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振动消除应力设备 |
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频顺序分别称为：固有频率（基本固有频率）；第二个固有频率……。对于每一个固有频率都有一个确定的位移形态，称为振型，就是说，对应每一个固有频率都有对应的一个振型。
工件的固有频率可用振动时效设备本身来测定，以VSR系列振动时效设备为例，只要按一下控制器面板上的“启动”按钮，整套装置就会在其扫频范围内寻找出被时效工件的固有共振频率，并将固有频率值、固有频率下所对应的工件的大振动加速度值及工件在固有频率周围的振动趋势图打印出来，使操作者一目了然。
图4-2
振动频率一般选择在共振峰，即工件的亚共振区，一般确定在共振峰高度的所对应的频率范围内，如图4-2所示，该工件的固有共振频率为4500r/min，共振时产生的大振动加速度（峰值）为60.0m/s2,则对工件的振动时效频率就确定为工件的振动加速度值在20.0~40.0m/s2区域内所对应的频率。具体的确定方式有两种：
．手动调节。将激振器频率调节到工件固有频率以下100r/min处，即4400r/min，观察控制器上加速度的值，然后再用手动慢慢升速，使加速度值升高在20~40m/s2范围内，具体掌握在多大的频率下，还要看工件的振动情况，若工件在共振状态时振动很激烈，则可选择在范围内，若工件振动不是很激烈，则选择在范围内。
.自动调节。VSR系列全自动控制器会自动地控制整套设备对工件进行频率、振动情况的测定，并给出数据及曲线图，并根据系统自动地确定对工件的振动频率，这一切无需人工干预，而只需按一下自动按钮就可完成。
振动时间的确定
由于各种零件的结构和重量不同，残余应力的大小分布不同，振动时效选用的振动时间也应有所不同。振动时间的长短对振动时效的效果，尤其是获得佳技术和经济效果是有一定的影响的。
除英国的振动时效工艺外，其他包括中国在内的所有国家所选用的都是长时间的亚共振处理方法。
英国的振动时效工艺主要内容是控制器控制激振器的激振频率以一定的速度升高，当升高到工件的固有频率附近时，工件产生共振，这时控制器就控制激振器在工件的共振频率上激振约5000次，然后激振器再以一定的速度升速，若再遇上工件的共振频率，再在这个共振频率下施振5000次，之后，再升速直至升到激振器的高转速极限，之后，再快速扫描一次，这时激振器不再在共振频率处停滞，整个处理过程在很短的时间内就告完结。
其它国家的振动工艺是选择在工件的亚共振区进行较长时间的亚共振处理，在本书的部分中所讲的激振频率的选择就是依据这个原则，那么，究竟选择多长时间为宜呢？经过大量的试验证明，振动消除残余应力大部分是在分钟内完成的，五分钟之后的处理效果已不再明显。为此，我们一般按表4-1原则选择振动处理的时间，经过十几年的证明，基本上能满足振动工艺的要求。
我们经过十几年的实践经验和理论研究，在工件的支承和激振器的装夹方面总结出一下几个基本原则。
当工件长：宽＞3，长：厚＞5时，则认为工件属于梁型件类，橡胶垫应在距端部2/9长度处，激振器卡在中间或一端，传感器洗紧在另一端，如图4-4。
．当工件的长≈宽，长：厚＞5时，则认为工件属于板型件类。可在距端部1∕3长度处放上四个橡胶垫，激振器卡在中间或一端，传感器吸紧在另一端，如图4-5。
．当工件的长≈宽≈高时，则认为工件属方型件类。橡胶垫可采用三点支承方式，激振器放在单支点侧的端部，或工件顶面的中间，传感器放在另一端部，如图4-6。
．当工件为圆环时，橡胶垫在圆环底部采用四个或三个对称支承，激振器夹在两个橡胶中间，传感器放在另两个橡胶垫中间，如图。
．当工件为轴类件时，按梁型件类支撑，若轴的刚性交差，可采用悬挂方式处理。
．当工件较小，属小件类，可采用振动台的方式进行集中处理，但振动台的设计计算比较复杂，采用这种工艺应请有经验的振动时效设计，方能取得较好的时效效果。
．当工件较大，当刚性太强时，可采用定速定时工艺处理。
一项振动时效工艺是否成功，其后的检测方法应是残余应力的变化率和尺寸精度保持性的测试。但是振动处理过程中采用上述两种参数是不可能的，它是需要长时间和复杂的测试过程。通常在实际生产应用的控制过程中往往采用振动时效前后幅频特性参数曲线和振幅-时间参数曲线测试法并按JB/T5926-91标准中第4.1条款或JB/T10375-2002标准中的第6.2条款验收来实现的。
（a）幅频特性曲线扫描法
图6-1幅频特性曲线二次扫描图
（图中实线为振前所测曲线、虚线为振后所测曲线）
