振动时效国内外情况概述

点击数:662020-11-15来源: 振动时效机


振动时效国内外情况概述

 

铸锻焊件,在冷热加工过程中,产生残余应力,高者在屈服极限附近。构件中的残余应力大多数表现出很大的有害作用;如降低构件的实际强度、

降低疲劳极限、造成力腐蚀和脆性断裂,由于残余应力的松弛,使零件产生撬曲,大大的影响了构件的尺寸精度。因此降低构件的残余应力,是

十分必要的。

 

一、 残余应力的产生

1. 铸造应力的产生

(1) 热应力

铸件各部分的薄厚是不一样的,如机床床身导轨部分很厚,侧壁、筋板部分较薄,其横向截面如图一所示。铸后,薄壁部分冷却速度快收缩大,

而厚壁部分,冷却速度慢,收缩的小。薄壁部分的收缩受到厚壁部分的阻碍,所以薄壁部分受拉力,厚壁部分受压力。因纵向收缩差大,因而产生

的拉压应力也大。这时铸件的温度高,薄厚壁都处于塑性状态,其压应力使厚壁部分变粗,拉应力使薄壁部分变薄,拉压应力,随塑性变形而消

失。

 

图一

铸件逐渐冷却,当薄壁部分进入弹性状态而厚壁部分仍处于塑性时,压应力使厚壁部分产生塑性变形,继续变粗,而薄壁部分只是弹性拉长,这时

拉压应力随厚壁部分变粗而消失。铸件仍继续冷却,当薄厚壁部分进入弹性区时,由于厚壁部分温度高,收缩量大。但薄壁部分,温度低收缩量

小,这薄壁部分阻止厚壁部分收缩,故薄壁受压应力,厚壁受拉应力。应力方向发生了改变。这种作用一直持续到室温,结果在常温下厚壁部分受

拉应力,薄壁部分受压应力。

这个应力是由于各部分薄厚不同。冷却速度不同,塑性变形不均匀而产生的,叫热应力。

在导轨或侧壁的同一个截面内,表层与内心部,由于冷却快慢不同,也产生相互平衡拉压的应力,用类似于上述方法分析,可知在室温下表层受压

应力,心部受拉应力,并且截面越大,应力越大,此应力也叫热应力。

 

(2) 相变应力

常用的铸铁含碳量在2.8-3.5%,属于亚共晶铸铁,由结晶过程可知:厚壁部分在1153℃共晶结晶时,析出共晶石墨,产生体积膨胀,薄壁部分阻

碍其膨胀,厚壁部分受压应力,薄壁部分受拉应力。厚壁部分因温度高,降温速度快,收缩快,所以厚壁逐渐变为受拉应力。而薄壁与其相反。在

共析(738℃)前的收缩中,薄厚壁均处于塑性状态,应力虽然不断产生,但又不断被塑性变形所松弛,应力并不大。当降到738℃时,铸铁发生

共析转变,由面心立方,变为体心立方结构(即γ-Fe变为α-Fe),比容由0.124cm³/g增大到0.127cm³/g。同时有共析石墨析出,使厚壁部分伸

入,产生压应力。上述的两种应力,是在1153℃和738℃两次相变而产生的,叫相变应力。相变应力与冷却过程中产生的热应力方向相反,相变应

力被热应力抵消。在共析转变以后不在产生相变些力,因此铸件由于薄厚冷却速度不同所形成的热应力起主要作用。

 

(3) 收缩应力(亦叫机械阻碍应力)

铸件在固态收缩时,因受到铸型、型芯、浇冒口等的阻碍作用而产生的应力叫收缩应力。

由于各部分由塑性到弹性状态转变有先有后,型芯等对收缩的阻力将在铸件内造成不均匀的塑性变形,产生残余应力。收缩应力一般不大,多在打

箱后消失。

 

(4) 残余应力的分类

残余应力的分类方法有许多种,如:

a) 按应力产生原因,有热应力、相变应力、收缩应力。详细内容如上所述。

b) 按应力方向分有拉应力(力的方向相背的应力),压应力(力的方向相向的应力)。

c) 按影响区域的大小分有:

第一类应力,亦叫宏观应力。它是存在于整个体积或较大尺寸范围内并保持平衡的应力,如沿机床床身导轨纵向分布的拉应力和沿侧壁分布的压应

力等。

第二类应力,亦叫微观应力。它是存在于一个晶粒或几个晶粒内,并保持平衡的应力。例如:晶粒1、2、3、4、5同处拉应力的应力场中,应力大

小为σ。从金属物理可知:

