振 動 時 效 工 藝

我國七十年代開始生產(chǎn)振動時效設(shè)備，一九八六年振動時效工藝方法通過鑒定，二零零五年發(fā)布JB/T5926行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，2005年投入“VAII智能超級”系列全自動振動消除應(yīng)力專家系統(tǒng)”，逐步開發(fā)、完善了振動時效設(shè)備的產(chǎn)品系列，使我國的振動時效設(shè)備生產(chǎn)技術(shù)和振動時效工藝技術(shù)跨入世界先進行列。“VAII智能超級振動時效裝置”的開發(fā)成功，進一步標(biāo)志著我國振動時效技術(shù)開始領(lǐng)先于世界，使振動時效工藝?yán)碚摼邆淞烁玫膶嵺`裝備。

    熱時效（TSR）工藝是目前還在廣泛采用的傳統(tǒng)機械加工方法，其原理是用爐窯將金屬結(jié)構(gòu)件加熱到一定溫度，保溫后控制降溫，達(dá)到消除殘余應(yīng)力的目的，可以保證加工精度和防止裂紋產(chǎn)生。TSR工藝廣泛應(yīng)用于幾乎所有機械產(chǎn)品生產(chǎn)廠，在中國有幾萬家企業(yè)每年有數(shù)十萬噸的機械金屬結(jié)構(gòu)件采用TSR，其所消耗的重油、電、煤氣和原煤折合標(biāo)準(zhǔn)煤為140-240kg／噸左右，由此可見TSR工藝耗能已不容忽視，其對環(huán)境造成的污染之大也是有目共矚的。TSR工藝的基本工裝低溫時效爐目前造價約為人民幣4000元/立方米左右，年維護費用為人民幣300-400元/立方米，加上運輸、其它輔助工作（如去除氧化皮等），每噸金屬結(jié)構(gòu)件的處理費用將高達(dá)人民幣400-600元。

    自然時效(NSR)是將工件長時間露天放置（一般長達(dá)六個月至一年左右），利用環(huán)境溫度的季節(jié)性變化和時間效應(yīng)使殘余應(yīng)力釋放，由于周期太長和占地面積大，僅適應(yīng)長期單一品種的批量生產(chǎn)和效果不理想，目前應(yīng)用的較少。

    振動時效（VSR）工藝是一種可完全取代TSR和NSR的工藝，其原理是用振動消除殘余應(yīng)力，可達(dá)到TSR工藝的同樣效果，并在許多性能指標(biāo)上超過TSR。VSR工藝耗能少（是TSR的２％左右）、設(shè)備投資少和效率高，其在節(jié)能、減少環(huán)境污染和提高產(chǎn)品性能方面有卓越的表現(xiàn)，使得這一高新技術(shù)在各行各業(yè)中有廣泛的應(yīng)用前景。

   VSR（Vibration Stress Relief）這個術(shù)語表示一個使金屬結(jié)構(gòu)件尺寸穩(wěn)定的物理過程，這個過程的結(jié)果是解決加工過程中和加工后的變形，它是利用受控共振對工件進行處理，在工業(yè)技術(shù)高度發(fā)達(dá)的今天已使這個過程得以實現(xiàn)。

   金屬結(jié)構(gòu)件在鑄造、焊接、鍛壓和機械切削加工過程中，由于熱脹冷縮和機械力造成的變形，在工件內(nèi)部產(chǎn)生殘余應(yīng)力，致使工件處于不穩(wěn)定狀態(tài)，降低工件的尺寸穩(wěn)定性和機械物理性能，使工件在成品后使用過程中因殘余應(yīng)力的釋放而產(chǎn)生變形和失效。為消除殘余應(yīng)力，傳統(tǒng)的工藝方法是采用自然時效和熱時效，熱時效（TSR）前面有介紹，自然時效是將工件長時間露天放置（一般長達(dá)六個月至一年左右），利用環(huán)境溫度的不斷變化和時間效應(yīng)使殘余應(yīng)力釋放，由于周期太長和占地面積大，不適應(yīng)批量生產(chǎn)和效果不理想，目前應(yīng)用的很少。

