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振動(dòng)時(shí)效的原理
國內(nèi)外大量的應(yīng)用實(shí)例證明，振動(dòng)時(shí)效對(duì)消除和均化殘余應(yīng)力，穩(wěn)定工件的尺寸精度具有良好的作用。同時(shí)對(duì)振動(dòng)時(shí)效的機(jī)理也做了大量的研究和探討。
從宏觀角度分析，振動(dòng)時(shí)效使零件產(chǎn)生塑性變形，降低和均化殘余應(yīng)力并提高材料的抗變形能力，無意識(shí)導(dǎo)致零件尺寸精度穩(wěn)定的基本原因。從分析殘余應(yīng)力松弛和零件變形中可知，殘余應(yīng)力的存在及其不穩(wěn)定性造成了應(yīng)力松弛和再分布，使零件發(fā)生塑性變形。故通常采用熱時(shí)效方法以消除和降低殘余應(yīng)力，特別是危險(xiǎn)的峰值應(yīng)力。振動(dòng)時(shí)效同樣可以降低殘余應(yīng)力。零件在振動(dòng)處理后殘余應(yīng)力通常可降低30~55﹪，同時(shí)也使峰值應(yīng)力降低，使應(yīng)力分布均勻化。
除殘余應(yīng)力值外，決定零件尺寸穩(wěn)定性的另一種重要因素是松弛剛性，或零件的抗變形能力。
有時(shí)雖然零件具有較大的殘余應(yīng)力，但因其抗變形能力強(qiáng)，而不致造成大的變形。在這一方面，振動(dòng)時(shí)效同樣表現(xiàn)出明顯的作用。由振動(dòng)時(shí)效的加載實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，振動(dòng)時(shí)效件的抗變形能力不僅高于未經(jīng)時(shí)效的零件，也高于經(jīng)熱時(shí)效處理的零件。通過振動(dòng)而使材料得到強(qiáng)化，使零件的尺寸精度達(dá)到穩(wěn)定。
從微觀方面分析，振動(dòng)時(shí)效可視為一種以循環(huán)載荷的形式施加于零件上的一種附加動(dòng)應(yīng)力。眾所周知，工程上采用的材料都不是理想的彈性體，其內(nèi)部存在著不同類型的微觀缺陷。鑄鐵中更是存在著大量形狀各異的切割金屬基體得石墨。故而無論是鋼、鑄鐵或其他金屬，其中的微觀缺陷附近都存在著不同程度的應(yīng)力集中。當(dāng)受到振動(dòng)時(shí)，施加于零件上的交變應(yīng)力與零件中的殘余應(yīng)力疊加。當(dāng)應(yīng)力疊加的結(jié)果達(dá)到一定的數(shù)值時(shí)，在應(yīng)力集中嚴(yán)重的部位就會(huì)超過材料的屈服極限而發(fā)生塑性變形。這種塑性變形降低了該處殘余應(yīng)力峰值，并強(qiáng)化了金屬機(jī)體。而后，振動(dòng)又在一些應(yīng)力集中較嚴(yán)重的部位上產(chǎn)生同樣作用，直至振動(dòng)附加應(yīng)力與殘余應(yīng)力疊加的代數(shù)和不能引起任何部位的塑性性別為止，此時(shí)，振動(dòng)便不再產(chǎn)生消除和均化殘余應(yīng)力及強(qiáng)化金屬作用。上述解釋已由大量的試驗(yàn)加以證明。
此外，我更主張從錯(cuò)位、晶格滑移等金屬學(xué)理論上去解釋振動(dòng)時(shí)效機(jī)理。其主要觀點(diǎn)是振動(dòng)時(shí)效處理過程實(shí)際上是通過在工件的共振狀態(tài)下，給工件的每一部位（從微觀角度說是工件里的每一個(gè)微觀晶格）施加一定的動(dòng)能量，如果施加的這個(gè)能量值與微觀組織本身原有的能量值（殘余應(yīng)力本身是一種勢(shì)能）之和，足以克服微觀組織周圍的井勢(shì)（也可以說是對(duì)恢復(fù)平衡的束縛力），則微觀區(qū)域必然會(huì)產(chǎn)生塑性變形，使產(chǎn)生殘余應(yīng)力的歪曲晶格得以慢慢地回復(fù)平衡狀態(tài)，使應(yīng)力集中處地位錯(cuò)得以滑移并重新釘扎，達(dá)到消除和均化殘余應(yīng)力的目的。對(duì)于殘余應(yīng)力集中的地方，殘余應(yīng)力值較大，其微觀組織本身所具有的回復(fù)平衡狀態(tài)的勢(shì)能值也較大，所以，此處的殘余應(yīng)力在震動(dòng)處理過程中消除的就越多。只有從這一觀點(diǎn)上才能解釋通許多用種觀點(diǎn)所解釋不通的一些現(xiàn)象，比如：在振動(dòng)處理過程中我們只需施加一個(gè)方向的主動(dòng)應(yīng)力，就能消除包括垂直主動(dòng)應(yīng)力方向上的所有殘余應(yīng)力等

