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1、频谱谐波时效 目录 案例介绍 残余应力基础知识 频谱谐波时效技术 频谱谐波时效工艺制定 频谱谐波定位时效 设备操作讲解 工装设计讲解 残余应力基础知识 1 什么叫残余应力 物体受外作用 主要是力和温度 等引起的变形 或者有变形的趋势 其内部各部分之间因相对位置改变而引起的相互作用力 称为内力 单位面积上的内力称应力 外力撤销后 存在于物体内部的应力 称为残余应力 残余应力是工艺过程的结果 主要有铸造应力 焊接应力 加工应力和热应力等 物体内部应力积累达到一定程度或局部应力急剧增大的现象 叫应力集中 应力集中是物体产生疲劳破坏的主要原因 金属构件在锻压 切削 铸造 焊接等加工过程中 由于受力或受
2、热不均匀 内部产生不均匀的塑性形变 加工完后 都存在残余应力 残余应力是金属构件开裂或变形的重要原因 极大地影响金属构件的疲劳强度和尺寸精度的稳定性 从本质上讲产生残余应力的原因可以归结为 a 不均匀的塑性变形 b 不均匀的温度变化 c 不均匀的相变 2 残余应力的分类按应力产生的原因分 1 有热应力2 相变应力3 收缩应力按应力方向分 1 拉应力 力的方向向背的应力 2 压应力 力的方向相同的应力 1 热应力2 相变应力3 收缩应力 亦叫机械阻碍应力 3 残余应力的产生 铸造应力的产生 1 热应力铸件各部分的薄厚是不一样的 如机床床身导轨部分很厚 侧壁 筋板部分较薄 铸后 薄壁部分冷却速度快
3、收缩大 而厚壁部分 冷却速度慢 收缩的小 薄壁部分的收缩受到厚壁部分的阻碍 所以薄壁部分受拉力 厚壁部分受压力 因纵向收缩差大 因而产生的拉压也大 这时铸件的温度高 薄厚壁都处于塑性状态 其压应力使厚壁部分变粗 拉应力使薄壁部分变薄 拉压应力 随塑性变形而消失 铸件逐渐冷却 当薄壁部分进入弹性状态而厚壁部分仍处于塑性时 压应力使厚壁部分产生塑性变形 继续变粗 而薄壁部分只是弹性拉长 这时拉压应力随厚壁部分变粗而消失 铸件仍继续冷却 当薄厚壁部分进入弹性区时 由于厚壁部分温度高 收缩量大 但薄壁部分阻止厚壁部分收缩 故薄壁受压应力 厚壁受拉应力 应力方向发生了变化 这种作用一直持续到室温 结果在
4、常温下厚壁部分受拉应力 薄壁部分受压应力 这个应力是由于各部分薄厚不同 冷却速度不同 塑性变形不均匀而产生的 叫热应力 在导轨或侧壁的同一个截面内 表层与内心部 由于冷却快慢不同 也产生相互平衡拉压的应力 用类似与上述方法分析 可知在室温下表层受压应力 心部受拉应力 并且截面越大 应力越大 此应力也叫热应力 2 相变应力相变应力是由于某些合金在凝固后冷却过程中产生相变 随之带来体积尺寸变化 或热处理过程中因工件不同部位组织转变不同步而产生的内应力 不同部位在不同时间内发生相变所致 理论分析与实验结果都表明 残余应力的存在严重影响了结构的疲劳强度 尤其是焊缝处高达屈服强度的拉伸残余应力将大大降低
5、焊接结构的疲劳强度 图5是对表层分别为拉伸残余应力 压缩残余应力和无残余应力中心切口板试件的疲劳裂纹扩展试验结果 3 残余应力的危害 自然时效 振动时效 亚共振时效 频谱谐波时效 热时效 时效方式 消除残余应力的方法及优缺点 频谱谐波定位时效 自然时效是最古老的时效方法 它是把构件露天放置于室外 经过几个月至几年的风吹 日晒 雨淋 和季节的温度变化 给构件多次造成反复的温度应力 再温度应力形成的过载下 促使残余应力发生松弛而使尺寸精度获得稳定 自然时效降低了少量残余应力 却提高了构件的松弛刚度 对构件的尺寸稳定性较好 方法简单易行 但生产周期长 占用场地大 不易管理 不能及时发现构件内的缺陷
