振动时效设备 振动时效仪 振动时效技术在冶金机械中的应用

摘要：本文简要介绍了振动时效技术原理、典型工艺及在焊接结构件的振动处理工艺及操作实施。

  前言：我公司是隶属××××集团公司的专业机械制造厂，主要加工制作冶金行业焊接钢结构件及各类配套机械产品，每年所承接钢结构件约4000吨。在焊接结构件的残余应力的消除处理上常采用热时效工艺，但我公司只配备两座铸件退火炉，炉膛尺寸过小，无法完全满足大型焊接件的热时效处理需要，且热时效工艺不易控制，成本极高，每吨处理费用一千元。我公司经研究分析，决定采用目前国内近年来兴起的振动时效（VSR）技术，经一年多的实践应用，解决了焊接结构件的残余应力处理问题，大幅降低了生产成本，取得较好成效，也积累了一些应用经验。

  一、振动时效设备 振动时效仪 振动时效技术原理及设备

  振动时效(VSR)就是在激振设备周期性——激振力的作用下在某一频率使金属构件共振，形成的动应力使构件在半小时内进行数万次较大振幅的亚共振振动,使其内部残余应力叠加，达到一定数值后,在应力最集中处,会超过屈服极限而产生微小的塑性变形，降低该处残余应力,并强化金属基体；而后振动在其余应力集中部分产生同样作用，直至不能引起任何部分塑性变形为止，从而使构件内残余应力降低和重新分布，处于平衡状态，提高材料的强度。构件在后序安装使用中，因不再处于共振状态，不承受比共振力更大外力作用，振后构件不会出现应力变形。振动时效也可看作在周期动应力作用下循环应变，金属材料内部晶体位错运动使微观应力增加，达到调节应力稳定构件尺寸的过程。

  国内目前主流的振动时效设备RSR2000（G）应用这一技术原理，结合计算机控制技术，控制激振器的转速和偏心使工件发生共振，让工件需时效部位产生一定幅度、一定周数的交变运动并吸收能量，以便让工件内部发生一定的微观粘弹塑料性金属力学变化，在一定程度上降低和均化工件内部的残余应力，提高工件尺寸稳定性及疲劳寿命等性能。其控制系统具有自动、手动振前扫频功能，得出构件本身固有频率，并自动选择最佳亚共振峰进行时效处理，自动进行振后扫频和记录振动时效工艺数据、曲线，最后按国家标准（JB/T10375-2002）的参数曲线检测法，通过比较时效前后及过程中工件的有效固有频率及其加速度等参数的变化来定性地判断时效效果。

  二、典型工件振动时效工艺

  在实际加工中，工件的重量、体积、结构形状具有多样性，在振动时效前很准确制定出各工艺参数，工件的主振频率、辅振频率、激振力及激振点和支承点位置等参数必须通过调整才能准确得出。实际操作中常借鉴典型工件的工艺方案，总结形成适合：

  1、分析：根据振动时效工件可能出现的振型，合理地支撑工件及装卡激振器的位置。

梁型件(如图1)，支撑一般应用4点距一端2/9和7/9处。激振器一般装卡在中间波峰附近，加速度计安装在一端的波峰附近。主振频率多以弯振型较多,其节线一般位于距支点(2/9)L处，实际工作中应根据工件具体结构形式采取两点、三点或四点支承方式，对于冶金设备的重型梁架构件，支点位置的设置可采用垂直平分线法，即以三个支点中心为顶点作三角形，三角形三条边垂直平分线

  与边缘线的交点位置为激振器的固定区域。经实践经验表明，振动中阻力较小，易获得振幅较大的共振及振动效果。

  板型件(如图3)板型工件随着长宽比不同，其主振型有弯曲振型和扭曲振型。长宽比小的工件常为扭曲振型，支撑点为三点(互成120度)；长宽比大的工件主振型一般为弯弯振型，采用4点(对角)支撑再边缘处，激振器一般装卡在两橡胶垫中间边缘波峰附近，加速度计安装在一侧两橡胶垫中间边缘的波峰附近。

  圆板型件(如图4)一般采用3点(互成120度)或4点(对角)支撑再边缘处，激振器一般装卡在两橡胶垫中间边缘波峰附近，加速度计安装在一侧两橡胶垫中间边缘的波峰附近。

  方箱型件(如图5)一般采用3点支撑再较长的边缘处，激振器一般装卡在上边钢性较大的边缘波峰附近，加速度计安装在边缘的波峰附近。

  振动时效设备 振动时效仪 振动时效技术在冶金机械中的应用

  大部分机械产品均为几公斤至几百公斤的小型件，因重量、体积过小无法单独振动，常采用平台振动时效法，即将批量工件安装至特制平台上，对平台进行振动使工件同时产生共振，达到与对单个大型工件振动同样的效果。平台的结构为长矩形（长宽比3—4），厚度50~80mm，激振器采用夹持或螺孔安装，平台主振型为弯曲振型，以四点支撑，工件呈纵向放置。对轴类、法兰类零件及机加工后不便于热处理的工件的处理效果较显著。

