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振動(dòng)時(shí)效發(fā)展歷史
振動(dòng)時(shí)效在70年代起源于美國(guó)，后來(lái)在西德、英國(guó)、法國(guó)得到了廣泛的應(yīng)用，目前在國(guó)外有8萬(wàn)多臺(tái)設(shè)備在使用，我國(guó)也有5千多臺(tái)設(shè)備在機(jī)械加工企業(yè)使用，由于振動(dòng)時(shí)效的無(wú)比的優(yōu)越性，又適應(yīng)現(xiàn)代工業(yè)對(duì)能源和環(huán)保的要求，我國(guó)從80年代出開(kāi)始引進(jìn)使用振動(dòng)時(shí)效工藝，目前在某些方面已取代了傳統(tǒng)的熱時(shí)效和自然時(shí)效。
振動(dòng)時(shí)效在國(guó)外稱vsr(vibratory stress relief)這個(gè)復(fù)雜的術(shù)語(yǔ)表示了一個(gè)使金屬構(gòu)件尺寸穩(wěn)定的物理過(guò)程，這個(gè)過(guò)程是簡(jiǎn)單的，它的直接結(jié)果是解決構(gòu)件在加工過(guò)程中和加工后的變形問(wèn)題，它利用受控振動(dòng)對(duì)工件進(jìn)行處理，在今天，這個(gè)過(guò)程的工藝方法已經(jīng)非常簡(jiǎn)單，其設(shè)備自動(dòng)化程度非常之高，已使振動(dòng)時(shí)效的應(yīng)用變得非常經(jīng)濟(jì)和簡(jiǎn)單易行。
工件在金剛石鑄造、金剛石焊接和金剛石切削加工過(guò)程中，由于受冷、熱溫度不均勻的作用，在工件表面和內(nèi)部產(chǎn)生不均勻的殘余應(yīng)力，致使工件處于不穩(wěn)定狀態(tài)，降低了工件的尺寸穩(wěn)定性和機(jī)械性能，使工件在加工和使用過(guò)程中產(chǎn)生應(yīng)力變形而失敗，尺寸精度得不到保證。為了消除和均化殘余應(yīng)力，穩(wěn)定工件的尺寸精度， 過(guò)去通常采用熱時(shí)效和自然時(shí)效的方法，自然時(shí)效雖然不耗能源，但周期太長(zhǎng)，需要場(chǎng)地太大，不適應(yīng)大規(guī)模生產(chǎn)；熱時(shí)效是通過(guò)把工件加熱到相變溫度以下，在熱狀態(tài)下加速應(yīng)力釋放，其周期較自然時(shí)效大為縮短，應(yīng)用廣泛，但是退火爐造價(jià)高，使用費(fèi)用也高，而且占地面積大，輔助設(shè)備多，能耗高，爐溫控制困難，工件易氧化，增加了清理工作量。還有因工件受熱不均而導(dǎo)致裂變或在冷卻過(guò)程中產(chǎn)生新的應(yīng)力。此外，熱時(shí)效處理勞動(dòng)條件差，污染環(huán)境，機(jī)械化自動(dòng)化水平也不高。振動(dòng)時(shí)效對(duì)于消除.均化和減小金屬構(gòu)件的殘余應(yīng)力，提高構(gòu)件抗動(dòng)載荷變形能力，穩(wěn)定構(gòu)件尺寸精度有非常好的效果，經(jīng)濟(jì)效益尤其顯著。與上述兩種時(shí)效方法相比，振動(dòng)時(shí)效具有無(wú)可比擬的優(yōu)越性，其特點(diǎn)是：
(1)降低工件內(nèi)殘余應(yīng)力(峰值應(yīng)力)30%以上，同時(shí)使殘余應(yīng)力分布均勻并處于相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)。
(2)振動(dòng)時(shí)效處理的工件可提高抗變形能力，與熱時(shí)效和自然時(shí)效相比，振動(dòng)時(shí)效處理的工件的抗靜載荷變形能力提高35%以上，抗動(dòng)載荷變形能力可提高1-3倍。
（3)勞動(dòng)條件好，無(wú)污染，工件沒(méi)有氧化脫碳現(xiàn)象，無(wú)須清理氧化皮，工件保持原由的金屬光澤。
(4)振動(dòng)時(shí)效處理后，工件尺寸穩(wěn)定性提高30-50%。