振 動 時 效 工 藝

我國七十年代開始生產(chǎn)振動時效設(shè)備，一九八六年振動時效工藝方法通過鑒定，二零零五年發(fā)布JB/T5926行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，2005年投入“VAII智能超級”系列全自動振動消除應(yīng)力專家系統(tǒng)”，逐步開發(fā)、完善了振動時效設(shè)備的產(chǎn)品系列，使我國的振動時效設(shè)備生產(chǎn)技術(shù)和振動時效工藝技術(shù)跨入世界先進行列。“VAII智能超級振動時效裝置”的開發(fā)成功，進一步標(biāo)志著我國振動時效技術(shù)開始領(lǐng)先于世界，使振動時效工藝?yán)碚摼邆淞烁玫膶嵺`裝備。

    熱時效（TSR）工藝是目前還在廣泛采用的傳統(tǒng)機械加工方法，其原理是用爐窯將金屬結(jié)構(gòu)件加熱到一定溫度，保溫后控制降溫，達(dá)到消除殘余應(yīng)力的目的，可以保證加工精度和防止裂紋產(chǎn)生。TSR工藝廣泛應(yīng)用于幾乎所有機械產(chǎn)品生產(chǎn)廠，在中國有幾萬家企業(yè)每年有數(shù)十萬噸的機械金屬結(jié)構(gòu)件采用TSR，其所消耗的重油、電、煤氣和原煤折合標(biāo)準(zhǔn)煤為140-240kg／噸左右，由此可見TSR工藝耗能已不容忽視，其對環(huán)境造成的污染之大也是有目共矚的。TSR工藝的基本工裝低溫時效爐目前造價約為人民幣4000元/立方米左右，年維護費用為人民幣300-400元/立方米，加上運輸、其它輔助工作（如去除氧化皮等），每噸金屬結(jié)構(gòu)件的處理費用將高達(dá)人民幣400-600元。

    自然時效(NSR)是將工件長時間露天放置（一般長達(dá)六個月至一年左右），利用環(huán)境溫度的季節(jié)性變化和時間效應(yīng)使殘余應(yīng)力釋放，由于周期太長和占地面積大，僅適應(yīng)長期單一品種的批量生產(chǎn)和效果不理想，目前應(yīng)用的較少。

    振動時效（VSR）工藝是一種可完全取代TSR和NSR的工藝，其原理是用振動消除殘余應(yīng)力，可達(dá)到TSR工藝的同樣效果，并在許多性能指標(biāo)上超過TSR。VSR工藝耗能少（是TSR的２％左右）、設(shè)備投資少和效率高，其在節(jié)能、減少環(huán)境污染和提高產(chǎn)品性能方面有卓越的表現(xiàn)，使得這一高新技術(shù)在各行各業(yè)中有廣泛的應(yīng)用前景。

   VSR（Vibration Stress Relief）這個術(shù)語表示一個使金屬結(jié)構(gòu)件尺寸穩(wěn)定的物理過程，這個過程的結(jié)果是解決加工過程中和加工后的變形，它是利用受控共振對工件進行處理，在工業(yè)技術(shù)高度發(fā)達(dá)的今天已使這個過程得以實現(xiàn)。

   金屬結(jié)構(gòu)件在鑄造、焊接、鍛壓和機械切削加工過程中，由于熱脹冷縮和機械力造成的變形，在工件內(nèi)部產(chǎn)生殘余應(yīng)力，致使工件處于不穩(wěn)定狀態(tài)，降低工件的尺寸穩(wěn)定性和機械物理性能，使工件在成品后使用過程中因殘余應(yīng)力的釋放而產(chǎn)生變形和失效。為消除殘余應(yīng)力，傳統(tǒng)的工藝方法是采用自然時效和熱時效，熱時效（TSR）前面有介紹，自然時效是將工件長時間露天放置（一般長達(dá)六個月至一年左右），利用環(huán)境溫度的不斷變化和時間效應(yīng)使殘余應(yīng)力釋放，由于周期太長和占地面積大，不適應(yīng)批量生產(chǎn)和效果不理想，目前應(yīng)用的很少。