各个晶粒所受的切应力与取向因子成正比。假设晶粒1的取向因子最大,则晶粒1切应力最大,若此切应力略大于临界内应力,则晶粒1产生塑性变

形。其余各晶粒处于弹性状态。

当应力σ除掉后,晶粒2、3、4、5均为回复到原状态,但晶粒1产生塑性伸长,不能回复到原状态,阻碍2、3、4、5晶粒回复,结果晶粒1受压应

力,其余各晶粒受拉应力。

这种在几个品粒间存在并保持平衡的应力,称为第二类残余应力。

第三类应力,亦叫超微观应力。它是存在于几个原子或几千个原子内并保持平衡的应力。例如,间隙原子与溶剂原子间存在的应力。

d) 按应力在工件中存在和作用的时间长短可分为:

临时应力,所产生应力的条件消失后,应力也随之消失。

残余应力,亦叫残留应力或内应力。产生应力的条件消失后,应力依然存在于工件不同部位的应力叫残余应力。如热应力、相变内力、收缩应

力等,都是残余应力。

上述分类法,亦适用于焊接件、锻件等。

 

2. 焊接应力的产生:焊接中、焊缝处温度迅速升高,体积膨胀。热影响区温度低,阻碍焊缝膨胀,结果焊缝处产生压应力,热影响区产生拉应力。

但此时焊缝处于塑性状态,

3. 焊缝被压应力墩粗,松弛了此应力。

焊后冷却时,热影响区冷却速度快,很快进入弹性状态,焊缝处温度高,处于塑性状态。这时焊缝收缩,较热影响区收缩慢,焊缝阻碍热影响区收

缩,焊缝仍受压应力,

影响区受拉应力。但焊缝处于塑性状态,焊缝的塑性墩粗,松弛了此应力。

热影响区温度不断降低,冷却速度也变慢,当焊缝的冷确速度高于热影响区时,焊缝收缩较快,焊缝的收缩受到热影响区阻碍,应力方向发生了转

变:焊缝受拉应力,热影响区

受压应力。当焊缝和热影响区都进入弹性状态时,因焊缝温度高,冷确速度快,收缩量大,热影响区温度低,冷却速度低,收缩量小,焊缝收缩受

到热影响区阻碍,结果焊缝

受拉应力,热影响受压应力。此时没有塑性变形,这一对拉压应力,随着温度的降低,焊缝收缩受阻碍越来越大,拉应力也越来越大,直至室温,

拉应力可近似于屈服极限。

综上所述,铸造、锻造、焊接等都必然产生残余应力。焊件沿焊缝纵向分布着近似于屈服点的拉应力。而铸铁件由于石墨尖端的松弛,残余应力不

高,其铸造应力范围列于表一。

 