6、已逐渐被淘汰 自然时效 热时效是将构件由室温缓慢 均匀加热至550 左右 保温4 8小时 再严格控制降温速度至150 以下出炉 热时效如果降温不当 会使时效效果大为降低 甚至产生与原残余应力相同的温度应力 二次应力 并残留在构件中 从而破坏了已取得的热时效效果 热时效 热时效存在的问题 占地面积大费用高 能耗高生产成本高 温度不均匀升降温速度无法严控 去应力同时会降低其他性能 表面产生氧化皮 污染严重 英文叫做VibrationStressRelief 简称VSR 以振动的形式给工件施加附加应力 当附加应力与残余应力叠加后 达到或超过材料的屈服极限时 工件发生微观或宏观塑性变形 从而降低和均化
7、工件内的残余应力 并使其尺寸精度达到稳定 振动时效 振动时效技术起源与发展 六五 提高机床铸件质量的研究 七五 消化吸收重大项目一条龙数控机床焊接件振动时效工艺研究 八五 国家科委 机电部 国务院生产办列为六大重点推广技术之一 亚共振时效方式 发现存在的问题 应用面窄 效果不好 操作难 无法工艺定型 噪音大 16 热时效 自然时效 频谱谐波时效 时效周期 一般在半年以上 8 48小时以上 1 3小时 能源消耗 无 大 工件体积 无限制 受尺寸限制 基本无限制 小 不改变 降低弹性模量 机械性能 提高弹性模量 环境污染 无污染 除锈工序 清理氧化皮 无需清理氧化皮 清理工序 废气排放 污染严重
8、无排放污染 时效方式 激振点 振动时效时给构件的施力点称为激振点 支撑点 为了对工件进行振动时效而选择的支撑工件的位置 拾振点 振动消除应力时效时 拾振器在工件上的安装位置 动应力 激振力引起工件谐振响应时 在其内部产生的应力称为动应力谐振 当激振器提供的周期性激振力的频率与系统谐振频率接近或相等时 构件的振幅急剧增大的现象为谐振 振型 共振时构件表面上所有质点振动的包络线 面 即为振型 包括弯曲 扭曲 扭转 钟振型和鼓振型 节点 节线 振动时效时 构件振幅最小处称为节点 节线 时效曲线 在确定的振动频率和激振力下 对工件进行振动处理所得到的加速度 时间曲线 其标记为a t 注 a表示加速度
9、t表示时间 振动时效基本术语 振动时效原理 以振动的形式给工件施加附加应力 当附加应力 动与残余应力 残叠加后 达到或超过材料的屈服极限 s时 即 动 残 s工件发生微观或宏观塑性变形 从而降低和均化工件内的残余应力 并使其尺寸精度达到稳定 19 振动时效微观机理 实施振动 晶体位错运动 增殖 塞积缠结 位错密度增加 提高抗变形能力 提高尺寸稳定性 振动时效前试样内部的位错组态呈线条状和轻微缠结状分布 振动时效后位错组态的缠结和网状化程度明显增加 振动时效后位错密度有所增加 振动时效的实质就是金属材料内部晶体错运动 增殖 塞积缠结过程 振动时效效果是由于位错组态变化和位错密度变化的结果 金属的
10、强度与位错密度的关系 金属材料学表明 在退火状态下 位错密度最低 材料的强度也最低位错密度的增加 材料的强度也增大 从而抗变形能力提高因此 振动时效能够提高金属构件抗变形能力和尺寸稳定性 振动时效 内部晶体的位错组态发生变化 位错密度增加 延缓了疲劳裂纹的萌生寿命 降低了微观裂纹向宏观裂纹扩展的速率 裂纹萌生寿命增大 提高了裂纹扩展寿命 提高工件的疲劳寿命 疲劳寿命 裂纹萌生寿命 裂纹扩展寿命 1 中华人民共和国兵器行业标准 WJ2696 2008 装甲车辆振动消除应力技术要求 参数曲线观测法 根据振动消除应力过程中打印的a t时效曲线的变化评定振动消除应力的实际效果 出现下列情况之一时 判定
11、振动消除应力效果有效 A a t曲线上升后变平 B a t曲线上升后下降 最终变平 C 每个激振点至少应完成40min振动 且其中有两个频率最大加速度在30m s 70m s 效果判断方法 行业标准 2 中华人民共和国航天振动标准 QJ20254 2012 参数曲线观测法根据振动时效过程打印的 a t 时效曲线的变化评定振动时效的实际效果 出现下列情况之一时 判定振动时效效果有效 a a t时效曲线上升后变平 b a t时效曲线上升后下降 最终变平 c 被处理筒体工件需正反掉头各进行一次振动时效 且时效处理的五个峰值中 有一至两个频率的加速度在20m s2 70m s2 每次五个振动峰值的处理
