振動(dòng)時(shí)效技術(shù)是對(duì)工件施加變化的循環(huán)載荷來消除和減少內(nèi)部殘余應(yīng)力。該技術(shù)具有耗能少、*、無污染、處理快速等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于消除焊接件、重型工件的殘余應(yīng)力。

振動(dòng)時(shí)效原理

　　振動(dòng)時(shí)效是用激振設(shè)備在構(gòu)件殘余應(yīng)力集中處施加等幅交變循環(huán)激振力，構(gòu)件在共振狀態(tài)下獲得較大的激振動(dòng)應(yīng)力，在某個(gè)方向上的合應(yīng)力超過材料的屈服極限，該處會(huì)產(chǎn)生屈服變形，引起殘余應(yīng)力松弛并釋放出來，使殘余應(yīng)力均勻分布。這種方法不僅能有效地降低峰值殘余應(yīng)力，而且能使整體殘余應(yīng)力值下降。

　　下圖為金屬材料受等幅交變應(yīng)變ε_B-ε_C作用時(shí)的應(yīng)力應(yīng)變曲線，圖中OA為彈性載荷段，構(gòu)件的初始?xì)堄鄳?yīng)力為σ_A，ACB是次發(fā)生屈服變形后的應(yīng)力應(yīng)變曲線。構(gòu)件內(nèi)的總應(yīng)力超過屈服點(diǎn)而發(fā)生變形，在C處殘余應(yīng)力沿彈性卸載荷線CB'下降，經(jīng)過D點(diǎn)后曲線偏離CB'至B點(diǎn)，完成一次交變應(yīng)變循環(huán)。經(jīng)過多次交變循環(huán)后，曲線循環(huán)穩(wěn)定為C'E'B"EC'，此時(shí)殘余應(yīng)力由σ_A減小至σ_E，殘余應(yīng)力減小至穩(wěn)定的過程就是振動(dòng)時(shí)效宏觀機(jī)理的直觀表示。

　　要消除或減小工件中的殘余應(yīng)力，必須滿足以下條件：

　　(1)構(gòu)件內(nèi)部殘余應(yīng)力與激振器施加的激振動(dòng)應(yīng)力疊加后的總應(yīng)力應(yīng)超過材料屈服極限。即σ_殘+σ_動(dòng)>σ_s，其中：σ_殘為構(gòu)件內(nèi)部殘余應(yīng)力，σ_動(dòng)為激振動(dòng)應(yīng)力，σ_s為材料的屈服極限。

　　(2)隨著振動(dòng)時(shí)效時(shí)間的增長(zhǎng)，構(gòu)件內(nèi)部的殘余應(yīng)力會(huì)由于發(fā)生塑性屈服而下降。當(dāng)殘余應(yīng)力降低到與振動(dòng)應(yīng)力疊加后等于新的屈服極*，構(gòu)件內(nèi)的將達(dá)到平衡，使構(gòu)件尺寸穩(wěn)定性得到提高。

　　(3)殘余應(yīng)力隨時(shí)效振動(dòng)的進(jìn)行而降低，并終達(dá)到平衡，如果要繼續(xù)降低σ_殘，就必須增大σ_動(dòng)，否則在構(gòu)件達(dá)到平衡后的振動(dòng)是無效的。

　　從微觀角度來看，殘余應(yīng)力降低的本質(zhì)是通過某種微觀或局部的塑性變形使構(gòu)件中的彈性應(yīng)變能逐漸釋放的過程。構(gòu)件晶體內(nèi)有大量位錯(cuò)存在，在循環(huán)應(yīng)變下，位錯(cuò)克服阻力產(chǎn)生滑移，使晶體產(chǎn)生微觀塑性變形，殘余應(yīng)力的峰值降低，使構(gòu)件原來的內(nèi)應(yīng)力場(chǎng)發(fā)生改變，內(nèi)應(yīng)力降低并重新分布,進(jìn)而達(dá)到平衡。

