振動時效工藝消除、均化殘余應(yīng)力的研究報告

振動時效常常被認(rèn)為是消除工件殘余應(yīng)力的方法，但一系列試驗(yàn)研究表明，振動時效對消除和均化殘余應(yīng)力都有作用。振動時效對減少和均化殘余應(yīng)力皆有著良好作用，這是由于在振動過程中，工件受周期性附加應(yīng)力的作用，在應(yīng)力集中處首先發(fā)生局部的塑性變形，繼而又在整體上發(fā)生較大的塑性變形。峰值應(yīng)力處產(chǎn)生的塑性變形較大，而其它部位則相對較小。正是由于這種塑性變形導(dǎo)致了工件中殘余應(yīng)力的降低和均勻化。

*件在振動時效前后發(fā)生塑性變形是振動消除應(yīng)力的確定。因此，許多人測量過*件振動處理前后的尺寸變化。實(shí)際測量表明，即使附加應(yīng)力與殘余應(yīng)力疊加后，仍不超過材料的彈性*限時，*件也會產(chǎn)生塑性變形。

某種龍門刨床的立柱和橫梁鑄件在振動處理前后*件在振動過程中變形并不是無休止的，達(dá)到一定程度后繼續(xù)施加振加，尺寸精度并不繼續(xù)發(fā)生變化，這說明*件尺寸已達(dá)到穩(wěn)定。在生產(chǎn)中常常依此判斷振動時效的效果及確定振動處理的時間。表1為一種機(jī)床床身鑄件在振動處理過程中的變形與振動時間的關(guān)系。

表1

進(jìn)行上述試驗(yàn)時，首先在鑄件導(dǎo)軌面上選擇一個基準(zhǔn)點(diǎn)和若干測量點(diǎn)，用準(zhǔn)確的水平儀測量出各測量點(diǎn)相對于基準(zhǔn)點(diǎn)的不直度誤差，由表2可知，經(jīng)過振動處理15分鐘后，除2點(diǎn)外，其余各測量點(diǎn)與基準(zhǔn)點(diǎn)的相對位置都發(fā)生了變化。振動30分鐘后，測量點(diǎn)中有5個不再發(fā)生進(jìn)一步的變化，振動45分鐘后所有各點(diǎn)都達(dá)到穩(wěn)定。

綜上所述所可以看出,振動時效使工件在交變應(yīng)力作用下產(chǎn)生塑性變形,松馳了工件中的殘余應(yīng)力.故振動時效過程是*件塑性變形的產(chǎn)生和逐漸穩(wěn)定的過程,也就是殘余應(yīng)力減小和穩(wěn)定化的過程.尺寸精度的變化,示于圖1所示。

*件的變形不僅取決于殘余應(yīng)力的大小和分布，還與松馳剛性和抗變形能力有關(guān)。振動時效不僅能夠減小和均化殘余應(yīng)力,還可提高材料的抗變形能力。對振動處理后的工件進(jìn)行加靜載和加動載試驗(yàn)，可證實(shí)這一點(diǎn)。

某種車床床身鑄件，外廊尺寸為1160X232X190mm，材料為HT30-54,重105kg，導(dǎo)軌經(jīng)表面淬火處理。采用振動時效消除殘余應(yīng)力并穩(wěn)定其尺寸精度，其振動時效的工藝參數(shù)為：動應(yīng)力-+0.75kgf/mm2 ,時間-累積時間為60分鐘。振動后把它與未經(jīng)振動的同種床身鑄件進(jìn)行抗變形能力的對比試驗(yàn)，靜載試驗(yàn)時，在床身鑄件上加1噸靜載，加載時間10分鐘。卸載后再加4.5噸重靜載，保持15分鐘。每次加載前后分別測量鑄件兩導(dǎo)軌垂直面內(nèi)的不直度，比較振動件和未振動件加載前后尺寸精度變化量，變形越小表明抗變形能力越強(qiáng)。從試驗(yàn)結(jié)果可見，重為100kg左右的鑄件，加其10倍重量的靜載時，經(jīng)振動時效的鑄件的抗變形能力比未經(jīng)處理的鑄件提高70%以上；加更大靜載時(4.5噸)，抗變形能力仍可提高20%。還對一種儀表機(jī)床床身進(jìn)行了承受靜載和動載的對比試驗(yàn)，床身鑄件材質(zhì)為HT20-40鑄鐵，尺寸為1100X80X180mm,重80kg.施加的靜載荷重200kg,動載荷為頻率50Hz的+2 . 5kgf/m2 的交變應(yīng)力。

從數(shù)據(jù)清楚地表明了振動處理的鑄件比不經(jīng)時效的鑄件抗靜載能力提高30%左右，抗動載能力提高1~3倍，抗溫度變形能力也提高近30%。與經(jīng)過熱時效的鑄件相比，振動件的抗靜載能力高40%以上，抗動載能力提高70%。