時(shí)效方法簡(jiǎn)介
構(gòu)件在冷熱加工過程中，必然產(chǎn)生殘余應(yīng)力，因此消除殘余應(yīng)力的時(shí)效工序就十分必要了，凡是能降低殘余應(yīng)力，使工件尺寸精度穩(wěn)定的方法都叫“時(shí)效”。主要方法有熱時(shí)效、自然時(shí)效、振動(dòng)時(shí)效、靜態(tài)過載時(shí)效、熱沖擊時(shí)效等。后兩種方法應(yīng)用少不再講述。
§3.1自然時(shí)效
自然時(shí)效是較古老的時(shí)效方法。它是把構(gòu)件露天放置于室外，經(jīng)過幾個(gè)月至幾年的風(fēng)吹.日曬.雨淋和季節(jié)溫度的變化，給構(gòu)件多次造成反復(fù)的溫度應(yīng)力。在溫度應(yīng)力形成的過載下促使殘余應(yīng)力發(fā)生松弛而使尺寸精度獲得穩(wěn)定。
自然時(shí)效降低的殘余應(yīng)力不大，但對(duì)工件尺寸穩(wěn)定性很好，原因是工件經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的放置石墨及其它線缺陷附近產(chǎn)生應(yīng)力集中，發(fā)生了塑性變松弛了應(yīng)力，同時(shí)也強(qiáng)化了這部分基體，于是該處的松弛剛度也提高了，增加了這部分材質(zhì)的抗變形能力，自然時(shí)效降低了少量殘余應(yīng)力，卻提高了構(gòu)件的松弛剛度，對(duì)構(gòu)件的尺寸穩(wěn)定性較好，方法簡(jiǎn)單易行，但生產(chǎn)周期長(zhǎng).占用場(chǎng)地大，不易管理，不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)構(gòu)件內(nèi)的缺陷，已逐漸被淘汰。

概括起來講振動(dòng)時(shí)效的工藝過程分四步進(jìn)行：
步：首先用彈性橡膠墊將要時(shí)效處理的工件在其節(jié)線附近支撐起來，并將激振器用弓形卡具卡緊在工件振動(dòng)時(shí)的波峰處，將測(cè)試工件振動(dòng)情況的傳感器用磁坐吸緊在工件上，并用電纜線將激振器、傳感器和控制器連接起來，這一步又稱為準(zhǔn)備過程。
第二步：振動(dòng)時(shí)效設(shè)備以掃描的方式自動(dòng)檢測(cè)出被時(shí)效處理工件的固有共振頻率和應(yīng)該給工件振動(dòng)能量的大小，這一步又稱為振前掃描。
第三步：振動(dòng)時(shí)效設(shè)備以第二步測(cè)得參數(shù)為依據(jù)自動(dòng)確定出對(duì)工件進(jìn)行振動(dòng)處理的振動(dòng)頻率，并對(duì)工件進(jìn)行振動(dòng)時(shí)效處理，在處理過程中隨時(shí)檢測(cè)振動(dòng)參數(shù)和工件殘余應(yīng)力的變化，而殘余應(yīng)力不再消除時(shí)即適時(shí)停止處理過程，這一步又稱為振動(dòng)處理過程。
第四步：振動(dòng)處理完畢后，振動(dòng)時(shí)效設(shè)備自動(dòng)對(duì)被時(shí)效處理工件的參數(shù)進(jìn)行再一次檢測(cè)，以便依據(jù)JB/T5926-91或JB/T10375-2002標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)振動(dòng)時(shí)效進(jìn)行判定。這一步又稱為時(shí)效效果檢測(cè)過程或振后掃描。
振動(dòng)時(shí)效工藝實(shí)際上是指對(duì)工件的幾個(gè)振動(dòng)時(shí)效參數(shù)的確定，振動(dòng)時(shí)效的幾個(gè)主要參數(shù)是：振動(dòng)頻率、振動(dòng)時(shí)間、動(dòng)應(yīng)力、工件的振型（用來確定工件的支撐位置，激振器和傳感器的裝夾位置），下面將對(duì)這幾個(gè)參數(shù)進(jìn)行較為詳細(xì)的說明。
