振動時效在電機生產(chǎn)中的應(yīng)用

孫金博　周喜東　李群芳

摘 要：隨著科技時代的創(chuàng)新與進(jìn)步，現(xiàn)今社會更多的工業(yè)化生產(chǎn)已經(jīng)由自動機械設(shè)備代替了人力操作生產(chǎn)，而那些電動機械設(shè)備應(yīng)用與操作則是需要有很強的相關(guān)技術(shù)原理，也需要懂得各種應(yīng)用時效原理。各種技術(shù)原理應(yīng)用更多的是以熱時效、自然時效和振動時效為重，而相比較而言，振動時效又比其他時效效果更加直觀，優(yōu)化意識更強。了解振動時效的本質(zhì)，明確振動時效操作的原理應(yīng)用，在各類電機生產(chǎn)技術(shù)應(yīng)用能力上都有很大的幫助，實踐證明，振動時效技術(shù)相較其他而言是一項投資少、效率高、生產(chǎn)周期短和節(jié)能效果顯著的基礎(chǔ)工藝技術(shù)。實際本文說明振動時效的技術(shù)原理、特點以及相關(guān)應(yīng)用操作。

關(guān)鍵詞：振動時效；電機生產(chǎn)；應(yīng)用；

引言

長期以來，電機制造過程都很繁復(fù)，當(dāng)金屬工件在鑄造、鍛壓、焊接和切削加工及使用過程中，由于受熱冷、機械變形作用，造成很多零部件在工件內(nèi)部產(chǎn)生不同程度的殘余應(yīng)力，致使工件處于不平穩(wěn)狀態(tài)，降低工件的尺寸精度穩(wěn)定性和機械物理性能，使工件在裝備工作過程中產(chǎn)生應(yīng)力變形和失效，尺寸精度得不到保證。為了消除殘余應(yīng)力，以往通常是采用熱時效和自然時效來減少殘余應(yīng)力，然而這兩種方式卻都存在由諸多弊端：其中自然時效周期太長，占地面積大，只能較少消除工件殘余應(yīng)力，不適應(yīng)大批量生產(chǎn)；而熱時效雖然在控制工件變形方面有很好的作用，但是相對使用費高，輔助設(shè)備多，耗能大，爐溫控制難度高，工件易氧化，增加清理工作量，且材料強度降低，易因受熱不均致裂，并在冷卻過程中產(chǎn)生新的應(yīng)力，此外，熱時效處理勞動條件差，污染環(huán)境，機械化自動化水平也不高。要取代兩種不合適的時效技術(shù)，對工件加工使用有好的效果，就需要一種新型高效的技術(shù)方法，就這樣振動時效以顯著的節(jié)能降耗、降低成本、縮短周期等性能優(yōu)勢從諸多時效技術(shù)中脫穎而出。

從性能上和使用效率上講，振動時效更能夠適應(yīng)現(xiàn)代工業(yè)社會對能源和環(huán)保的要求。其對工件作用的方便已經(jīng)在某些發(fā)展方面有了取代傳統(tǒng)熱時效的趨勢，作為一種革命性的高新技術(shù)用于生產(chǎn)，引發(fā)了生產(chǎn)機械制造業(yè)極大的興趣，在近幾十年來受到全世界范圍內(nèi)眾多生產(chǎn)廠家公司更為廣泛的關(guān)注與應(yīng)用，正因為振動時效適用范圍廣、技術(shù)操作簡單方便，所以振動時效可算是機械生產(chǎn)制造行業(yè)的一項基礎(chǔ)工藝技術(shù)。與其他機械制造行業(yè)一樣，電機的制造生產(chǎn)同樣面臨著嚴(yán)重的零件變形問題。對振動時效技術(shù)進(jìn)行深入、細(xì)致的應(yīng)用探索，獲得充分的信息數(shù)據(jù)，從而對振動時效技術(shù)的生產(chǎn)應(yīng)用提供技術(shù)依據(jù)，將是一個非常有意義的研究內(nèi)容。