(5)顯著節(jié)能，降低成本，縮短周期，與熱時(shí)效相比，振動(dòng)時(shí)效節(jié)約成本90%以上，自然時(shí)效周期要半年以上，熱時(shí)效要1-2天，而振動(dòng)時(shí)效通常僅需半小時(shí)，最長(zhǎng)不超過(guò)50分鐘。
(6)設(shè)備投資不到熱時(shí)效的1/10，而且維修簡(jiǎn)單，維修費(fèi)用低。
(7)設(shè)備輕便易于攜帶，工藝簡(jiǎn)單，適應(yīng)性強(qiáng)，自動(dòng)化程度高，不受工件大小，重量，工作地點(diǎn)限制，可用于各種金屬的鑄.焊.鍛件，特別是對(duì)大中型工件和需要二次時(shí)效的工件(半精加工后，淬火后等)，是目前使用方便，不受條件限制的最好的時(shí)效方法。
(8)振動(dòng)時(shí)效設(shè)備對(duì)所處理工件的參數(shù)自動(dòng)記錄下來(lái)，為振動(dòng)時(shí)效效果的判定和檢驗(yàn)提供了可靠的依據(jù)。
項(xiàng) 目 |
自然時(shí)效 |
熱時(shí)效 |
振動(dòng)時(shí)效 |
應(yīng)力消除率 |
10%左右 |
30—80% |
30—60% |
尺寸穩(wěn)定性 |
好 |
較差 |
較好 |
時(shí)效成本 |
占場(chǎng)地、占資金 |
150—300元/噸 |
10元/噸 |
時(shí)效周期 |
一般半年以上 |
20—60小時(shí) |
一小時(shí)內(nèi) |
環(huán)境保護(hù) |
無(wú)污染 |
污染較嚴(yán)重 |
無(wú)污染 |
抗變形能力 |
較好 |
比時(shí)效前降低 |
比時(shí)效前提高 |
時(shí)效變形量 |
可忽略不計(jì) |
較大 |
可忽略不計(jì) |
工件適應(yīng)性 |
幾乎任何工件 |
受尺寸、材質(zhì)限制 |
幾乎任何工件 |
工序安排 |
須在精加工前 |
須在精加工前 |
任何工序之間 |
用振動(dòng)的方法消除金屬構(gòu)件的殘余應(yīng)力技術(shù)，于1900年在美國(guó)就取得了專利。但由于人們長(zhǎng)期使用熱時(shí)效，加上當(dāng)時(shí)對(duì)振動(dòng)消除應(yīng)力的機(jī)理還不十分明確，且高速電機(jī)尚未出現(xiàn)造成設(shè)備沉重、調(diào)節(jié)不便，因此該項(xiàng)技術(shù)一直未得到發(fā)展和應(yīng)用。
直到60年代由于能源危機(jī)，美國(guó)、英國(guó)、日本、聯(lián)邦德國(guó)等國(guó)才又開(kāi)始研究振動(dòng)時(shí)效的機(jī)理和應(yīng)用工藝。特別是到70年代由于可調(diào)高速電機(jī)的出現(xiàn)，推動(dòng)了振動(dòng)消除應(yīng)力裝置（VSR系統(tǒng)）的發(fā)展：1973年英國(guó)制成手提式VSR系統(tǒng)即VCM80，后來(lái)美國(guó)馬丁工程公司也研制出比較先進(jìn)的設(shè)備LT-100R型VSR系統(tǒng)。法國(guó)和蘇聯(lián)也分別生產(chǎn)出PSV型和NB型VSR系統(tǒng)。這些比較先進(jìn)的激振裝置，促進(jìn)了振動(dòng)消除應(yīng)力工藝的發(fā)展和應(yīng)用。
據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前世界上正在使用的VSR系統(tǒng)約有一萬(wàn)臺(tái)以上。美國(guó)采用振動(dòng)時(shí)效工藝的有700多個(gè)公司，蘇聯(lián)和東歐一些國(guó)家也在大量使用，都取得了明顯的經(jīng)濟(jì)效益。許多國(guó)家都已將振動(dòng)時(shí)效定為某些機(jī)械構(gòu)件必須采用的標(biāo)準(zhǔn)工藝。在英國(guó)幾乎沒(méi)有一家公司不使用該項(xiàng)技術(shù)的。