一、 振動(dòng)頻率的確定
在共振狀態(tài)下，可用小的振動(dòng)能量，使工件產(chǎn)生的振幅，得到的動(dòng)應(yīng)力和動(dòng)能量，從而使工件中的殘余應(yīng)力消除的更，工件獲得的尺寸穩(wěn)定性效果更好。
振動(dòng)時(shí)效中的共振狀態(tài)，是在外部激振器激振力的持續(xù)作用下，零件處于“受迫振動(dòng)”時(shí)的一個(gè)特殊狀態(tài)。它的條件是激振頻率接近工件的固有頻率，這時(shí)振動(dòng)特性中的振幅—頻率曲線出現(xiàn)一個(gè)峰值，振幅的陡然增大對(duì)振動(dòng)時(shí)效產(chǎn)生附加動(dòng)應(yīng)力有利。
工件在振動(dòng)時(shí)效時(shí)是一個(gè)振動(dòng)體，它與其支撐用的彈性橡膠墊和激振器組成為一個(gè)振動(dòng)系統(tǒng)，當(dāng)該系統(tǒng)進(jìn)行自由振動(dòng)時(shí)，根據(jù)振動(dòng)學(xué)原理，它的共振頻率僅與系統(tǒng)本身的質(zhì)量、剛度和阻尼有關(guān)。這個(gè)頻率是由系統(tǒng)固有性質(zhì)所決定的，稱為固有頻率。

殘余應(yīng)力
§2.1殘余應(yīng)力分類
在各種金屬構(gòu)件加工制造過程中，構(gòu)件內(nèi)部不可避免地會(huì)產(chǎn)生殘余應(yīng)力。生產(chǎn)過程中應(yīng)力產(chǎn)生主要工藝分為：鑄造殘余應(yīng)力、焊接殘余應(yīng)力、壓力加工殘余應(yīng)力、切削加工殘余應(yīng)力、熱處理殘余應(yīng)力、鍍層殘余應(yīng)力、表面硬化處理殘余應(yīng)力、校直殘余應(yīng)力等。
§2.2殘余應(yīng)力的產(chǎn)生
各種機(jī)械加工一如鑄造、切削、焊接、熱處理、裝配等都會(huì)使工件內(nèi)部出現(xiàn)不同程度的殘余應(yīng)力。從殘余應(yīng)力產(chǎn)生的原因來講，可分成如下幾類：
1. 由于機(jī)械加工產(chǎn)生不均勻的塑性變形引起的殘余應(yīng)力。
2. 由于溫度不均勻造成的局部熱塑性變形或相變作用引起的不均勻塑性變形而產(chǎn)生的殘余應(yīng)力。
3. 由于裝配公差產(chǎn)生的殘余應(yīng)力。
此外還有化學(xué)變化等多種原因都可產(chǎn)生殘余應(yīng)力。
由于產(chǎn)生殘余應(yīng)力的原因不同，因此構(gòu)建內(nèi)殘余應(yīng)力的分布和良知也不相同。某點(diǎn)的終殘余應(yīng)力的量值，是由各種原因產(chǎn)生的殘余應(yīng)力的綜合值。
現(xiàn)將產(chǎn)生殘余應(yīng)力的幾種主要原因的力學(xué)模型分述如下。
一、 機(jī)械加工引起的殘余應(yīng)力
這是金屬構(gòu)件在加工中易產(chǎn)生的殘余應(yīng)力。當(dāng)施加外力時(shí)，物體的一部分出現(xiàn)塑性變形，卸載后，塑性變形部分限制了與其相鄰部分變形的恢復(fù)，因而出現(xiàn)了殘余應(yīng)力。
這種由局部塑性變形引起的殘余應(yīng)力，在很多加工工藝中均會(huì)出現(xiàn)，如鍛壓、切削、冷撥、冷彎等等。這種殘余應(yīng)力往往是很大的。
二、 溫度不均勻引起的殘余應(yīng)力
大多數(shù)金屬都不是純彈性或純塑性材料，在冷卻過程中往往會(huì)發(fā)生塑性至彈性的轉(zhuǎn)變。以鑄鐵件和碳鋼焊接件為例；無論是鑄造和焊接均需要將構(gòu)件加熱到800℃以上。加工后放在自然溫度環(huán)境中，構(gòu)件都要經(jīng)過這個(gè)塑性—彈性轉(zhuǎn)變溫度區(qū)間700---400℃，由于構(gòu)件冷卻是從外到內(nèi)的，就會(huì)產(chǎn)生外部成彈性溫度區(qū)間，而構(gòu)件內(nèi)部還處在塑性溫度區(qū)間，通俗的講就是構(gòu)件外部已經(jīng)固化，而內(nèi)部因?yàn)槔^續(xù)冷卻而收縮，構(gòu)件外部不讓其收縮產(chǎn)生殘余應(yīng)力。