一种新型振动时效仪的研制

　　1　引言

　　金属的焊接、淬火、铸造等工艺过程都会使构件产生残余应力。残余应力的存在对金属构件的强度、疲劳寿命以及结构变形等方面都有很大影响。传统的时效处理方法有自然时效法和热时效法。自然时效周期长,效果差;热时效法不仅成本高,还可能改变材料的微观结构与性能。与上述两种方法相比较,振动时效具有明显的优点:它能使构件的机械性能显著提高,使用方便,具有很强的适应性,节约时间和能源。

　　2　振动消除残余应力的机理

　　振动时效处理是对构件施加一交变应力,如果交变应力的幅值与构件某点所存在的残余应力之和达到材料的屈服极限,这些点将发生塑性变形;若这种交变应力使构件内部的某些点产生晶格滑移,尽管宏观上没有达到屈服极限,这同样会产生微观的塑性变形,况且这种塑性变形往往是首先发生在残余应力最大的点上。因此这些受约束的变形就得以释放,从而降低了构件的残余应力,这就是振动消除残余应力的基本机理。

　　如果残余应力下降后,交变应力与残余应力之和小于材料的屈服极限时,构件保持稳定

　　的应力状态。因此振动处理到一定周次后,如果不提高作用力的幅值,继续处理已不再起作用。可见,振动消除残应力的必要条件是外界的动应力与残余应力叠加后大于材料的屈服极限,即σ动+σ残>σS。

　　振动时效过程就是将一个具有偏心重块的电动机(称做激振器)安放在构件上,并将构件用橡皮垫等弹性物体支承起来,通过振动控制器调节电机转速,使电机的转动频率接近工件的固有频率,构件与激振器处于共振状态,产生最大的交变应力。另外,通过实验发现在振动处理前后,构件在同一点的幅值以及幅频特性都有明显变化。

　　(1)振动处理前后幅频特性的变化

　　图1为一构件在振动处理前后的幅频特性曲线。由图可见,随着残余应力的消除,构件在该点处的固有频率下降,共振点的幅值升高,0.707波高处的频带变窄,说明阻尼在减小。

　　(2)振幅随时间的变化

　　由于残余应力随处理周数在变化,因此振幅也随着时间变化,如图2所示,振幅在10min内变化比较明显,5min左右为上升趋势,然后下降,20min后趋于平稳。这是由于在振动处理开始时,激振频率小于构件的固有频率,在振动处理过程中随着残余应力的下降,构件的固有频率不断减小,固有频率等于激振频率时振幅最大,振动处理结束时固有频率小于激振频率,这也是选择激振频率的基本依据。

　　3　仪器的组成及其关键技术

　　如图3所示,本系统主要由系统核心部分、人机接口部分、信号检测部分以及输出控制部分组成。