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    振動時效、熱時效、自然時效的全面比較

    更新時間:2020/8/4  點擊數:1621


    本文通過將熱時效、自然時效和振動時效的特征全面比較,闡述了超聲振動時效消除應力的意義,振動時效的優勢巨大,取代熱時效等將在應力消除領域成為大勢所趨。

    金屬在加工、裝配過程中, 由于構件形狀、尺寸的不均勻性, 裝配過程中外力的引入等, 構件中不同形狀部分在熱作用或外加載荷等不同作用下會發生不同的變化, 如熱應力作用后, 冷卻過程, 不同形狀部分會表現出不同的冷卻收縮現象, 這會使構件的表面以及內部產生不均勻分布的殘余應力, 而殘余應力的存在會給構件帶來影響構件的剛度、引起構件的脆性破壞、影響構件的疲勞強度、影響構件的尺寸穩定性等, 這會使構件性能發生變化。而根據研究表明構件內存在的殘余應力往往會產生不利的作用。所以,對于殘余應力消除的研究一直是學者們研究的熱點。


    傳統的消除殘余應力的方法包括自然時效以及熱時效兩種, 兩種方法均能在一定程度上消除構件殘余應力, 穩定和提高構件的精度, 但這兩種方法也都有自身的缺陷。

    將待處理的金屬構件放置在露天中或事先準備的空蕩的場地中, 充分利用自然環境中的振動條件或者白天黑夜交替形成的溫度差等, 經過半年到一年長時間的閑置, 使構件在發生遇冷收縮或受熱膨脹等作用時, 通過長期時間的作用形成構件內部的殘余應力釋放的過程稱為自然時效法, 自然時效法雖然能消除構件內部的殘余應力, 提高材料的剛度和尺寸穩定性, 并且不需要進行復雜的操作, 成本很低等優點, 但是這種方法降低的殘余應力有限, 效率低下; 處理的時間相對太長, 無法匹配產品的周期并且占用大面積的空間, 因此目前在生產實踐中很少得到應用。

    通過加熱爐,加熱棒等加熱措施, 使構件在加熱作用下升溫到能使構件釋放殘余應力所需的指定穩定, 并進行相應的工藝處理, 使環境的溫度維持數小時后, 然后通過工藝處理完成降溫, 來實現殘余應力的降低的過程稱為熱時效, 該方法由于其消除殘余應力的效果顯著, 在目前的構件、材料生產中經常被使用, 但是該方法也存在需要搭建完善的加熱系統, 產木的成木較高, 且耗能巨大, 并且會對環境造成污染等劣勢, 而且該方法多數運用在大結構剛體, 對于一些小型的精密零件就顯得無能為力, 因此目前大有被振動時效消除殘余應力的方法取代的趨勢。

    振動時效消除殘余應力的方法靈感**早來自于通過錘擊物體從而釋放殘余應力的生活實踐, 通過用外加振動的方法施加給存在殘余應力的構件一個循環載荷, 使構件在循環載荷的作用下產生塑性變形, 實現發生塑性變形的部分殘余應力實現釋放, 穩定構件的尺寸, 提高精度的作用。目前根據施加循環載荷的頻率的不同, 將振動時效分為低頻振動時效、高頻振動時效和超聲振動時效。

    低頻振動時效一般是指施加的頻率為以下的時效振動, 如圖所示為簡化版的低頻振動時效的圖像, 其中為橡膠墊, 為帶有殘余應力的構件, 為激振器,為傳感器。其中激振器由一般由電機和偏心機構構成, 用于提供振動時效所需頻率的激振應力, 而傳感器用于采集構件在激振器作用下整體的振幅或頻率等, 對于較完善的低頻振動時效設備, 還應具有反饋環節, 對采集的振幅、頻率等信號進行處理, 通過分析調整激振器施加的頻率以及激振力, 因為在共振條件下構件振動**劇烈, 振動效果**好,因此**理想的使用結果是使激振頻率接近構件的固有頻率, 從而得到**佳的激振效果。

    高頻振動時效一般是指機械振動頻率大于的振動, 其中哈爾濱工程大學的潭定忠、張厚琛等人通過磁致伸縮換能器振子提供高頻振動, 實驗研究了高頻振動對于消除偉接殘余應力的作用浙江大學賈叔仕、王建武等人在其文獻屮提到利用高頻**磁致伸縮激振器提供高頻振動并搭建了高頻激振時效裝置, 通過實驗證明了高頻振動在消除構件殘余應力中的作用。

    超聲振動時效一般是指振動頻率大于的超聲頻率, 超聲振動時效也可認為是一種高頻振動時效, 但更多的學者愿意將其單獨歸為超聲范圍的振動時效。它是利用超聲波發生器、超聲波換能器以及超聲波變幅桿等設備組成的超聲振動系統。其中超聲波發生器將提供的交流電轉換為高頻的交流電信號, 這個信號必須與超聲波換能器相匹配, 超聲波換能器將交流電信號轉換成縱向的機械振動, **后通過變幅桿的特殊設計, 起到機械振動振幅放大的作用。將此放大振幅的機械振動作為超聲頻率的循環載荷施加到具有殘余應力的工件上, 當滿足構件內部存在的殘余應力和施加給構件的超聲頻基于超聲波振動時效的細金屬絲去應力成形技術研究率的激振應力之和大于構件屈服極限的條件, 使構件發生塑性變形, **終達到消除構件內部殘余應力的目的。

    相對于自然時效和熱時效等傳統的消除殘余應力的方法, 振動時效具有自身不可替代的優點, 因此得到了快速的發展以及大面積的應用。由于自然時效方法基本被淘汰,我們這里主要針對熱時效方法進行比較, 具體的優勢如下所示:

    • 可在工序任何步驟施加
      熱時效法一般均是發生在精加工之前的工序, 精加工之后便不能進行熱時效的方法消除殘余應力, 而振動時效卻可以靈活的運用到各個步驟中。
    • 操作簡便
      熱時效一般需要設計與之匹配的加熱設備以及保溫設備, 而且這些設備一般是固定在具體位置不做移動的, 而相比較而言, 振動時效設備相對較小, 能夠自由帶到操作現場, 加載到構件需要的位置上。
    • 能耗低、無污染
      熱時效需要為加熱設備加熱, 以及進行后續的保溫處理, 這必然會浪費大量的能源, 并造成對環境的破壞, 而振動時效能耗相對熱時效較少, 且對環境無污染。
    • 耗時少
      一般的熱時效方法經過加熱處理、保溫處理后, 會耗時超過小時,而相對而言, 振動時效耗時一般在分鐘之內, 對于目前比較熱門的超聲振動時效一般只需幾分鐘。
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