东莞市启翔研磨机械有限公司
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| 新闻动态 |
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| 振动研磨机节能减排的振动时效技术 |
| 发布日期：2013-11-28 点击次数：949 |
2008年7月30日下午，由产业和信息化部中小企业司、国家发改委资源节约和环境保护司指导，中国中小企业信息网、中国资源综合利用协会主办，北京翔博科技有限责任公司承办“绿色制造－节能减排百城巡展”启动会在北京中国职工之家隆重启动。有关政府领导、协会领导、行业专家、中小企业代表和几十家京城媒体共100多人参加了启动会。会上，北京翔博科技有限责任公司介绍了先进的频谱谐波振动时效技术发展、工作原理和应用情况，并现场演示了频谱谐波振动时效装置和控制系统。笔者有幸参加了这次启动会，观看了振动时效现场演示和资料介绍，感到频谱谐波振动时效装置便携、通用性好、操纵简单，比过往的亚共振实效设备有了根本性的改进，节能环保效果明显，值得推广。现简介如下，供业界参考。
1、振动时效工作原理
金属工件在铸造、锻压、焊接、切削加工和使用过程中，由于受冷、热和机械变形作用，在工件内部会产生残余应力，致使工件处于不稳定状态，降低了工件的尺寸稳定性和机械性能，使工件在服役过程中产生应力变形和失效，尺寸精度得不到保证。为了消除残余应力，过往通常采用热时效或自然时效。然而这两种时效方式都有缺点：自然时效周期太长，一般要1－2年，不适合大批量生产；热时效的辅助设备多，使用费贵，能耗高，污染环境，不环保，且炉温控制难度大，工件易氧化，增加清理工作量，工件因受热不均匀还轻易产生裂纹，时效时间需1－2天，等等。而振动时效的明显优点是节能环保、降低本钱、缩短周期。与热时效相比，节约本钱90%以上，节能95%以上，节约投资90%以上。振动时效快，一般仅需半小时，最长不超过1小时，而且，设备轻便，工艺简单，适应性强，优点很突出。
振动消除应力是利用一受控的振动能量对金属工件进行处理，达到消除残余应力的目的，简称VSR(Vibratory Stress Relief）。使工件处于受迫振动状态的外部交变载荷就是激振器产生的激振力，这本来是一个多自由度、有阻尼系统的受迫振动，为便于分析，把它简化为单自由度、有阻尼的受迫振动，其力学模型如下图所示。其动力学方程为：式中e为偏心距，w为转速，M为质量。
震动系统力学模型示意图
Md2/dt2+cdx/dt+kx=F(w)×sinwt (1)
F(w)=mew2 (2)
可见，激振力的大小随偏心距e和转速扩的增大而增大。因此，在实际应用中，通过调整激振器的偏心量和转速就可以对金属工件施加不同的交变动应力，而金属材料在交变动应力的作用下会产生位错运动。据北京翔博科技有限公司的资料介绍，交变动应力从零增大至峰值时，随着外加动应力的增大，激发金属材料产生位错，不断开释出新位错，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，其应力集中得以开释。
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被破坏，大量的位错会在移动过程中与其他位错交割，位错密度因此而大大增加。随着外加动力应力的交变，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进步材料的疲惫强度。
疲惫破坏分三个阶段：裂纹萌生、裂纹扩散和瞬时断裂。金属材料的疲惫寿命主要由萌生寿命和裂纹扩散寿命两部分组成。裂纹萌生总是先在应力最大、强度最弱的部位形成，振动处理后，由于高内应力得以降低，分布均化，减少了应力集中影响；同时位错密度增加使滑移更加困难，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，裂纹扩散所需能量增大，使裂纹扩散寿命增加，从而进步了材料的疲惫强度，使材料性能得到强化。
国内外大量的应用实例证实，振动时效对进步、稳定零件的尺寸精度具有良好的作用。从宏观角度分析，振动时效使零件产生塑性变形，降低和均化残余应力，并进步材料的抗变形能力，这无疑是导致零件尺寸稳定的基本原因。残余应力的存在及其不稳定性造成了应力松弛和再分布，使零件产生塑性变形。故通常采用热时效方法消除和降低残余应力，特别是峰值应力。振动时效同样能够降低残余应力，使峰值应力降低，使应力分布均匀。
从微观方面分析，振动时效可视为一种以循环载荷的形式施加于零件上的一种附加应力。大家知道，工程材料都不是理想的弹性体，其内部存在着不同类型的微观缺陷，而微观缺陷四周都存在着不同程度的应力集中，当受到振动时，施加于零件上的交变应力于零件中的残余应力叠加。当应力叠加达到一定数值后，在应力集中最严重的部位就会超过材料的屈服极限而发生塑性变形，从而降低了该处残余应力峰值，并强化了金属基体。而后，振动又在另一些应力集中较严重的部位产生同样的作用，直至振动附加应力与残余应力叠加的代数和不能引起任何部位的塑性变形为止，此时，振动便不再产生消除和均化残余应力及强化金属的作用，振动时效结束。
2、振动时效的特点
振动时效有如下主要特点：
（1）、投资少：与热时效相比，它无需庞大的时效炉，可节省占地面积和昂贵的设备投资。现代产业中的大型铸件和焊接件，如采用热时效消除应力，则需建大型时效炉，不仅造价高，利用率低，而且炉内温度很难均匀，消除应力效果差。采用振动时效可以完全避免这些题目。
（2）、生产周期短：自然时效需几个月乃至1－2年长期放置，热时效亦需数十小时方能完成。而振动时效一般只需振动数十分钟即可完成。
（3）、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，振动装置可携至现场，使用简便，适应性较强。
（4）、节省能源、降低本钱：在工件的共振频率下进行时效处理，耗能极小。实践证实，功率为0.25马力至1马力的机械式激振器可振动150吨以下的工件，故粗略计算其能耗仅为热时效的3%-5%，本钱仅为热时效的8%-10%。
此外，振动时效操纵简单，易于实现自动化。还可避免金属零件在热时效过程中产生翘曲变形和氧化、脱碳及硬度降低等缺陷，是目前唯一能进行二次时效的方法
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