在振动处理过程中随着残余应力的下降，构件的内阻尼减小，所以在幅频特性曲线上所表现出的是固有频率的下降，（如图6-1中所示f1变为f1′）、共振峰值的增高、频带变窄。振动处理前测得的幅-频特性曲线和振后幅频特性曲线对比可求出各参数的变化量△f,△h和△u。经过多个试件处理后可把这些变化量的统计值确定下来。这样就可在生产应用时进行监测。
如果生产中所得的参数变化与确定的数值相近，说明振动处理的效果已达到。如果远远偏小，说明效果欠佳，尚需在激振参数（主要是激振力）上做适当调整，或支承方式上需做调整。
总之，幅-频特性曲线监测法是国内外普遍采用的较为成熟的方法。
（b）振幅-时间曲线监测法
幅-频特性曲线是振动处理的前后进行的，且频率在不断的改变。有时为了获得更好的曲线。这要比种方法更为简单，它既可以通过振幅的变化来控制振动处理的有效时间，又可以通过振幅的变化量来监测残余应力的变化情况。
焊接构件的振动时效技术是对已焊接成型的构件进行振动处理，用以降低和均化由于焊接造成的残余应力。而振动焊接是将被焊部件进行振动，且边振动边焊接，直到焊完为止。这种振动是在一定频率范围内的轻微振动，其作用如下：，当焊缝金属在熔溶状态时，振动可以使组织发生变化，晶粒得以细化。焊缝晶粒细化必将使材料力学性能得到提高；其次在有温度作用下，焊缝处材料屈服极限很低，因此振动很容易使热应力场得到缓解，极易发生热塑性变形，而释放受约束应变，使应力场梯度减少，故使后的焊接残余应力得到降低或均化；第三由于振动，在结晶过程中使气泡杂质等容易上浮，氢气易排除，焊缝材料与母材过渡连接均匀、平缓，降低应力集中，提高焊接质量。因此振动焊接可以有效地防止焊接裂纹和变形，提高构件的疲劳寿命，增强机械性能。
振动焊接技术是在振动时效技术基础上发展起来的。但振动焊接技术的作用明显优于振动时效技术。振动时效技术是在构件焊好后使用的处理技术，只能对焊接残余应力起到降低和均化作用，而振动焊接技术从焊接开始就起到细化晶粒的作用，接着在热状态下通过热塑性变形来调整应变而降低残余应力。因此，可以说振动焊接从一开始就起到了防止焊接裂纹和减少变形的作用。提高焊接质量是优于振动时效技术的优点。做为振动焊接，它并不要求构件达到共振状态，只要达到某一频率范围内且具有一定的振幅就可以，因此振动焊接技术可以在任何构件上应用。特别是在大型结构件焊接修复时，振动焊接就完全可以实现，焊后不再使用热时效处理。
在这里说明的是“振动焊接技术”包括两个方面，即“焊接技术”与“焊接振动技术”两个内容。这里说的“焊接技术”就是正常的焊接技术，而“焊接振动技术”就是在焊接过程中根据不同构件施加一种不同参数的机械振动。这一章就是研究关于“振动焊接”的作用和“振动焊接”的工艺参数选择原理。
某厂成批生产的B1010A刨床的床身，材质为HT200，重量问6500kg，轮廊尺寸为6900×980×580mm，为典型的梁型件，我们用四个橡胶垫在床身下面距端部2/9L即1530mm处将床身支撑起来。该床身两头为油箱，中央夹激振器不方便，所以我们把激振器用弓形卡具卡紧在床身端头油箱处。加速度计用磁铁吸紧在床身的另一端头。如图7-1
用VSRDS-08型振动时效装置对床身进行扫频处理，测得其一阶固有频率为2334r/min,即38.9Hz，共振加速度值为48.9m/s2。这时K2型激振器的偏心率调在26%（本激振器偏心装置在0～范围内无极可调）。
我们按峰值48.9m/s2 的1/2确定振动频率为2303r/min振动处理约10分钟，加速度值基本保持不变了，再处理3分钟，即共13分钟。然后再对床身进行扫频处理，发现共振频率已发生前移，峰值已升高，符合JB/T5926—2005验收标准中第4.12条第c、d两项验收指标，达到消除和均化残余应力的目的。
某厂生产的J31—400压力机的横梁，为焊接结构件，重量为137000kg，轮廓尺寸为2090×2030×1520，为较为典型的方型件。我们在其底面采用三点支撑方式，橡胶垫距相邻的两端面的距离约为该边长度的1/3 。激振器用螺栓拧紧在横梁顶面的中间部位，加速度计吸紧在靠近一侧的中间位置上。如图7-2用VSRDS-08型振动时效装置对其进行扫频处理，测得其固有共振频率为4572r/min即76.2Hz,共振峰高度为32.6m/s2,鉴于该工件刚性较大，我们选择其共振峰值32.6 m/s2的2/3来确定振动频率为4551r/min,振动处理18分钟，VSRDS-08型微机内部的系统就判定为达到效果而自动关机，从随后第二次扫频的数据和曲线图上看，与次扫频的比较，已出现共振频率左移、峰值升高、带变窄三种现象，符合JB/T5926-2005标准中的第4.12条的c、d、e三项验收指标。