表一 各种铸铁件的铸造应力       单位:N/mm²


二、 时效方法简介

构件在冷热加工过程中,必然产生残余应力,因此消除残余应力的时效工序就十分重要了。

凡是能降低残余应力,使工件尺寸精度稳定的方法都叫“时效”。

时效方法有:热时效、振动时效、自然时效、静态过载时效、热冲击时效等。后两种方法应用很少,这里不进行赘述。

1. 自然时效

自然时效是最古老的时效方法。它是把构件露天置于室外,经过几个月至几年的风吹、日晒、雨淋、严寒、酷暑和季节性的温度变化,给构件多次

造成了反复的温度应力。

在温度应力形成的过载下,促使残余应力发生松弛而使尺寸精度获得稳定。

经过自然时效的铸件,其残余应力变化并不明显。1985年8月长春光机所通过了铸铁松弛及其测定装置的鉴定,该鉴定的研究报告指出:HT20—

40的环形试样,加载至

8.44kg/mm²自然放置25个月,松弛掉0.631kg/mm²的应力,松弛了原应力的7.4%。一个45钢的同样环形试样25个月松弛了原应力的1.44%。一

般认为,经过一年的室外

露天放置的自然时效构件,残余应力仅降低2~10%。实测机床床身残余应力结果表明,经过一年的自然时效,床身的最大应力由80N/mm²降至

70N/mm²;平均残余应力由

38N/mm²降至30N/mm²。由此可见,经自然时效已经停止变形的铸件,仍然存在着相当大的残余应力。

自然时效松弛的残余应力不多,但构件的尺寸稳定性却很好,这是为什么呢?原来构件经过长时间的大自然陶冶,石墨尖端及其他线缺陷尖端附近

产生应力集中,发生了塑性变形,松弛了应力,同时也强化了这部分基体,于是该处的松弛刚度【产生应力松弛(或叫应力释放)所需的最小应力

(也叫临界应力)】提高了,从而增加了材质的抗变形能力。

因此可概括地说:自然时效降低了少量残余应力,却较大地提高构件的松弛刚度,因而构件的尺寸稳定性很好。由此得到启迪:通过时效,提高构

件的松弛刚度,也是获得

尺寸精度稳定的好方法。

此法虽然简单易行,但它延长了生产周期、积压资金,占用场地大,管理比较复杂,不能及时发现构件内的缺陷,所以逐渐被淘汰。

2. 热时效

热时效是将构件由室温(或不高于150℃)缓慢、均匀加热至550℃左右,保温4-8小时,再严格控制降温速度至150℃以下出炉。

热时效工艺要求是严格的,如要求炉内各处温差不宜大于±25℃,升温速度不大于50℃/h,降温速度不大于20℃/h。炉内最高温度不许超过

570℃,保温时间也不宜过长,

如果温度高于570,保温时间过长,会引起石墨化,构件强度降低。如果升温速度过快,构件在升温中薄壁处升温速度比厚壁快得多,构件各部分

的温差急剧增大,会造成

附加温度应力。如果附加应力与构件本身的残余应力叠加超过强度极限,就会造成构件开裂。

热时效如果降温不当,会使时效效果大为降低,甚至产生与原残余应力相同的温度应力(二次应力),并残留在构件中,从而破坏了已取得的热时

效效果。表2示出了降温速度对

残余应力消除的影响。

 

表2 降温速度对消除残余应力的影响

 注:炉内温度差不大于25℃

当前,我国热时效存在着许多问题,如

1) 建窑占厂房面积大,费用高。

我国目前使用的热时效由10平方米至百余平方米不等,其造价每平方米1 - 1.2万,建一座大型时效窑需投资几十万至百余万元。

2) 热时效耗能多,成本高。

各厂现用的热时效窑结构落后,耗能高,如长沙机床厂热时效炉耗能标准为179公斤/吨,齐齐哈尔第一机床厂的平方米台车式重油时效窑,实耗燃

料折合标准煤71.4公斤/吨,

热时效每吨铸件61.2元。

3) 炉温均匀性差,升降温速度更无严格控制。大时效炉内的炉门处,炉中部和炉后端三个区域温度不均匀,时效效果差别很大,如齐齐哈尔第一

机床厂对炉内不同区域的

并条机件热时效消除应力结果进行测试,结果列于表3。

 

表3 工件在炉内不同位置消除应力的测试结果

从表3可见:同一炉内,热时效消除应力不均匀。

此外热时效劳动强度大,污染严重等,近年来,在许多厂家被振动时效代替。

 

三、 振动时效

振动时效是“锤击松弛法”(敲击时效)的发展。可用木锤、橡皮锤、紫铜锤等,敲构件的合适部位,可激起构件共振。如用拾振器、测振仪和光

线示波器,可记录下构件作

自由衰减振动的振形。

锤击松弛法是给工件一个冲击力,激起构件的响应,构件以自己的固有频率和迅速衰减的振幅作减幅振动。敲击后的最初振幅大,在构件内引起的

“振动力”也大。这一振动力

多次反复作用,当它与残余应力迭加时,在应力集中处超过材料的屈服极限σs,引起局部塑性变形,松弛了应力,使应力峰值降低。

锤击松弛法,是敲击后的“大振幅”对时效起作用。于是人们得到启迪:为什么不能用一激振力,激起构件的响应,并在大振幅下持续振动一定时

间,使工件内的“大振动力”与残余应力迭加,在应力集中处引起塑性变形而松弛应力?在此思想下产生了振动时效技术。振动时效,在国外称之

为“V.S.R”技术,它是 Vibratory Stress Relief的缩写。

它是在激振器的周期性外力(激振力)的作用下,使构件共振,进而松弛残余应力,提高构件的松弛刚度,使其尺寸稳定的方法。振动时效是热时

效的补充和发展,可在很大范围内代替热时效。国家机电部等六个部委将振动时效定为第七个五年计划间推广的节能项目。

 

