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振動去鑄件應力

作者：admin 發(fā)布時間：2021-01-04 17:03 瀏覽次數(shù) :

金屬構(gòu)件在機械加工過程中會產(chǎn)生導致尺寸精度和穩(wěn)定性降低的余應力，目前普遍采用熱時效和傳統(tǒng)振動時效（即亞共振時效）消除余應力。每噸工件熱時效費用至少500元，消耗180千克標準煤，排放410千克二氧化碳和13千克二氧化硫。這樣一個成本高、能耗大、污染嚴重的傳統(tǒng)工藝竟然沿用至今。而傳統(tǒng)振動時效噪音大、振型單一、效果欠佳、處理范圍受限、操作繁瑣、操作者需有豐富的工藝經(jīng)驗，特別對于高剛性、高固有頻率的工件更是傳統(tǒng)振動時效的禁區(qū)。
振動時效：
3.振動時效，在國外稱之為“VSR”技術(shù)，它是在激振器的周期性外力（激振力）的作用下，使被處理的工件產(chǎn)生共振，并通過這種共振方式將一定的振動能量傳遞到工件的所有部位，使工件內(nèi)部發(fā)生微觀的塑性變形—被歪曲的晶格逐漸恢復平衡狀態(tài)。位錯重新滑移并釘扎，從而使工件內(nèi)部的殘余應力得以消除和均化，終防止工件在加工和使用過程中變形和開裂，保證工件尺寸精度的穩(wěn)定性。
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振動時效的原理
國內(nèi)外大量的應用實例證明，振動時效對消除和均化殘余應力，穩(wěn)定工件的尺寸精度具有良好的作用。同時對振動時效的機理也做了大量的研究和探討。
從宏觀角度分析，振動時效使零件產(chǎn)生塑性變形，降低和均化殘余應力并提高材料的抗變形能力，無意識導致零件尺寸精度穩(wěn)定的基本原因。從分析殘余應力松弛和零件變形中可知，殘余應力的存在及其不穩(wěn)定性造成了應力松弛和再分布，使零件發(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力，特別是危險的峰值應力。振動時效同樣可以降低殘余應力。零件在振動處理后殘余應力通常可降低30~55﹪，同時也使峰值應力降低，使應力分布均勻化。
除殘余應力值外，決定零件尺寸穩(wěn)定性的另一種重要因素是松弛剛性，或零件的抗變形能力。
有時雖然零件具有較大的殘余應力，但因其抗變形能力強，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。由振動時效的加載實驗結(jié)果可知，振動時效件的抗變形能力不僅高于未經(jīng)時效的零件，也高于經(jīng)熱時效處理的零件。通過振動而使材料得到強化，使零件的尺寸精度達到穩(wěn)定。
從微觀方面分析，振動時效可視為一種以循環(huán)載荷的形式施加于零件上的一種附加動應力。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缺陷。鑄鐵中更是存在著大量形狀各異的切割金屬基體得石墨。故而無論是鋼、鑄鐵或其他金屬，其中的微觀缺陷附近都存在著不同程度的應力集中。當受到振動時，施加于零件上的交變應力與零件中的殘余應力疊加。當應力疊加的結(jié)果達到一定的數(shù)值時，在應力集中嚴重的部位就會過材料的屈服極限而發(fā)生塑性變形。這種塑性變形降低了該處殘余應力峰值，并強化了金屬機體。而后，振動又在一些應力集中較嚴重的部位上產(chǎn)生同樣作用，直至振動附加應力與殘余應力疊加的代數(shù)和不能引起任何部位的塑性性別為止，此時，振動便不再產(chǎn)生消除和均化殘余應力及強化金屬作用。上述解釋已由大量的試驗加以證明。
