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振动时效的技术效果 |
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作者：齐齐哈尔第一机床厂 汪显志 |
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振动时效在过去二十几年中，得以迅速发展，但其效果如何，是大家所关心的问提。本文仅就这个问题。谈些看法力求能够说明它。但由于水平所限，难免有错误，请批评指正。
一. 振动能消除焊接件的残余应力
大家都知道，焊接会产生很大的残余应力，我们利用这点，制成如图一所示的六块试样，其编号为1#-6#，材质为A3，板厚30mm。
在其一面沿纵向堆焊两条8mm宽，2-3mm高的焊道（见图一）。由于焊接应力的作用，钢板呈弧形挠曲，沿纵向中心线附近可认为产生一弹性应力场。从材料力学可知（1）沿纵向拉（压）应力σmax=E·Ymax/ρ其中E为杨氏模量，Ymax =I/2板厚=15mm，ρ=1/2（h+12/4H）
H为挠曲直，I为工件长。
用此式计算出其拉（压）应力在11.9-16.7kg/mm2之间。
将这六件做不同的处理：1#.2#不做任何时效，3#.4#振动时效，5#.6#热时效。
振动时效规范：扫描得一阶共频为52.9Hz（3172转/分），二节线距两端面340mm，沿纵向振幅分布列于表一。在52.2Hz（3132转/分）共振30分钟。表一.3# 4#试样振动加速度分布
| 编号 | 与一端距离 | 50 | 250 | 450 | 650 | 850 | 1050 | 1250 | 1450 | 单位:mm | | 3 | 振幅 a | -12.0 | -5.1 | 8.0 | 11.7 | 11.2 | 7.2 | -4.3 | -11.6 | 单位:g | | 4 | 振幅 a | -11.8 | -4.7 | 7.9 | 10.9 | 11.6 | 7.4 | -4.7 | -11.2 | 单位:g |
由图二可知：3#.4#试样纵向振幅为正弦形，最大振幅约为12个加速度。
热时效规范：室温装炉，550oC 保温3小时，随炉冷至250o出炉。
为测这六块试样的残余应力，在每件距其一端400mm处划出150×160mm的方块，沿纵向中心线，在如图一所示的位置上贴两张3×5（片基距）的纸基120Ω电阻片。用刨床或手锯，将这150Χ160mm的方块缓慢切下（以不产生残余应力为限）。同时用YJ-5型静态电阻应变仪测出释放应变，再用公式σr=E·ε计算释放应力的大小。其中： E为杨氏模量，ε为测得的微应变数 。计算结果列于表二。表二：消除应力比较表 应力单位：公斤/平方毫米
| 试样编号 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | | 工件状态 | 没时效 | 没时效 | 振动时效 | 振动时效 | 热时效 | 热时效 | | 原挠曲(mm) | 14.9 | 9.7 | 12.6 | 13.9 | 14.7 | 11.8 | | 残留内应力: | 16.7 | 11.9 | 14.1 | 15.6 | 16.3 | 13.3 | | 释放应变: με | 617 | 518 | 159 | 233 | 74 | 127 | | 释放应力 | 13.0 | 10.9 | 3.3 | 4.9 | 1.6 | 2.7 | | 单件消除应力百分比% | |
| 76.5 | 67.3 | 90 | 79.6 | | 平均消除应力百分比% | | | 71.9 | | 84.3 | |
从表二可知：没经时效的1#.2#试样释放出的应力几乎等于焊接时的残余应力，这表明我们所用的方法是可靠的。从表二还可看出，振动消除应力71.9%，热时效消除应力84.3%，振动和热时效能消除残余应力的大部分。振动时效消除的应力虽然比热时效略低但振动有许多优点，比如，经振动工件松弛刚度比热时效有显著体高，在动载和静载下的变形显著降低等，都表示了它可与热时效相媲美。
注：松弛刚度是指工件产生松弛时的最小应力值小
二. 振动能使中小型铸件尺寸稳定
振动也能消除中.小型铸件的残余应力吗？为此，我们做了下述实验：用C5116A（1米6立车）的立刀架滑枕（件号55011）七件，振动时效后长期观测其几何尺寸的变化。
按工艺规定：55011件需二次热时效，否则因导轨面挠曲而易擦伤。我们试验的目的是看振动时效能否使工件尺寸稳定，进而用振动时效代替热时效。55011件如图二所示。
扫频（激振力频率从低缓慢向高调整）证明：我们现用的激振器不能使这固有频率300Hz的工件共振，为此，采用了如下的降拼措施：用M20的螺栓三支将工件对接（01#与03#对接，04#与05#对接). 扫频得一、二、三阶共振频率为31.5Hz，62.9Hz91.9Hz。令工件在31.5Hz振25分钟。弹性两点支撑，支点分别在距两端700mm处，沿纵向的加速度、相角。其振型如图三所示。
图三可知：55011件做正弦振动，每组一阶共振有两个节点，距一端约700mm.