  上述只是简要的介绍一般常规工件的支撑与激振器的装卡位置，具体情况还需要反复试验(利用手动工作模式)来找出合适的振动时效工艺参数。

  2、时效处理的频率.波峰波节.支撑点的选择：

利用手动扫频到被振工件发出较大的振动声时，往工件上撒一些沙子，沙子会剧烈的跳动，沙子聚拢处为波节，反之为波峰，共振频率是在电流和加速度值最大时相对应的频率。波峰.波节要反复找多次，使支撑更加合理。

  3、激振力的选择：
激振力大小的选择应根据工件的不同材质.几何形状.刚度的大小及重量等因素来确定。实验和国内外的资料证明，工件的动应力应在20mpa-35mpa之间。焊接件大一些(35mpa)铸件小一些(20mpa)效果较好。动应力的大小可用动态电阻应变仪来测定，若无仪器，可根据被振工件的形态依据材料力学介绍的"理想体"来进行估算。动应力大小的调整是通过改变激振力的大小来完成的，改变激振力是通过改变激振器的偏心距来实现。实际操作中可以经验先选定一偏心距，再逐级调节，以避免振前扫描时出现过载现象。

  4、振动时间的选择：

  表中数据只作参考，实际情况应根据被振工件的几何形状。材质.重量及检查尺寸稳定性，通过实验找出最佳时间。

  三、工作实例

  中间罐体（如图7所示）是钢铁厂冶炼常用备件，重量为22吨，外形尺寸（长×宽×高mm ）5897×1685×1200。该工件需承重60吨，其各部焊缝

  脚尺寸大，四周各支撑耳轴焊后要求同轴误差<3mm，工件各截面主要焊缝均存在较大焊接应力。

  1、工艺方案分析

  其结构较形式综合了方箱体与梁型体的特点，且重量较重，为使振动时工件各面能获得足够在的动应力，在支撑点设置上采用三点固定支撑，激振器安装位置按“垂直平分线法”设置，，激振器因设在远离支点的波峰处，其偏心轮旋转面平行于支点的平面，使工件上下两面呈剪切运动的共振，对工件垂直面及上下平面焊缝均能产生较大动应力，加速度传感器放置在边长较长的一边，（如图7所示）以获得高的振动信号。

  振动工艺采取多点、多频施振。以多点施振的变换激点位置，在振动中通过不同振型使各截面产生大振幅的亚共振；多频施振在同一激振状态下（支点、激点位置不变），采用不同频率进行振动，以确保工件在高频、低频振动后残余应力完全趋于平衡状态，最终取得最佳振动效果。

  2、工艺实施和操作

  将工件按工艺方案支撑后，安装设备并将激振器偏心角调至20。，设备进行振前自动扫描确定共振频，转速上升至约3500r/min后，加速度78m/s2出现共振峰，后加速度曲线出现不规则状态，调整偏心角至30。，支点向工件中心内移，转速升至2609r/min，出现共振峰，完成振前扫描，进入亚共振状态，振动中通过撒沙法观察，沙子聚集形状符合弯振型形状，转速稳定在2590r/min左右，振动35min后，系统自动进行振后处理，打印出处理曲线图。（如图8所示）从图上显示的工艺数据及振后曲线较振前曲线明显右移，符合振动时效国家标准的曲线检测法。再按工艺方案依次进行多频、多点振动。

  四、振动时效设备 振动时效仪 振动时效技术在冶金机械中的应用应注意的几个问题

  1、发生强迫共振：随着振动频率的升高，电机电流一直上升无下降趋势，这时即发生了强迫共振，这种现象一般是由被振工件的重量太小而刚性又太大所导致。

  2、找不到共振区：在扫频过程中发现随着频率的升高，电枢电流也缓慢增加，但是电流并不大，直到扫频结束加速度始终在增加并很小，这种现象一般都是由于工件的固有频率超出设备的控制频率范围。

  3、发生以上情况，通过实验的方法可以解决。反复改变激振力和支撑点以及激振器的装卡位置；采用悬臂的方法(将工件一端固定.激振器装卡在另一端的方法)。.采用组合振动法(将多个工件刚性连接在一起可以降低工件的固有频率)。

  五、结论

  在钢结构焊接件、铸件及机械加工件上应用振动时效工艺处理后，工件应力平均可下降30%~40%，符合振动时效国家标准，可达到时效的目的。

  使用振动时效技术替代热时效工艺，操作简便，可节约大量生产成本，减少污染，缩短处理周期，我公司1~11月共处理各类钢构件1200吨，节约处理费用96万元，时效时间由原12小时缩短至约30分钟，获得了明显的经济效益。

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