   振動時效（VSR）對降低或勻化金屬結(jié)構(gòu)件的殘余應(yīng)力，提高抗動載變形能力，穩(wěn)定尺寸精度和防止裂紋有非常好的效果：

  ⑴降低工件內(nèi)殘余應(yīng)力（峰值）30%-80%，與傳統(tǒng)的熱時效（TSR）相當(dāng)，工件無氧化脫碳現(xiàn)象，無需清理氧化皮，減少了輔助工時。

  ⑵與TSR相比提高了工件抗載荷變形能力，VSR工藝的應(yīng)用使工件抗靜載變形能力提高30%以上，抗動載變形能力提高1-3倍多。

  ⑶是目前超大型結(jié)構(gòu)件和多種材料組合的結(jié)構(gòu)件唯一時效方法，VSR還適用于二次時效（一般在半精加工后），是唯一不受場地、環(huán)境、工序和工件形狀限制的處理方法。

  振動時效（VSR）消除殘余應(yīng)力使工件獲得尺寸穩(wěn)定性的機理可以從宏觀和微觀兩方面解釋：

  宏觀上，當(dāng)σ動 ＋σ殘 ≥σＳ 時（σ動 －－激振器施加給工件的周期性動應(yīng)力，σ殘 －－殘余應(yīng)力，σＳ －－材料屈服強度極限），工件會產(chǎn)生少量的塑性變形，使殘余應(yīng)力峰值下降，原來不穩(wěn)定的殘余應(yīng)力得到松弛和勻化。同時由于包辛格效應(yīng)，經(jīng)一定時間的循環(huán)后，工件材料的當(dāng)量屈服強度由原來的σＳ 上升，直到與所受的應(yīng)力相等，工件內(nèi)部不再產(chǎn)生新的塑性變形，此時塑性變形變成彈性變形，工件的彈性性能得到強化，從而使工件的幾何尺寸趨于穩(wěn)定性。

微觀上，因金屬具有將機械能轉(zhuǎn)變成熱能的性質(zhì)，即使在σ動 ＋σ殘 ≤σＳ 時，也會產(chǎn)生微觀的塑性變形。其機理為：由振動輸入的活化能使位錯移動，在位錯塞積群的前沿引起應(yīng)力集中而產(chǎn)生塑性變形；同時，遷移的位錯切割位錯群，以致使位錯釘孔，材料基體得到強化，使松弛剛度增大，工件獲得尺寸穩(wěn)定性。

   ＶＳＲ工藝的應(yīng)用無論是對國家還是使用單位均可帶來較大的經(jīng)濟效益，主要包含三個方面：

   ⑴ＶＳＲ投資少，見效快
ＶＳＲ國產(chǎn)設(shè)備單臺投資一般在人民幣１０萬元以下，維護費用沒有。而一個２０平方米的爐窯投資在人民幣３５－４０萬元左右，每年的維護費用在４－５萬元左右，其建設(shè)周期一般為２－３個月。

   ⑵ＶＳＲ運行費用低
ＴＳＲ工藝處理的工件耗能折合標(biāo)準(zhǔn)煤約１４０－２４０ｋｇ／噸，需人工約２－３工時／噸，其中不包含后期去氧化皮的人工工時，由于工作環(huán)境差其工時費用高。ＶＳＲ工藝的耗能僅為ＴＳＲ的１－２％，需人工０．１－０．２工時／噸。

 ⑶ＶＳＲ有利于環(huán)境保護

ＴＳＲ處理使用的能源主要是重油、二氧化碳、天然氣和原煤，以使用的最廣泛的重油為例，每噸重油燃燒后產(chǎn)生約７３．５ｋｇ的二氧化硫，同時還產(chǎn)生二氧化碳 等其它有害氣體，而污染最小的天然氣通過燃燒也將產(chǎn)生四倍的廢氣，目前我國用于ＴＳＲ的重油上萬噸，的確是一個不容忽視的污染源，其造成的間接損失不可估量。          