　　在振動(dòng)交變應(yīng)力的連續(xù)激勵(lì)下，會(huì)不斷被激發(fā)出位錯(cuò)。隨著不斷對(duì)構(gòu)件施加循環(huán)應(yīng)力，位錯(cuò)將會(huì)變得更加均勻，位錯(cuò)的移動(dòng)，即晶體屈服的開始，此時(shí)材料開始發(fā)生塑性變形。上述過程將會(huì)使應(yīng)力集中區(qū)的應(yīng)力減小，殘余應(yīng)力的峰值降低。

振動(dòng)時(shí)效特點(diǎn)

　　在機(jī)械制造、航空、化工器械、動(dòng)力機(jī)械等行業(yè)中，用鋼、鑄鐵、有色合金等材料制造的各類零件成功地采用了振動(dòng)時(shí)效。振動(dòng)時(shí)效之所以得到各方面的普遍重視，是由于它具有如下特點(diǎn)：

　　1、投資少。與熱時(shí)效相比，它無需龐大的時(shí)效爐，可節(jié)省占地面積與昂貴的設(shè)備投資。現(xiàn)代工業(yè)中的大型鑄件與焊接件，如采用熱時(shí)效消除應(yīng)力則需建造大型時(shí)效爐，不僅造價(jià)昂貴，利用率低，而且爐內(nèi)溫度很難均勻，消除應(yīng)力效果很差。采用振動(dòng)時(shí)效可以*避免這些問題。

　　2、生產(chǎn)周期短。自然時(shí)效需經(jīng)幾個(gè)月的放置，熱時(shí)效亦需經(jīng)數(shù)十小時(shí)的周期方能完成，而振動(dòng)時(shí)效一般只需振動(dòng)數(shù)十分鐘即可完成。而且，振動(dòng)時(shí)效不受場(chǎng)地限制，可減少工件在時(shí)效前后的往返運(yùn)輸。如將振動(dòng)設(shè)備安置在機(jī)械加工生產(chǎn)線上，不僅使生產(chǎn)安排更緊湊，而且可以消除加工過程中產(chǎn)生的應(yīng)力。

　　3、使用方便。振動(dòng)設(shè)備體積小，重量輕，便于攜帶。由于振動(dòng)處理不受場(chǎng)地限制，振動(dòng)裝置又可攜至現(xiàn)場(chǎng)，所以這種工藝與熱時(shí)效相比，使用簡(jiǎn)便，適應(yīng)性較強(qiáng)。

　　4、節(jié)約能源，降低成本。在工件的共振頻率下進(jìn)行時(shí)效處理，耗能極小。實(shí)踐證明，功率為186~746W的機(jī)械式激振器可振動(dòng)150t以下的工件，故粗略計(jì)算其能源消耗僅為熱時(shí)效的3%~5%，成本僅為熱時(shí)效的8%~10%。

　　5、振動(dòng)時(shí)效操作簡(jiǎn)便，易于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化自動(dòng)化。可避免金屬工件在熱時(shí)效過程中產(chǎn)生的翹曲變形、氧化、脫碳及硬度降低等缺陷，是目前能進(jìn)行二次時(shí)效的方法。

振動(dòng)時(shí)效工藝

　　1、運(yùn)用振動(dòng)理論對(duì)工件進(jìn)行預(yù)分析

　　根據(jù)工件形狀，分析可能出現(xiàn)的振型。

　　①梁型零件：工件的長(zhǎng)與寬比>3、與厚度比>5。

　　支撐方式：兩端自由，用3-4個(gè)橡膠墊支撐工件在距一端2/9處和7/9處。

　　激振器固定在工件或中間一側(cè)。

　　②箱型零件：工件長(zhǎng)、寬、高比例接近，因其固有頻率高，一般激振器電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速難以達(dá)到，可以通過剛性連接方式形成梁型工件加以處理。

