PDF《振动时效技术的应用和发展》

399 控制器:控制激振器产生所需振动能量、频率的设备. 激振器:刚性连接在工件上,产生激振力,带动工件产生振动的设备,由电机与偏心轮 组成. 传感器:获取工件受振能量信息的设备. 2,振动时效对材料性能的影响 在生产实践中发现,振动时效不仅可以消除工件的残余应力,振动时效后工件的强度指 标也有很大提高.这就启发我们,对工件进行振动处理,从而使材料得到强化. 振动强化就是使工件受外部循环载荷进行受 迫振动,激振力来自激振器的偏心部分.这是一 个多自由度、有阻尼系统的受迫振动问题.为了 便于分析,我们将系统简化为单自由度、有阻尼 系统的受迫振动来进行分析,其力学模型见图

1 所示. 其动力学方程为: t F kx dt dx c dt x d M ω ω sin ) (

2 2 ? = + + (1)

2 ) ( ω ω me F = (2) 可见激振力的大小随偏心距 e 和转速ω

2 的增 大而增大.因此在实际应用中,通过调整激振器 的偏心和转速可以对金属材料工件施加交变动应力, 而金属材料在交变动应力的作用下会产 生位错运动. 交变动应力从零增大至峰值时,随着外加动应力的增大,金属材料位错被激发,不断释 放出新位错, 并在障碍物前塞积. 不断增大的位错塞积群应力场使其邻近晶粒的位错有发生 移动的趋势.原有应力场较大地方的塞积首先得以开通,其应力集中得以释放. 交变动应力从最大值下降至零的过程中, 位错塞积群的平衡状态破坏, 大量的位错会由 于移动过程中与其它位错交割,位错密度因此而大大增加.随着外加动应力的交变,上述过 程不断重复, 内应力峰值下降的同时位错不断得到增殖, 而位错密度的不断增加有利于材料 疲劳强度的提高. 疲劳破坏分三阶段:裂纹萌生、裂纹扩散和瞬时断裂.金属材料的疲劳寿命主要由裂纹 萌生寿命和裂纹扩展寿命两部分组成. 裂纹萌生总是先在应力最高、 强度最弱的部位形成, 振动处理后由于高内应力得以降低, 图1振动系统力学模型

400 分布均化,减少了应力集中的影响;

同时位错密度增加使滑移带滑移更加困难,从而使裂纹 萌生寿命增加.而材料的位错组态变化和位错密度增加,使得滑移运动阻力增大,裂纹扩展 所需能量增大,使裂纹扩展寿命增加,从而提高了材料的疲劳强度,使材料性能得到强化. 3,振动时效特点 在机械制造,航空,化工器械,动力机械等行业中,用钢,铸铁,有色合金等材料制造的各类零 件成功地采用了振动时效.振动时效之所以得到各方面的普遍重视,是由于它具有如下特点: 投资少.与热时效相比,它无需庞大的时效炉,可节省占地面积与昂贵的设备投资.现代工业 中的大型铸件与焊接件,如采用热时效消除应力则需建造大型时效炉,不仅造价昂贵,利用率 低,而且炉内温度很难均匀,消除应力效果很差.采用振动时效可以完全避免这些问题. 因此,目前对长达几米至几十米的桥梁,船舶,化工器械的大型焊接件和重达几吨至几十吨 的超重型铸件,较多地采用了振动时效. 生产周期短.自然时效需经几个月的长期放置,热时效亦需经数十小时的周期方能完 成,而振动时效一般只需振动数十分钟即可完成.而且,振动时效不受场地限制,可减少工件在 时效前后的往返运输.如将振动设备安置在机械加工生产线上,不仅使生产安排更紧凑,而且 可以消除加工过程中产生的应力. 使用方便.振动设备体积小,重量轻,便于携带.由于振动处理不受场地限制,振动装 置又可携至现场,所以这种工艺与热时效相比,使用简便,适应性较强. 节约能源,降低成本.在工件的共振频率下进行时效处理,耗能极小.实践证明,功率 为0.25 至1马力的机械式激振器可振动