1. 国外应用情况概述

“V.S.R”在国外应用相当普遍。据不完全统计美国有七百多个厂家,英国有300多个公司应用振动时效。美国的莫尔公司,西德的VDF机械制造公

司,苏联的伊凡诺夫重型机床厂等都将“V.S.R”用于精密机床上,英联拉斯诺雅尔斯科市重型挖掘机厂90%的焊接件应用V.S.R。全世界应用振动

时效的超过万家。

日本的“法纳克公司”与北京机床研究所的技术交流中,日方点名要交流中国的振动时效技术。机床所派员到日传送此技术。日本小松机械制造所

的南晃弘先生与齐齐哈尔第一机床厂也交流了此项技术。

国外有不少厂家出售“V.S.R”设备和工艺,如英国的“应力消除公司”、西德的“马丁公司”、美国的“V.S.R公司”等。出售设备的型号有美国

的“V.S.R-790A型”,英国的“VCM-80(交流调频)型”,法国的“PA3型”,西德的“LT120—MX800及LT120MX800R”型等。苏联克拉马

尔斯克工业研究所于88年研制了BK-86振动时效装置,用谐振处理消除内应力。

76年国际焊接协会发表R.A. Claxton的文章指出:实际上,全部专用机床厂和很多标准机床厂都用“V.S.R来处理底座(包括床身)立柱,张臂梁和

滑枕等,达到这些铸件和软钢件在尺寸上的稳定,76年,苏联伊凡诺夫重型机床厂宣称:“我厂有两个工段对大件和基础件进行振动时效……。机

床高频淬火后使用振动消除应力”。“V.S.R”处理工件的种类很广泛,如刚性很低的10米长造纸机刀片,刚性大而重的63吨的剪床头及

300×375×150mm的小泵体等。

由上述可知国外应用V.SR技术很普遍,应用厂家多,应用范围广。

国外反映振动时效效果是很好的。例如:


2. 国内应用情况概述

从76年起,国内开始注意“V.S.R”技术,近年来得到迅速发展。北京机床研究所对X62W铣床工作台,T649镗床床身,B2010刨床六大件和表面

淬硬件的振动时效进行了研究,近期将振动时效用于HMC-1QHMC-2的柔性加工单元,CNC型超精车车床上,取得了良好效果,北京第一机床

厂、长沙机床厂都不同程度地将振动时效纳入工艺、大连工学院、大连机床厂振动时效联合科研组82年10月通过了鉴定。

齐齐哈尔第一机床厂是国内最早从事“V.S.R”技术的研究和应用单位之一。现已从理论到实践,建立起一套较完整体系,几乎所有系列产品主要件

都采用了“V.S.R”,已正式纳入工艺。V.S.R处理已是出口产品、数控产品,高精度机床等生产中不可缺少的一道工序。

齐齐哈尔第一机床厂首先成功地将V.S.R技术应用于高精度大型机床—Y3160型一米六卧式滚齿机上。该机床的床身,分度蜗轮付(一付两件),

床头箱、丝杠等主要件上,经过在厂内一年的试率车、重切削、调试等试验,导轨平直性,加工精度没有变化,装箱时测量与装配初期测量结果一

致。当时厂内检查部门对这台机床有如此好的精度保持性感到惊呀。究其原因:应用了振动时效。

该厂又将V.S.R技术应用于TP420围带车床床身上。该床身共分三段,每段宽2米,长9米,高0.8米,重32吨。

此床身精加前进行振动处理,然后在10米导轨磨上先粗后精磨,最后测得导轨平直度如图六中虚线所示,其中最大偏差为上凸0.037mm。此床发

往哈尔滨汽轮机厂使用,安装调试后又使用一年后,齐一机床派人跟踪到哈汽厂再次测量其导轨精度。测得结果如图六实线所示,从图六可看出:

经过一年的使用,包括磨损量在内,导轨不直度最大变化不大于0.015mm,9米长、32吨重的大床身,获得如此的尺寸精度稳定,已经是高水平的

了。此例足以说明振动时效能够提高构件的尺寸精度稳定性。9米长最大变化量0.015mm,平均到每米只有0.017mm变化量。

结论:齐齐哈尔第一机床厂在重型铸件上,尺寸精度稳定性不大于1.7微米/米。这与美国将V.S.R技术用于精密镗床,床身精度超过了每米2.5微米

相当。

齐一机床厂现已将振动时效用于CM61200车磨床,Q1-054双柱导轨磨,Q1-0.53定子机座车镗床,立车系列从0.8米到6米立车,卧车系列从

CW6163/1.5到4米重车,Q1-LX车轮自动线,Q1-072数控卧车,CK5112G数控立车,具有80年代先进水平的CK5116D柔性加工中心等等几乎所

有在场的产品上,在现场应用11年,处理大件达30余吨,长近10米,小件百余公斤,其处理大中小铸、焊件数千吨,累积效益可节省时效费用150

余万元。

1987年机被委第六设计院,机械委北京机床研究所根据机械委生产司节能处的要求,对齐齐哈尔第一机床厂进行了“典型厂振动时效经济效益及应

用范围分析”最后得出结论为:

(1) 在1986年26种在场产品中时效件的总净重量4662.3吨,振动时效件的总净重2315.9吨,振动时效占时效件的总净重2315.9吨,振动时效占

时效件的重量百分比为49.6%。

(2) 1986年振动时效和热时效能耗:振动时效耗电折合标准煤0.98吨,热时效耗电、油、蒸汽折合标准煤249.26吨,振动时效较热时效节省标

准煤99.6%。

(3) 1986年振动时效和热时效耗资:振动时效费用10651.2元,热时效费用143680元,振动时效节约资金133028.8元,振动时效较热时效节约

资金92.6%(此节约费只计算了时效费用,不包括节省工序、工时及资金周转费用)。

此分析,认真、仔细、留有余地,可供有关单位参考。

国内将振动时效正式纳入工艺的厂家有40余家,其中有不少厂家取得了可喜的成果。如号称国宝的第一重机厂,将“V.S.R”技术应用于混铁炉尺

条,180kg/m重轨,工作辊换辊梁,垂直轮轨道取得成功。

混铁炉尺条,材质42SiMn,尺寸φ420×680的长筒,利用二阶4900RPM(≈81.7Hz)主振,加速度幅值17.8。热时效后精加工最大撬曲2mm,

振动时效后精加工最大撬曲1.5mm。工作辊换辊梁长10米,没进行时效处理的工件,粗加工后撬曲10-15mm,振动时效工件,粗加工后撬曲

1.5mm左右。

垂直轮轨道,内径φ5210,外径φ5390,厚90的齿圈,重872kgf,精加工后沿径切成两半。热时效件切开后弹开3.5mm,振动时效件仅弹开

1mm。

180kg/m重轨每根长12米左右,重2吨余,用作大型天车轨道。进厂时平直性不好,需人工校直。因重轨内有残余应力,校直一段,另一段又撬曲

了,工人师傅两三天不能校直一根,后来采用振动时效,经振动处理的工件,再校直,容易多了,工人师傅每天可校直2-3根。

因上述事例,振动时效在第一重机厂取得了信誉。过去因不相信,总师等工程技术人员不愿采用。现在一遇到变形不能控制的工件,就求助于振动

时效。发生了由不愿意到争着用的转变。

航天部西安210研究所,生产一铝环,外径5000mm,内径4840mm,厚80mm,热时效的工件加工后沿直径切开,弹开5mm,振动时效的工件

加工后,亦沿直径切开,弹开1mm。该所对振动时效相信无疑,决定在导弹发射架制作中采用振动时效。

大连理工大学(原大连工学院)接受由铁道部长春客车厂提出“提高209型客车转向架压型焊接构架疲劳寿命”的课题,经长客厂与大连理工大学

的共同努力,用振动时效代替热时效来处理209型客车转向架压型焊接构架。振动时效的焊接构架开裂寿命比热时效的提高129%,总寿命比热时

效件提高90%,说明振动时效在提高疲劳寿命的效果上好于热时效。

济南第一机床厂成功地用悬壁降频法处理C636、C640等马扎克车床床身,取得好的技术经济效果。大庆总机厂石油部第三石油机械厂(在湖北天

门市)用振动时效CTy-10型抽油机的减速器箱座、箱盖、曲柄等,取得好效果。武汉钢铁公司用振动时效代替热时效处理联轧机的送料杆阀箱等大

型焊件等亦取得好效果。

马鞍山机床厂用振动时效成功地时效了C640床身等大件后,又设计振动台,处理床头箱、流板、刀架等小件。

3. 振动时效的应用范围

一般地就材料而言,振动时效可应用于碳素结构钢,低碳合金钢,不锈钢(冷拉、冷拔、冷轧及沉淀硬化钢除外),铸铁(灰口铸件、球墨铸铁、

可锻铸铁等),有色金属(铝合金、铜合金等)。

就工件类别而言,振动时效多用于机械产品大、中型基础铸铁件及铸钢件,焊接构件(压力容器慎用),也可用于长径比较大的轴类零件。

其工序可在铸造、锻压、焊接粗加工、表面淬硬、半精加工等工序之后进行。

就工件大小而言,齐齐哈尔第一机床厂已将“V.S.R”技术用于长9米、宽2米、高800毫米,重32吨的大型工件、中型工件及100余公斤重的小型工

件上。形状有长、扁、方、圆箱体、板件、梁形件、各类桁架、支架、异形工件等。

对于大型低压焊接容器,从大连理工大学等国内一些实验表明,只要采用合理的工艺参数,振动时效可以用来代替热时效。这将为压力容器在消除

焊接残余应力方面开辟一条新路。


总之,由于全国机电冶金等各行业的科技人员的不断努力,振动时效的应用范围越来越广。愿振动时效之花,越开越鲜艳。

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