将这七件（四件振动的、三件没振的）三点支撑，放在300mm以上陈旧水泥地面上，调水平后，测各件两导轨的平直性。
用德国蔡氏合向水平仪，每件分七段.从小头80 mm处测起，仪器精度：2μ/200mm。室温为22℃±2o.01#-03#,04#-05#振前测量一次，振后再测一次，振动使变形提前发生了，最大变形达24.0微米。说明了振动使工件变形（但不大）。
在同一天测量其余三件导轨的平直性，然后每隔一个月测量一次，所得结果。
因为仪器的精度为2μ/200mm ，若变形量低于3微米的测量段认为没变形，则振动件的变形段数占段数的10.4%，没振动件的变形段数却占段数的24.3%，比振动件的大一倍还多。从图四可看出；振动件半高宽（峰值0.70处）窄，而没有振动件，半高宽宽说明没振动件数据弥散，大变形量的段数占的比重大；而振动件，数据集中在在小变形段上，大变形量的段数占的比重小。 
直接观查数据，可看到；振动件大变形量为4.4微米，没振动的却是8微米，比振动件的约大一倍。
所以，我们认为振动可使中.小铸件尺寸稳定。
三.振动能使大型铸件尺寸稳定
为了进一步观察振动时效对大型铸件的尺寸稳定效果，我们用CW6163/3000万能车床床身静止半年，定期测量其上母线的平直度（纵向平直度）和扭曲变形。
该床身重1.6吨，长4.5米，长条形结构（如图五所示，支点距端部2/9，激振点在中间。动应力3.5kg/mm2。第一共振峰71.4Hz，第二共振峰93.7Hz。
每月变形量：振动件最高为8μ，没振件最高为14μ。
我们用的合向水平仪精度为2μ/200mm，所以认为0-2μ为不变形测量段。振动件不变形段数为250个，占总测量段数的81.7%，变形段数占18.3%，没振件不变形段数为179个占总测量段数的62%，变形段数占38%。
6μ以上的变形段数，振动件仅有8个，占总测量段数的2.6%，没振件有36个，占总测量段数笳呤乔罢叩?倍。
9μ以上的大变形段数，振动件为零，没振件7个，占总测量段数的2.4%。
上述表明：没振件的变形比振动件的变形高1倍以上，特别是6μ以上的大变形段数，没振件比振动件高4倍以上，半年的累计变形，更能说明这一点。如没振件六个月的最大变形高达27μ，振动件只有12μ；1-7μ的变形段，没振件有3段，占总测量段数的3.3%，振动件却有30段，占总测量段数的33.3%， 10μ以下的变形段，没振件有16段，占总测量段数的35.6%，振动件有42段，占总测量段数的91.1%。
11μ以上的大变形段，没振动件有29段，占总测量段数的29%，振动件只有3段，占总测量段数的6.75。
由上面分析，得出结论；振动时效可使大件尺寸稳定。
振动件最大月变形量为5μ，而没振件12μ，相差1倍多，振动件不变形（0-2μ）段数位243个，占总测量段数的79.4%，没振动件不变形（0-2μ）段数位215个，占总测量段数74.4%，二者相差不大，6μ以上的变形段，振动件为0个，没振动件为10个，占测量段总数的3.5%。
没振件的纵向变形段数比振动件多 1 倍还多，而（横向变形扭曲）相差仅有5%，但无论纵向还是横向，大变形都明显降低。
结论：纵向应力消除比横向好，这是因为纵向振动比横向充分。所以振动时要注意横向共振，在可能条件下，要同时激起纵横向共振。(end)
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(5/23/2005) |
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