1.振動時效的原理及特點

1.1振動時效的原理

振動時效技術(shù)，又叫做振動消除應(yīng)力，國外稱之為“Vibrating Stress Relief”簡稱“VSR”，在國內(nèi)則被稱做振動時效。振動時效是以共振原理為基礎(chǔ)的一種在工程材料中常用的消除工件內(nèi)部殘余應(yīng)力的方法，通過專業(yè)的振動時效設(shè)備使被處理的工件產(chǎn)生共振，將共振得到的震動能量傳遞到所有工件部位，利用其來消除和均化金屬鑄件、鍛件、焊接結(jié)構(gòu)件、有色金屬等零件的殘余應(yīng)力，促使工件內(nèi)部發(fā)生微觀變形，使得工件材料內(nèi)部的相關(guān)應(yīng)力得到減輕與釋放，恢復(fù)平衡狀態(tài)，防止零件在加工和使用過程中其工件尺寸出現(xiàn)較大變形和開裂，影響工件精度穩(wěn)定性。振動時效與傳統(tǒng)的熱時效相比，可節(jié)能95%、節(jié)省生產(chǎn)費用85～95%、縮短生產(chǎn)周期90%左右、不產(chǎn)生時效氧化皮等；無環(huán)境污染、不受零件大小、場地等限制、且時效效果直觀，并優(yōu)于熱時效。

從技術(shù)微觀細(xì)節(jié)方面進(jìn)行分析，振動時效一般可視為是以循環(huán)載荷的形式施加在零件上的一種附著應(yīng)力。正常而言，工程應(yīng)用材料一般都不是理想的彈性體，其內(nèi)部存在著不少不同類型的微觀缺陷，所有生產(chǎn)過程都會在其中留下大量形狀各異的機體顆粒。故而無論是任何工程材料工件，其中的微觀缺陷附近都存在著不同程度的應(yīng)力集中，當(dāng)受到振動時，施加于零件上的交變應(yīng)力與零件中的殘余應(yīng)力疊加，當(dāng)應(yīng)力疊加的結(jié)果達(dá)到一定的數(shù)值后，在應(yīng)力集中最顯著的部位就會超過材料的承受極限而發(fā)生塑性變形。這種塑性變形降低了該處殘余應(yīng)力峰值，并強化了金屬基體。而后，振動又在另一些應(yīng)力集中較嚴(yán)重的部位上產(chǎn)生同樣作用，直至振動附加應(yīng)力與殘余應(yīng)力疊加的代數(shù)和不能引起任何部位的塑性變形為止，此后，振動便不再產(chǎn)生消除和均化殘余應(yīng)力及強化金屬的作用，因而，可以得知，振動調(diào)整殘余應(yīng)力技術(shù)是十分簡單和可行的。

原理理論說明可以設(shè)想相關(guān)振動時效是將一個具有偏心重塊的電機系統(tǒng)（稱做激振器）安放在構(gòu)件上，并將構(gòu)件用橡皮墊等彈性物體支承，通過控制器起動電機并調(diào)節(jié)其轉(zhuǎn)速，使構(gòu)件處于共振狀態(tài)。約經(jīng)20～30分鐘的振動處理即可達(dá)到調(diào)整殘余應(yīng)力的目的，一般累計振動時間不應(yīng)超過40分鐘。

1.2振動時效的特點

振動時效之所以能夠輕易取代其他時效成為世界廣泛應(yīng)用的工藝技術(shù)，主要還是由于振動時效技術(shù)具有著非常明顯的特點，相對于其他時效更加方便合理，也更有效率效果。

1.2.1 投資少

與熱時效技術(shù)相比，振動時效不需要龐大的時效爐，能夠節(jié)省很大的占地面積與昂貴的設(shè)備投資?，F(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中的大型鑄件與焊接件，如果采用熱時效來消除應(yīng)力則需要建造大型時效爐，不僅造價昂貴、費時費力而且之后的生產(chǎn)操作利用效率極低，更何況爐內(nèi)溫度很難均勻，能夠進(jìn)行消除應(yīng)力，但是效果很差.所以通過對比看來采用振動時效可以完全避免這些問題。

1.2.2 生產(chǎn)周期短

自然時效工作周期長，需經(jīng)幾個月的長期放置，熱時效相關(guān)應(yīng)用也是需經(jīng)數(shù)十小時的周期才能完成，而振動時效一般只需振動數(shù)十分鐘即可完成工作，應(yīng)用效率效果十分明顯。而且，振動時效沒有場地限制，可減少工件在時效前后的往返運輸。如果將振動設(shè)備安置在機械加工生產(chǎn)線上，不僅使生產(chǎn)安排更緊湊，而且生產(chǎn)工作過程中可以及時消除因加工操作而產(chǎn)生的應(yīng)力。

