從機床振動時效處理看振動時效技術

從機床振動時效處理看振動時效技術

大型數控機床床身在鑄造和機械加工等工藝過程中，由於受熱或受力不均勻，其內部都會產生不同程度的殘餘應力。殘餘應力的存在，極大地影響了機床床身的尺寸穩定性、剛度、強度和機械加工性能等，嚴重影響著機床的裝配和正常使用。

工程上採用的材料都不是理想的彈性體，其內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的石墨，其中的微觀缺陷附近都存在著不同程度的應力集中。振動時效消除殘餘應力的必要條件是動應力(激振力)和殘餘應力之和大於材料的屈服極限。

該大型數控機床的床身為鑄件,材質是HT300，其外形尺寸為8800 X 1300 X660。由於機床床身在鑄造及粗加工后，存在有殘餘應力，且殘餘應力不穩定性，造成應力鬆弛和應力的再分佈,使工件產生變形，影響機床精度，因此需要在粗加工後進行振動時效處理消除殘餘應力。

機床床身振動現場

機床鑄件應用振動時效工藝，從近百件的床身中隨機抽出兩件進行殘餘應力振前、振后測量計算，結果發現振動時效使縱向平均應力水平降低32%，橫嚮應力降低39%，不低於熱時效的效果。其抗變形能力比熱時效有所提高，精度變化值與熱時效相比均小於0.005mm，符合工藝要求。

二、振動時效技術優勢

振動時效工藝其原理是用振動消除殘餘應力，可達到熱時效工藝的同樣效果，並在許多性能指標上超過熱時效。振動時效工藝耗能少(是熱時效的2%左右)、設備投資少和效率高，其在節能、減少環境污染和提高產品性能方面有卓越的表現，使得這一高新技術在各行各業中有廣泛的應用前景。

1、調整、均化、消除殘餘應力

對於那些無需改變組織狀態、非加工硬化材料，振動時效完全可以取代熱時效。此外，振動時效可處理熱時效不能處理的大型工件。一方面，振動時效可以看成是在周期性動應力作用下循環應變的過程。由於金屬晶體內存在有大量的位錯，在循環應變下，位錯克服阻力而運動，產生滑移使晶體發生微觀塑性變形，殘餘應力峰值下降，從而改變了工件原有的內應力場，工件內部應力降低，並重新分佈，在較低的應力水平下達到平衡。另一方面，振動時效以機械能的形式施加給工件一定的振動能量，從而提高了構件內部晶體的動能,加快了畸變晶格恢復平衡位置的速度，晶格排列趨於平衡，工件內部阻尼減小，內應力峰值降低，分佈均化

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2、提高構件抗變形能力，穩定構件加工尺寸

振動時效使構件基體內晶體結構強化，從而提高了構件抗變形能力和尺寸穩定性。

3、提高焊件疲勞壽命

振動時效通過降低焊接殘餘應力，有效地延緩裂紋萌生，降低其擴展速度，從而提高焊件的疲勞壽命。疲勞裂紋的萌生總是先在應力最高，強度最弱的基體上形成。試件經振動時效處理后,由於高殘應力的降低，應力分佈的均化，減少了應力集中的影響;另外，由於位錯積塞、纏結和網狀化程度的增大及位錯密度的增加，使滑移帶滑移更加困難，從而延緩了疲勞裂紋的成核時間，使裂紋萌生壽命增大。

4、提高焊件抗應力腐蝕性能

殘餘拉應力是產生應力腐蝕的重要原因。振動時效減少了構件的應力集中效應,有效地消除和均化了殘餘應力，從而提高了焊件抗應力腐蝕性能

5、　提高金屬材料衝擊功Ak值

振動時效使金屬試件由振前處於較高能量級的平衡轉變成振后處於較低能量級的平衡,即處於更穩定的狀態，從而提高了其衝擊功Ak值。

振動時效使衝擊試驗的兩組試樣在衝擊前處在不同能量級狀態下，處在較低能量級試件(振后試件)其抵抗斷裂的能力將比處在較高能量級試件(振前試件)強，即振動時效后試件在衝擊過程中所耗衝擊吸收功Ak將比振動時效前試件要大。振動時效使裂紋擴展阻力增大，裂紋擴展過程中繞曲的次數增多，材料的衝擊韌性提高，衝擊功Ak值增大。

三、振動時效技術與熱時效、自然時效的對比

傳統的消除殘餘應力的時效方法有熱時效和自然時效。熱時效是將金屬放置在加熱爐中，經過升溫、保溫和降溫三個過程的溫度變化，使金屬迅速膨脹和收縮，降低材料的屈服極限，因而殘餘應力高的地方，就會超出屈服極限，使晶格滑移，產生微小的塑性變形，從而將殘餘應力釋放、降低和均化。

熱時效需要專用的加熱爐，投資大、能耗大、效率低、污染環境、容易產生新的變形和二次應力。自然時效是將金屬長期放置露天，利用晝夜的溫差和複雜多樣的「環境震蕩」，使金屬發生緩慢、細微的收縮和膨脹，經長期積累得到釋放殘餘應力的目的。自然時效周期長，效率低，導致成本增加。

振動時效處理的彈性體其殘餘應力可以被消除20%～80%左右，高拉應力區消除的比例比低應力區大。因此可以提高使用強度和疲勞壽命，降低應力腐蝕。可以防止和減少由於熱處理、機加工等工藝過程造成的微觀裂紋的發生。可以提高彈性體抗變形的能力，穩定彈性體的精度，提高機械質量。同時，由於設備簡單易於搬動，可以在任何場地上進行現場處理。它不受構件大小和材料的限制，從幾十公斤到幾十噸上百噸的構件都可以使用振動時效技術。在處理過程中，振動時效只需30min即可進行下道工序。而熱時效至少需要一至兩天以上的時間，且需要大量的煤油、電、水等能源。因此，相對與熱時效來說，振動時效可節省能源90%以上，可節省費用95%以上，特別是可以節省建造大型燜火窯的巨大投資。

四、振動時效技術發展前景

振動時效技術發展至今，有著豐富的理論及實踐基礎。它可以廣泛應用於航空、化工機械和動力機械，等諸多製造行業。目前我國正走在人與自然和諧可持續發展的道路上，因此，深入研究這項效果好、效率高、節能和環保的時效技術必將產生巨大的社會和經濟效益。