鑄件經(jīng)振動時效后抗變形能力的提高,可以用循環(huán)加載下鑄鐵彈性性能的提高來解釋。振動時效實(shí)質(zhì)上是對*件附加一種循環(huán)應(yīng)力。鑄鐵組織中由于存在著石墨和局部的微觀夾雜物、缺陷，在受到拉伸載荷時沒有明顯的比例*限。在應(yīng)力作用下伴隨著彈性變形的產(chǎn)生，同時也產(chǎn)生塑性變形。這種塑性變形在循環(huán)應(yīng)力不超過其適應(yīng)性*限σL 的情況下，以過循環(huán)次數(shù)后，即可大部分或全部消失。應(yīng)力一應(yīng)變曲線由原始的開口型(圖3中曲線1)變?yōu)殚]口型(曲線2)。殘余變形的逐漸消失使鑄鐵的彈性性能加強(qiáng),彈性模量顯著提高。圖4所示結(jié)果說明，循環(huán)加載后Eσ 的提高在應(yīng)力較大時表現(xiàn)得更為明顯。

國內(nèi)外大量試驗(yàn)和實(shí)用事例證明，振動時效對于穩(wěn)定*件的尺寸精度具有良好的作用，其作用不僅表現(xiàn)在長期使用過程中尺寸精度變化量較小，而且能在較短的時間內(nèi)使*件尺寸達(dá)到穩(wěn)定，以下面的五種情況為例，同一種鑄件分別進(jìn)行了振動時效,熱時效和自然時效，在同樣的時間內(nèi)觀測其隨時間而發(fā)生的翹曲變形量和翹曲變形的持續(xù)時間。由數(shù)據(jù)結(jié)果可知，鑄件在振動時效后的變形量小，其值僅為熱時效和自然時效變形量的一半左右。同時，經(jīng)振過時效的鑄件變形的持續(xù)時間也*短，在30~60天內(nèi)尺寸精度便達(dá)到穩(wěn)定，而經(jīng)熱時效的鑄件需100~150天才能穩(wěn)定，而自然時效的鑄件尺寸持續(xù)變240~270天。由圖5亦可看出，經(jīng)振動時效工作臺的鑄件，達(dá)到尺寸穩(wěn)定的時間比熱時效處理的鑄件所需時間要短，這一對比實(shí)驗(yàn)可以充分證明，振動時效能有效的穩(wěn)定鑄件尺寸精度。

國內(nèi)外大量的應(yīng)用實(shí)例證明，振動對穩(wěn)定*件的尺寸精度具有良好的作用。然而,對于振動時效穩(wěn)定尺寸精度的機(jī)理，迄今為止尚無系統(tǒng)的,滿意的解釋。

從宏角度分析，振動時效使*件產(chǎn)生塑性變形，降低和均化殘余應(yīng)力并提高材料的抗變形能力，無疑是導(dǎo)致*件尺寸精度穩(wěn)定的基本原因。從分析殘余應(yīng)力松馳和*件變形中可知，殘余應(yīng)力的存在及其不穩(wěn)定性造成了應(yīng)力松馳和再分布，使*件發(fā)生塑性變形。故通常采用熱時效方法以消除和降低殘余應(yīng)力，特別是危險的峰值應(yīng)力。振動時效同樣可以降低殘余應(yīng)力，*件在振動處理后殘余應(yīng)力通常可降低20~30%，有時可達(dá)50~60%，同時也使峰值應(yīng)力降低,，使應(yīng)力分布均化除殘余應(yīng)力值外，決定*件尺寸穩(wěn)定性的另一重要因素是松馳剛性，或*件抗變形能力。有時雖然*件具有較大的殘余應(yīng)力，但因其抗變形能力強(qiáng),而不致造成大的變形。在這一方面,振動時效同樣表現(xiàn)出明顯的作用，由振動時效的加載試驗(yàn)結(jié)果可知，振動時效件的抗變形能力不僅高于未經(jīng)時效的*件，也高于經(jīng)熱時效處理的*件，通過振動而使材料得到強(qiáng)化，使*件的尺寸精度達(dá)到穩(wěn)定。

從微觀方面的分析，振動時效可視為一種以循環(huán)載荷的形式施加于*件上的一種附加應(yīng)力。眾所周知，工程上采用的材料都不是理想的彈性體，其內(nèi)部存在著不同類型的微觀微陷，鑄鐵中更是存在著大量形狀各異的切割金屬基體的石墨。故而無論是鋼、鑄鐵或其它金屬,其中的微觀缺陷附近都存在著不同程度的應(yīng)力集中。當(dāng)受到振動時，施加于*件上的交變應(yīng)力與*件中的殘余應(yīng)力疊加。當(dāng)應(yīng)力疊加的結(jié)果達(dá)到數(shù)值后，在應(yīng)力集中*嚴(yán)重的部位就會超過材料的屈服*限而發(fā)生塑性變形。這塑性變形降低了該處殘余應(yīng)力峰值，并強(qiáng)化了金屬基體。而后，振動又在另一些應(yīng)力集中較嚴(yán)重的部位上產(chǎn)生同樣作用，直至振動附加應(yīng)力與殘余應(yīng)力疊加的代數(shù)和不能引起任何部位的塑性變形為止，此時，振動便不在產(chǎn)生消除和均化殘余應(yīng)力及強(qiáng)化金屬的作用，上述解釋已由大量的試驗(yàn)加以證明。此外，還有些研究者從位錯、滑移等金屬理論上加以解釋。