1.2.3適用性強

相比較而言振動設(shè)備體積小，重量輕，便于攜帶。而且振動處理還不受場地大小限制，可以隨時攜至現(xiàn)場在任意場地進(jìn)行處理，所以振動時效技術(shù)與熱時效相比，更加突出優(yōu)越性，使用簡便，適應(yīng)性較強。

1.2.4 節(jié)約能源 ， 降低成本

在工件的共振頻率下進(jìn)行時效處理 ，消耗極小。有實踐證明，對于相關(guān)操作工序，振動時效只需30分鐘即可進(jìn)行下道工序，而熱時效至少需一至二天以上，且需要耗費大量的煤油、電等能源。兩相對比可知，振動時效要比熱時效能夠節(jié)省能源90%以上，特別是可以節(jié)省建造大型燜火窯的巨大投資。

1.2.5 提高機械性能

振動時效工藝技術(shù)使用簡便，易于機械化自動化生產(chǎn)操作。應(yīng)力消除效果明顯，可以提高使用強度和疲勞壽命，降低應(yīng)力腐蝕，還能夠避免金屬零件在熱時效過程中產(chǎn)生的翹曲變形、氧化、脫碳及硬度降低等缺陷，穩(wěn)定構(gòu)件的精度，提高機械質(zhì)量，是目前唯一能進(jìn)行二次時效的方法。

2.振動時效在電機生產(chǎn)中的應(yīng)用

振動時效技術(shù)興起于二戰(zhàn)以后，在歐美國家率先應(yīng)用。上世紀(jì)五十年代前后，隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，振動理論、測試技術(shù)和激振設(shè)備都得到迅速的發(fā)展。從實踐研究效果中得知在工件的共振頻率下進(jìn)行振動，可以縮短振動處理時間，消除應(yīng)力和穩(wěn)定尺寸精度的效果更好，能源消耗也最少，相應(yīng)的也出現(xiàn)了能夠用于實際的振動設(shè)備。新型振動時效工藝和設(shè)備的出現(xiàn)受到各國的高度重視，迅速應(yīng)用于實際生產(chǎn)中。由于這種工藝日趨成熟，振動和控制設(shè)備日臻完善，振動時效已為十多個工業(yè)發(fā)達(dá)國家廣泛采用。在廣泛的生產(chǎn)操作過程中，振動時效針對電機上的應(yīng)用也是越來越多，作用越來越大，在電機生產(chǎn)進(jìn)行振動時效處理，以控制加工變形并提高其尺寸穩(wěn)定性，能夠顯現(xiàn)出振動時效是極其高效節(jié)能的工藝方式。

而在我國，是直到20世紀(jì)七十年代才由國外引進(jìn)。經(jīng)過多年實踐積累，后我國振動時效工藝達(dá)到成熟、完備，振動時效設(shè)備也步入世界先進(jìn)水平，基本滿足振動時效工藝要求，成為中央指定的重點推廣技術(shù)之一。對電機生產(chǎn)中的應(yīng)用，振動時效主要開展鋁合金振動時效工藝研究及應(yīng)用工作。

總結(jié)

振動時效是多年來廣泛采用的一種先進(jìn)技術(shù)，由于這種技術(shù)具有諸多優(yōu)點，我國機械加工業(yè)已普遍開始采用，并且已為越來越多的人們所接受。振動時效技術(shù)在降低殘余應(yīng)力方面已可以與熱處理相媲美，但對飛機結(jié)構(gòu)疲勞壽命影響等問題，有較大的分歧意見。以嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度，進(jìn)行必要的試驗研究，從試驗數(shù)據(jù)得出結(jié)論，這是振動時效技術(shù)最終進(jìn)入航空制造業(yè)的必由之路。

參考文獻(xiàn)：

[1]馬永波.振動時效技術(shù)工藝標(biāo)準(zhǔn)化研究[A].中國標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會.第十四屆中國標(biāo)準(zhǔn)化論壇論文集[C].中國標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會：，2017：4.