12、时间之和为40min 效果判断方法 行业标准 优点 能得到直接的应力值缺点 钻孔会破坏被测工件的表面 如果测量时效处理前后的应力变化 需要在相近部位分别钻孔 由于测量位置的变化 影响测量准确度 操作复杂 受到测量人水平及测量环境影响 测量范围小 只能对工件表面 局部进行测量 效果判断方法 残余应力测试法 盲孔法 效果判断方法 残余应力测试法 测量原理基于X射线衍射理论 当一束具有一定波长 的X射线照射到多晶体上时 会在一定的角度 2 上接收到反射的X射线衍射峰 这便是X射线衍射现象 X射线 优点 设备携带简便 可在生产环境进行测量 能对工件整体进行全面测量 反应工件整体的残余应力分布情况 能够
13、通过时效处理前 磁场峰值的变化直观的判断时效处理的效果 缺点 只适用于磁性材料的工件 效果判断方法 残余应力测试法 金属磁记忆检测法 磁场强度三维分布效果图 振前振后 磁应力梯度三维分布效果图 振前振后 频谱谐波时效技术 美国BonalTechnologies Inc产品品号 Meta Lax 用激振器对工件施加周期性外力 通常在1000 10000rpm范围内 从低速到高速扫频 当施加外力的频率与工件固有频率合拍时 产生共振 寻找能产生共振的固有频率 然后在共振频率的亚共振区对工件施加振动 产生动应力 与残余应力叠加 发生塑性屈服 从而降低峰值残余应力 使残余应力分布均化 北京翔博科技有限责
14、任公司 通过傅立叶分析 不需扫描 在100HZ内寻找低次谐波 施加合适的能量在多个谐波频率处振动 引起高次谐波累积振动产生多方向动应力 与多维分布的残余应力叠加 造成塑性变形 从而降低峰值残余应力 同时使残余应力分布均化 亚共振时效 频谱谐波时效 技术原理 振型以振型为主 最大动应力出现在平板的中心位置左右 振型以横向振型为主 最大动应力出现在平板的长边中心位置左右 扭转 振型为扭转振型和横 纵振型的组合 最大动应力出现在平板的长边中心位置左右 振型以纵向振型为主 最大动应力出现在平板的宽边中心位置左右 频谱谐波时效5种以上振型 充分保证动应力与工件残余应力多方向叠加 效果很好 通常达到或超过
15、热时效效果 对热时效效果欠佳的铝合金 效果尤其显著 效果 频谱谐波时效应用材料领域 黑色金属 碳素结构钢 低合金钢 不锈钢 铸铁 有色金属 铜 铝 锌 钛及其它合金 等材质构成的铸件 锻件 焊接件 机械加工件 注 铁金属 非铁金属 传统时效工艺的局限性 1 必要性 残余应力不是变形开裂的唯一主因2 盲目性 事先未定位应力 事后不评估效果3 局限性 特殊材料 结构对时效方法的特殊要求频谱谐波定位时效 定位时效技术 航天航空兵器机床汽车模具风电船舶铸造 水泥机械木工机械包装机械工程机械冶金机械矿山机械煤矿机械纺织机械重型机械通用机械电子生产设备石油化工机械 客户案例 典型客户应用 机床行业 企业名
16、称 齐重数控装备股份有限公司处理工件 滑块 滑枕 工作台等铸件应用时间 2010年4月工艺流程原工艺 滑板 毛坯 粗加工 亚共振 精加工工作台 毛坯 粗加工 热时效 精加工现工艺 滑板 毛坯 粗加工 频谱谐波时效 精加工工作台 毛坯 粗加工 频谱谐波时效 精加工应用价值1 替代以消除应力为目的的热时效 燃料 汽 2 生产效率大幅提升3 解决大型工件无法进炉难题 滑板铸铁HT3002吨 工作台HT25090吨 立车滑枕锻钢件1吨 企业名称 昆明机床厂处理工件 立柱 床身 工作台等铸件材料 HT250应用时间 2010年1月工艺流程 原工艺 铸造 热时效 粗加 自然时效 至少3个月 半精加 精加现工艺 铸造 频谱谐波时效 粗加 频谱谐波时效 半精加 精加 滑座 立柱铸件51吨 效果判断 尺寸精度稳定性应用价值 1 解决大型件无法进炉的难题2 大幅缩短生产周期3 能源成本的节约 数控卧式车床床身 企业名称 上海重型机床厂处理工件 数控卧式车床床身 龙门磨床床身铸件 磨床床身 频谱谐波时效件的尺寸精度热时效件精度 优于 企业名称 天津三达铸造有限公司处理工件 美国HAAS机床床身铸件材料 HT