振動(dòng)處理在國(guó)外的應(yīng)用范圍比較廣，被處理構(gòu)件的類型也比較多。例如：
1．英國(guó)一機(jī)床公司生產(chǎn)大型精密機(jī)床，其床身與立柱要求精度為0.01mm/2m。過(guò)去采用熱時(shí)效其精度保持性較差，后來(lái)改用振動(dòng)時(shí)效，滿足了精度要求，因此現(xiàn)在已將振動(dòng)時(shí)效定為該項(xiàng)產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)工藝。
2．英國(guó)生產(chǎn)的鋁合金鑄造精密泵體，其尺寸為275×300×150mm，也是用振動(dòng)時(shí)效來(lái)保證其精度的。
3．美國(guó)PX工程公司，用振動(dòng)時(shí)效來(lái)消除8噸重的焊接結(jié)構(gòu)齒輪的內(nèi)應(yīng)力，用以減少焊接裂紋。
4．美國(guó)Pont Land電子專業(yè)公司，用該項(xiàng)技術(shù)處理4噸重的鍛件毛坯。該公司規(guī)定鍛件進(jìn)行三次振動(dòng)處理：
?。?）毛坯（2）粗加工后（3）精加工后。三次處理后即保證了鍛件的穩(wěn)定性。
5．美國(guó)華盛頓鋼鐵公司，對(duì)該公司生產(chǎn)的47噸重的剪床座進(jìn)行振動(dòng)處理。剪床座是用152mm至203mm厚的鋼板焊成，加強(qiáng)筋厚為38mm至76mm這樣大而重的構(gòu)件只用40分鐘的振動(dòng)處理就代替了過(guò)去的熱時(shí)效處理。
6．美國(guó)西北工業(yè)公司對(duì)2800噸重的海洋鐵塔及1280噸重的鉆井平臺(tái)也采用過(guò)振動(dòng)時(shí)效處理。
7．英國(guó)對(duì)陸上井口平臺(tái)采用振動(dòng)時(shí)效，井口平臺(tái)是由管徑為200mm的鋼管焊成6m×6m×2m管型構(gòu)架。
8．英國(guó)噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)火焰筒襯里，由于焊后熱膨脹而發(fā)生裂紋，報(bào)廢率占30％以上，后來(lái)采用振動(dòng)時(shí)效工藝，報(bào)廢率幾乎為零。
9．英國(guó)生產(chǎn)的所有專用機(jī)床床身都是用振動(dòng)時(shí)效代替熱時(shí)效。有三十多家機(jī)床廠和十多個(gè)鍛壓設(shè)備廠都是將振動(dòng)時(shí)效作為標(biāo)準(zhǔn)的生產(chǎn)工藝。
美、英等國(guó)在其它工業(yè)部門(mén)也大里采用振動(dòng)時(shí)效，如造紙機(jī)械廠、船舶軸承廠、激光焊機(jī)廠、齒輪箱制造廠、紡織機(jī)械廠、軋鋼設(shè)備廠、印刷機(jī)械廠、泵制造廠、采油設(shè)備廠、發(fā)電設(shè)備廠、鍋爐廠等都應(yīng)用振動(dòng)時(shí)效來(lái)消除構(gòu)件的應(yīng)力。
自1975年以來(lái),振動(dòng)時(shí)效技術(shù)在我國(guó)也得到了較快的發(fā)展和推廣，在機(jī)床鑄件上取得了較大的突破。
多年來(lái)，關(guān)于振動(dòng)時(shí)效對(duì)焊接構(gòu)件疲勞壽命的影響是國(guó)內(nèi)外專家極為關(guān)心和爭(zhēng)論的焦點(diǎn)問(wèn)題。我國(guó)一些單位做了許多研究，得出的結(jié)論認(rèn)為，振動(dòng)時(shí)效對(duì)金屬材料的力學(xué)性能有較大的影響，合理的振動(dòng)時(shí)效工藝可以提高焊接構(gòu)件的疲勞壽命。這些結(jié)論為振動(dòng)時(shí)效在焊接構(gòu)件上的應(yīng)用奠定了理論基礎(chǔ)。
振動(dòng)時(shí)效工藝在國(guó)內(nèi)經(jīng)二十余年的研究應(yīng)用，許多企業(yè)都在一些重要的基礎(chǔ)部件中應(yīng)用了振動(dòng)時(shí)效技術(shù)。