此外，我更主張從錯位、晶格滑移等金屬學理論上去解釋振動時效機理。其主要觀點是振動時效處理過程實際上是通過在工件的共振狀態(tài)下，給工件的每一部位（從微觀角度說是工件里的每一個微觀晶格）施加一定的動能量，如果施加的這個能量值與微觀組織本身原有的能量值（殘余應力本身是一種勢能）之和，足以克服微觀組織周圍的井勢（也可以說是對恢復平衡的束縛力），則微觀區(qū)域必然會產(chǎn)生塑性變形，使產(chǎn)生殘余應力的歪曲晶格得以慢慢地回復平衡狀態(tài)，使應力集中處地位錯得以滑移并重新釘扎，達到消除和均化殘余應力的目的。對于殘余應力集中的地方，殘余應力值較大，其微觀組織本身所具有的回復平衡狀態(tài)的勢能值也較大，所以，此處的殘余應力在震動處理過程中消除的就越多。只有從這一觀點上才能解釋通許多用種觀點所解釋不通的一些現(xiàn)象，比如：在振動處理過程中我們只需施加一個方向的主動應力，就能消除包括垂直主動應力方向上的所有殘余應力等
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殘余應力
§2.1殘余應力分類
在各種金屬構(gòu)件加工制造過程中，構(gòu)件內(nèi)部不可避免地會產(chǎn)生殘余應力。生產(chǎn)過程中應力產(chǎn)生主要工藝分為：鑄造殘余應力、焊接殘余應力、壓力加工殘余應力、切削加工殘余應力、熱處理殘余應力、鍍層殘余應力、表面硬化處理殘余應力、校直殘余應力等。
§2.2殘余應力的產(chǎn)生
各種機械加工一如鑄造、切削、焊接、熱處理、裝配等都會使工件內(nèi)部出現(xiàn)不同程度的殘余應力。從殘余應力產(chǎn)生的原因來講，可分成如下幾類：
1. 由于機械加工產(chǎn)生不均勻的塑性變形引起的殘余應力。
2. 由于溫度不均勻造成的局部熱塑性變形或相變作用引起的不均勻塑性變形而產(chǎn)生的殘余應力。
3. 由于裝配公差產(chǎn)生的殘余應力。
此外還有化學變化等多種原因都可產(chǎn)生殘余應力。
由于產(chǎn)生殘余應力的原因不同，因此構(gòu)建內(nèi)殘余應力的分布和良知也不相同。某點的終殘余應力的量值，是由各種原因產(chǎn)生的殘余應力的綜合值。
現(xiàn)將產(chǎn)生殘余應力的幾種主要原因的力學模型分述如下。
一、機械加工引起的殘余應力
這是金屬構(gòu)件在加工中易產(chǎn)生的殘余應力。當施加外力時，物體的一部分出現(xiàn)塑性變形，卸載后，塑性變形部分限制了與其相鄰部分變形的恢復，因而出現(xiàn)了殘余應力。
這種由局部塑性變形引起的殘余應力，在很多加工工藝中均會出現(xiàn)，如鍛壓、切削、冷撥、冷彎等等。這種殘余應力往往是很大的。
二、溫度不均勻引起的殘余應力
大多數(shù)金屬都不是純彈性或純塑性材料，在冷卻過程中往往會發(fā)生塑性至彈性的轉(zhuǎn)變。以鑄鐵件和碳鋼焊接件為例；無論是鑄造和焊接均需要將構(gòu)件加熱到800℃以上。加工后放在自然溫度環(huán)境中，構(gòu)件都要經(jīng)過這個塑性—彈性轉(zhuǎn)變溫度區(qū)間700---400℃，由于構(gòu)件冷卻是從外到內(nèi)的，就會產(chǎn)生外部成彈性溫度區(qū)間，而構(gòu)件內(nèi)部還處在塑性溫度區(qū)間，通俗的講就是構(gòu)件外部已經(jīng)固化，而內(nèi)部因為繼續(xù)冷卻而收縮，構(gòu)件外部不讓其收縮產(chǎn)生殘余應力。
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