　　③板型零件：工件長(zhǎng)寬接近，長(zhǎng)度與厚度比>5。

　　支撐方式：兩端自由，用4個(gè)橡膠墊支撐工件在距一端1/3處和2/3處。

　　激振器固定在工件中間。

　　④圓形工件：直徑與厚度比>5，以4點(diǎn)支撐為住，布置在互垂直的兩直徑端部。激振器剛性卡在兩支點(diǎn)之間。

　　⑤若工件長(zhǎng)寬比很大、剛度小，應(yīng)考慮多階振型激振方式。

　　⑥小型零件應(yīng)采用振動(dòng)臺(tái)集中處理方式。

　　2、振動(dòng)掃描工件固有頻率和振動(dòng)強(qiáng)度

　　①處理對(duì)象的選擇：工件在振動(dòng)時(shí)效時(shí)是一個(gè)振動(dòng)體，它的共振頻率與其自身的質(zhì)量、剛度、阻尼有關(guān)。采用振動(dòng)時(shí)效要使工件能在激振器的頻率范圍內(nèi)產(chǎn)生共振，也即工件與激振器固定后振動(dòng)體固有頻率應(yīng)小于激振器頻率。因?yàn)榇蟛糠謬a(chǎn)激振器電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速10000r/min，只能激發(fā)固有頻率在167Hz以內(nèi)的工件。當(dāng)然可以采用單臂懸伸、多件剛性連接等降頻措施，或?qū)嵭斜额l共振等技術(shù)。

　　②掃描工件頻率：振動(dòng)時(shí)效設(shè)備以自動(dòng)掃描方式檢測(cè)出被時(shí)效處理工件的共振頻率和合適的振動(dòng)能盤強(qiáng)度。

　　③振動(dòng)強(qiáng)度是指振動(dòng)處理時(shí)激振器施加給工件的動(dòng)應(yīng)力。附加動(dòng)應(yīng)力與工件殘余應(yīng)力疊加后，造成工件局部或整體塑性變形能夠使工件殘余應(yīng)力釋放、均化、消除，進(jìn)而提高基體抗變形能力。研究表明過載系數(shù)K=動(dòng)應(yīng)力/殘余應(yīng)力，能夠體現(xiàn)振動(dòng)時(shí)效處理的有效性，通常K值為0.45取值較合理。在沒有動(dòng)應(yīng)力檢測(cè)的條件下可以用振幅指標(biāo)替代。

　　3、振動(dòng)處理

　　①激振：調(diào)節(jié)振動(dòng)時(shí)效設(shè)備達(dá)到掃描檢測(cè)的工件固有頻率，回復(fù)至亞共振狀態(tài)，給予適度的激振力，保持激振時(shí)間獲得時(shí)效效果。

　　②激振時(shí)間：振動(dòng)時(shí)間的長(zhǎng)短意味著加載次數(shù)，根據(jù)美國馬丁公司“二次掃描分析法”：1t以內(nèi)，10～15min;1~3t，15-20min;3～5t，20～30min;5t以上，30～40min。

　　③工件支撐點(diǎn)及激振點(diǎn)的選擇：不同類型的工件具有不同的振型，支撐位置應(yīng)該是工件振動(dòng)波的節(jié)點(diǎn)處，支撐處采用彈性材料(橡膠墊等)。激振點(diǎn)是工件振動(dòng)波的波峰處，將激振器剛性夾持戲此處，能夠激起大的共振幅值和動(dòng)應(yīng)力。

振動(dòng)時(shí)效效果評(píng)定

　　1、殘余應(yīng)力測(cè)試法：通常有切割法、小盲孔法、X射線檢測(cè)法，由于上述方法有一定的破壞性，現(xiàn)場(chǎng)難以操作僅作為實(shí)驗(yàn)使用。

　　磁檢測(cè)法：具有設(shè)備簡(jiǎn)單、易于操作、數(shù)據(jù)直觀等特點(diǎn)，它不僅可以檢測(cè)殘余應(yīng)力也可以測(cè)量載荷作用下的應(yīng)力變化。原理為：在磁場(chǎng)作用下應(yīng)力產(chǎn)生磁異性，將磁導(dǎo)率的變化轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，通過傳感器和電路，輸出的電流(或電壓)值反映應(yīng)力的變化。該種方法隨著技術(shù)和產(chǎn)品的不斷成熟會(huì)擴(kuò)大應(yīng)用，但工件表面粗糙度有一些影響。

