少，見(jiàn)效快 振動(dòng)時(shí)效國(guó)產(chǎn)設(shè)備單臺(tái)投資一般在人民幣10萬(wàn)元以下，維護(hù)費(fèi)用一年約3-4千元左右。而一個(gè)20平方米的爐窯投資在人民幣35～40萬(wàn)元左右，每年的維護(hù)費(fèi)用在4～5萬(wàn)元左右，其建設(shè)周期一般為2～3個(gè)月。

2）振動(dòng)時(shí)效運(yùn)行費(fèi)用低 熱時(shí)效工藝處理的工件耗能折合標(biāo)準(zhǔn)煤約140～240kg/噸，需人工約2～3工時(shí)/噸，其中不包含后期去氧化皮的人工工時(shí)，由于工作環(huán)境差其工時(shí)費(fèi)用高。振動(dòng)時(shí)效工藝的耗能僅為熱時(shí)效的1～2%，需人工0.1～0.2工時(shí)/噸。

3）振動(dòng)時(shí)效有利于環(huán)境保護(hù) 熱時(shí)效處理使用的能源主要是重油、二氧化碳、天然氣和原煤，以使用的最廣泛的重油為例，每噸重油燃燒后產(chǎn)生約73.5kg的二氧化硫，同時(shí)還產(chǎn)生二氧化碳等其他有害氣體，而污染最小的天然氣通過(guò)燃燒也將產(chǎn)生四倍的廢氣，目前我國(guó)用于熱時(shí)效的重油上萬(wàn)噸，天然氣上百萬(wàn)立方，由于分布面廣，未能引起重視，但的確是一個(gè)不容忽視的污染源，其造成的間接損失不可估量。