从机床振动时效处理看振动时效技术

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　　大型数控机床床身在铸造和机械加工等工艺过程中，由于受热或受力不均匀，其内部都会产生不同程度的残余应力。残余应力的存在，极大地影响了机床床身的尺寸稳定性、刚度、强度和机械加工性能等，严重影响着机床的装配和正常使用。

　　工程上采用的材料都不是理想的弹性体，其内部存在着不同类型的微观缺陷，铸铁中更是存在着大量形状各异的切割金属基体的石墨，其中的微观缺陷附近都存在着不同程度的应力集中。振动时效消除残余应力的必要条件是动应力(激振力)和残余应力之和大于材料的屈服极限。

　　由于机床床身在铸造及粗加工后，存在有残余应力，且残余应力不稳定性，造成应力松弛和应力的再分布，使工件产生变形影响机床精度，因此需要在粗加工后进行振动时效处理消除残余应力。

　　机床床身振动现场

　　机床铸件应用振动时效工艺，从近百件的床身中随机抽出两件进行残余应力振前、振后测量计算，结果发现振动时效使纵向平均应力水平降低32%，横向应力降低39%，不低于热时效的效果。其抗变形能力比热时效有所提高，精度变化值与热时效相比均小于0.005mm，符合工艺要求。

　　振动时效技术优势

　　振动时效工艺其原理是用振动消除残余应力，可达到热时效工艺的同样效果，并在许多性能指标上超过热时效。振动时效工艺耗能少(是热时效的2%左右)、设备投资少、效率高，其在节能、减少环境污染和提高产品性能方面有卓越的表现，使得这一高新技术在各行各业中有广泛的应用前景。

　　1. 调整、均化、消除残余应力
　　对于那些无需改变组织状态、非加工硬化材料，振动时效完全可以取代热时效。此外，振动时效可处理热时效不能处理的大型工件。一方面，振动时效可以看成是在周期性动应力作用下循环应变的过程。由于金属晶体内存在有大量的位错，在循环应变下，位错克服阻力而运动，产生滑移使晶体发生微观塑性变形，残余应力峰值下降，从而改变了工件原有的内应力场，工件内部应力降低，并重新分布，在较低的应力水平下达到平衡。另一方面，振动时效以机械能的形式施加给工件一定的振动能量，从而提高了构件内部晶体的动能，加快了畸变晶格恢复平衡位置的速度，晶格排列趋于平衡，工件内部阻尼减小，内应力峰值降低，分布均化。

　　2. 提高构件抗变形能力，稳定构件加工尺寸
　　振动时效使构件基体内晶体结构强化，从而提高了构件抗变形能力和尺寸稳定性。

　　3. 提高焊件疲劳寿命
　　振动时效通过降低焊接残余应力，有效地延缓裂纹萌生，降低其扩展速度，从而提高焊件的疲劳寿命。疲劳裂纹的萌生总是先在应力最高，强度最弱的基体上形成。试件经振动时效处理后，由于高残应力的降低，应力分布的均化，减少了应力集中的影响;另外，由于位错积塞、缠结和网状化程度的增大及位错密度的增加，使滑移带滑移更加困难，从而延缓了疲劳裂纹的成核时间，使裂纹萌生寿命增大。

　　振动时效原理示意图

　　4. 提高焊件抗应力腐蚀性能
　　残余拉应力是产生应力腐蚀的重要原因。振动时效减少了构件的应力集中效应，有效地消除和均化了残余应力，从而提高了焊件抗应力腐蚀性能。

　　5. 提高金属材料冲击功Ak值
　　振动时效使金属试件由振前处于较高能量级的平衡，转变成振后处于较低能量级的平衡，即处于更稳定的状态，从而提高了其冲击功Ak值。

　　振动时效使冲击试验的两组试样在冲击前处在不同能量级状态下，处在较低能量级试件(振后试件)其抵抗断裂的能力将比处在较高能量级试件(振前试件)强，即振动时效后试件在冲击过程中所耗冲击吸收功Ak将比振动时效前试件要大。振动时效使裂纹扩展阻力增大，裂纹扩展过程中绕曲的次数增多，材料的冲击韧性提高，冲击功Ak值增大。

　　振动时效技术与热时效、自然时效的对比

　　传统的消除残余应力的时效方法有热时效和自然时效。热时效是将金属放置在加热炉中，经过升温、保温和降温三个过程的温度变化，使金属迅速膨胀和收缩，降低材料的屈服极限，因而残余应力高的地方，就会超出屈服极限，使晶格滑移，产生微小的塑性变形，从而将残余应力释放、降低和均化。热时效需要专用的加热炉，投资大、能耗大、效率低、污染环境、容易产生新的变形和二次应力。

　　自然时效是将金属长期放置露天，利用昼夜的温差和复杂多样的“环境震荡”，使金属发生缓慢、细微的收缩和膨胀，经长期积累得到释放残余应力的目的。自然时效周期长，效率低，导致成本增加。

　　振动时效处理的弹性体其残余应力可以被消除20%～80%左右，高拉应力区消除的比例比低应力区大。因此可以提高使用强度和疲劳寿命，降低应力腐蚀。可以防止和减少由于热处理、机械加工等工艺过程造成的微观裂纹的发生。可以提高弹性体抗变形的能力，稳定弹性体的精度，提高机械质量。同时，由于设备简单易于搬动，可以在任何场地上进行现场处理。它不受构件大小和材料的限制，从几十公斤到几十吨、上百吨的构件都可以使用振动时效技术。在处理过程中，振动时效只需30min即可进行下道工序。而热时效至少需要一至两天以上的时间，且需要大量的煤油、电、水等能源。因此，相对与热时效来说，振动时效可节省能源90%以上，可节省费用95%以上，特别是可以节省建造大型焖火窑的巨大投资。

　　振动时效技术发展前景

　　振动时效技术发展至今，有着丰富的理论及实践基础。它可以广泛应用于航空、化工机械和动力机械，等诸多制造行业。目前我国正走在人与自然和谐可持续发展的道路上， 因此，深入研究这项效果好、效率高、节能和环保的时效技术必将产生巨大的社会和经济效益。

　　来源：今日头条 头条号机械加工匠