　　2、尺寸穩(wěn)定性檢測(cè)：尺寸穩(wěn)定性是定期對(duì)工件尺寸精度的測(cè)量來實(shí)現(xiàn)的。一是觀測(cè)工件尺寸精度隨時(shí)間延長(zhǎng)發(fā)生的變化，二是測(cè)量工件在動(dòng)、靜載荷作用下的尺寸變化(可與熱時(shí)效比較)。此種方法效果好，但時(shí)間在3個(gè)月以上，只適用在驗(yàn)證新型零件或新型工藝上。

　　3、參數(shù)曲線觀測(cè)法：可根據(jù)振動(dòng)時(shí)效設(shè)備處理過程實(shí)時(shí)打印a-t曲線的變化及a-n曲線振前后的變化評(píng)估振動(dòng)時(shí)效效果。出現(xiàn)下列現(xiàn)象可判定振動(dòng)時(shí)效有效：①a-t曲線上升后變平;②a-t曲線上升后下降，終變平;③a-n曲線振后共振峰出現(xiàn)振幅升高、降低、左移、右移;④a-n曲線變得簡(jiǎn)潔而平滑;⑤a-n曲線振后出現(xiàn)低幅振峰增值現(xiàn)象。

振動(dòng)時(shí)效技術(shù)的發(fā)展方向和前景

　　目前，振動(dòng)時(shí)效技術(shù)已在建筑、機(jī)械、裝備制造等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。振動(dòng)時(shí)效技術(shù)與自然時(shí)效和熱時(shí)效技術(shù)相比，具有低能耗、率、低成本、綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。隨著產(chǎn)品制造技術(shù)的發(fā)展，對(duì)構(gòu)件性能的要求越來越高，新的時(shí)效工藝和理論也在相應(yīng)地不斷發(fā)展。綜合當(dāng)前的研究成果，振動(dòng)時(shí)效技術(shù)仍存在以下問題值得深入研究探索：

　　1、應(yīng)力調(diào)控的微觀作用機(jī)理

　　需要研究如何利用振動(dòng)或蠕動(dòng)的頻率、功率和時(shí)間去打破、消弱或增強(qiáng)晶格間約束力的機(jī)理，以及研究高能聲波在材料內(nèi)部以強(qiáng)烈振幅傳播所造成的局部升溫對(duì)材料晶體原子克服位錯(cuò)阻力做功的關(guān)系。終通過有效地控制晶格間的約束力和松弛狀態(tài)來實(shí)現(xiàn)有效調(diào)節(jié)和控制殘余應(yīng)力。

　　2、振動(dòng)時(shí)效效果檢測(cè)技術(shù)

　　參數(shù)曲線觀測(cè)法及精度穩(wěn)定性檢測(cè)法均屬于定性檢測(cè)技術(shù)，難以獲得定量數(shù)據(jù)。殘余應(yīng)力測(cè)量法雖然屬于定量檢測(cè)技術(shù)，但各種檢測(cè)方法均包含一定的缺點(diǎn)，檢測(cè)精度不高，誤差較大，特別是對(duì)于低幅值的殘余應(yīng)力檢測(cè)能力不能滿足需求。

　　3、殘余應(yīng)力調(diào)控閉環(huán)裝置的研發(fā)

　　在通過振動(dòng)調(diào)控殘余應(yīng)力的同時(shí)，實(shí)時(shí)檢測(cè)調(diào)控區(qū)域內(nèi)的殘余應(yīng)力，將殘余應(yīng)力值作為反饋信號(hào)提供給調(diào)控系統(tǒng)，使得調(diào)控系統(tǒng)及時(shí)判斷下一步的調(diào)控指令，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)構(gòu)件的局部原位定量閉環(huán)調(diào)控。目前，國內(nèi)外還沒有該類閉環(huán)裝置。該裝置的研發(fā)與生產(chǎn)將對(duì)機(jī)械制造工藝方案和在役構(gòu)件的安全服役產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響，具有良好的應(yīng)用前景。