  ⑴降低工件內(nèi)殘余應(yīng)力（峰值）30%-80%，與傳統(tǒng)的熱時效（TSR）相當(dāng)，工件無氧化脫碳現(xiàn)象，無需清理氧化皮，減少了輔助工時。

  ⑵與TSR相比提高了工件抗載荷變形能力，VSR工藝的應(yīng)用使工件抗靜載變形能力提高30%以上，抗動載變形能力提高1-3倍多。

  ⑶是目前超大型結(jié)構(gòu)件和多種材料組合的結(jié)構(gòu)件唯一時效方法，VSR還適用于二次時效（一般在半精加工后），是唯一不受場地、環(huán)境、工序和工件形狀限制的處理方法。

  振動時效（VSR）消除殘余應(yīng)力使工件獲得尺寸穩(wěn)定性的機理可以從宏觀和微觀兩方面解釋：

  宏觀上，當(dāng)σ動 ＋σ殘 ≥σＳ 時（σ動 －－激振器施加給工件的周期性動應(yīng)力，σ殘 －－殘余應(yīng)力，σＳ －－材料屈服強度極限），工件會產(chǎn)生少量的塑性變形，使殘余應(yīng)力峰值下降，原來不穩(wěn)定的殘余應(yīng)力得到松弛和勻化。同時由于包辛格效應(yīng)，經(jīng)一定時間的循環(huán)后，工件材料的當(dāng)量屈服強度由原來的σＳ 上升，直到與所受的應(yīng)力相等，工件內(nèi)部不再產(chǎn)生新的塑性變形，此時塑性變形變成彈性變形，工件的彈性性能得到強化，從而使工件的幾何尺寸趨于穩(wěn)定性。

微觀上，因金屬具有將機械能轉(zhuǎn)變成熱能的性質(zhì)，即使在σ動 ＋σ殘 ≤σＳ 時，也會產(chǎn)生微觀的塑性變形。其機理為：由振動輸入的活化能使位錯移動，在位錯塞積群的前沿引起應(yīng)力集中而產(chǎn)生塑性變形；同時，遷移的位錯切割位錯群，以致使位錯釘孔，材料基體得到強化，使松弛剛度增大，工件獲得尺寸穩(wěn)定性。

   ＶＳＲ工藝的應(yīng)用無論是對國家還是使用單位均可帶來較大的經(jīng)濟效益，主要包含三個方面：

   ⑴ＶＳＲ投資少，見效快
ＶＳＲ國產(chǎn)設(shè)備單臺投資一般在人民幣１０萬元以下，維護費用沒有。而一個２０平方米的爐窯投資在人民幣３５－４０萬元左右，每年的維護費用在４－５萬元左右，其建設(shè)周期一般為２－３個月。

   ⑵ＶＳＲ運行費用低
ＴＳＲ工藝處理的工件耗能折合標(biāo)準(zhǔn)煤約１４０－２４０ｋｇ／噸，需人工約２－３工時／噸，其中不包含后期去氧化皮的人工工時，由于工作環(huán)境差其工時費用高。ＶＳＲ工藝的耗能僅為ＴＳＲ的１－２％，需人工０．１－０．２工時／噸。

 ⑶ＶＳＲ有利于環(huán)境保護

ＴＳＲ處理使用的能源主要是重油、二氧化碳、天然氣和原煤，以使用的最廣泛的重油為例，每噸重油燃燒后產(chǎn)生約７３．５ｋｇ的二氧化硫，同時還產(chǎn)生二氧化碳 等其它有害氣體，而污染最小的天然氣通過燃燒也將產(chǎn)生四倍的廢氣，目前我國用于ＴＳＲ的重油上萬噸，的確是一個不容忽視的污染源，其造成的間接損失不可估量。