振动时效用激振器的机构设计【开题报告】

毕业设计开题报告机械设计制造及自动化振动时效用激振器的机构设计1、选题的背景、意义金属构件经过热加工或压力加工后，表面和内部都会产生残余应力。

残余应力的存在使工件处于不稳定状态，是工件开裂或变形的主要原因。

目前主要有3种时效方式来调整金属构件的残余应力，分别是自然时效(NsR)、热时效(眄R)和振动时效(VsR)。

自然时效是将工件处于自然状态下，使其残余应力缓慢释放。

热时效是通过升高温度来降低材料的屈服极限，从而使材料发生在常温下不可能发生的塑性变形来释放残余应力。

振动时效则是一种通过工件施以循环载荷，使材料内部发生塑性变形，从而调整残余应力、稳定工件尺寸精度的时效方式。

振动时效的优点主要包括：(1)与自然时效相比，处理时间短、效率高，一般只需几十分钟即可；且占地面积少。

(2)与热时效相比，能耗小，仅为热时效的5％；工件尺寸不受限制，无需为大型工件建造专用炉，大大降低了生产成本；应力消除效果好，一般可消除原应力的20％～50％；工件尺寸稳定性好，能够提高材料的松弛刚度及抗疲劳强度；还可以保持工件原表面的加工质量，无热时效所产生的氧化层；无三废¨经过各国科研工作者最近20多年的研究，振动时效在机理、应用等方面都有了新的突破，取得了丰硕的成果，但在某些方面还缺乏共识。

本文针对振动时效技术的发展历史、机理、工艺及效果评定技术等几个方面进行综述，并且指出了振动时效技术的发展趋势，从而为我们下一步如何具有针对性地研究这项技术提供了重要的线索和技术路线。

2.1国外发展据统计，目前世界上正在使用的VSR系统约有一万台以上。

美国在1983年采用振动时效工艺的已有700多个公司，苏联和东欧一些国家也大量使用，都取得了明显的经济效益。

许多国家都已将振动时效定为某些机械构件必须采用的标准工艺。

在英国几乎没有一家公司不使用该项技术的。

振动时效在国外的应用范围比较广，被处理的构件的类型也比较多。

例如：a)英国一机床公司生产大型精密机床，起床身与立柱要求精度为0．01mm ／2m。

过去采用热时效其精度保持性较差，后来改用振动时效，满足了精度要求，因此现在已将振动时效定为该项产品的标准工艺。

b)英国生产的铝合金铸造精密泵体，其尺寸为275×300×150mm，也是用振动时效来保证其精度的。

c)美国PXI程公司，用振动时效来消除8吨重的焊接结构齿轮的内应力，用以减少焊接裂纹。

d)美国Pont Land 电子专业公司，公司规定对锻件进行三次振动处理：毛坯、了锻件的稳定性。

用该项技术处理4吨重的锻件毛坯。

该公粗加工后、精加工后。

三次处理后即保证e)美国华盛顿钢铁公司，对该公司生产的47吨重的剪床座进行振动处理。

剪床座是用152mm至203mm厚的钢板焊成，加强筋厚为38mm至76mm。

这样大而重的构件只用40分钟的振动处理就代替了过去的热时效处理。

f)美国西北工艺公司对1800吨重的海洋铁塔及1280吨重的钻井平台也采用过振动时效处理。

g)英国对陆上井口平台是由管径为200mm的钢管焊成6mX6m×2m管型构架。

h)英国喷气发动机火焰筒衬里，由于焊后热膨胀而发生裂纹，报废率占30％以上，后来采用振动时效工艺，报废率几乎为零。

i)英国生产的所有专用机床床身都是用振动时效代替热时效。

有三十多家机床厂和十多个锻压设备厂都是将振动时效作为标准的生产工艺。

美、英等国在其他工业部门也大量采用振动时效，如造纸机械厂、船舶轴承厂、激光焊机厂、齿轮箱制造厂、纺织机械厂、轧钢设备厂、印刷机械厂、泵制造厂、采油设备厂、发电厂、锅炉厂等都应用振动时效来消除构件的应力。

2.2国内发展振动时效技术自1976年从国外引进后，几乎在所有机械行业的大型铸、锻、焊、机加工件中被采用，并于1991年被国务院新技术办公室批准为国家重点推广项目。

1993年被国家科委列为“国家级科技成果重点推广计划”项目，然而，1991年至今，此项技术显然没能在整个机械行业得到显著推广。

机床生产上的应用：高精度数控机床尺寸稳定性是重要的因素，北京航空工艺研究所每年生产的组合机床、子午线轮胎等铸造、焊接工件近500t，热加工后进行一次时效，粗加工后进行二次时效。

因此，振动时效能在生产中发挥巨大的作用。

b)火电机组电机机座：300MW火电机组电机机座重约28t、尺寸为3800 mm ×4200 mill，由法兰、环板、包壳和托架等组焊而成，由于刚度上的需要，材料厚度为30～70 rain不等，焊后残余应力大，按原工艺要求必须进行热时效。

为了解决热时效费用大，需候炉及热时效耗时长所造成的生产瓶颈现象，故考虑用振动时效来替代热时效工艺，由于机座工作在室温条件下，时效的目的是尺寸稳定，无去氢和软化材料的技术要求，因此可采用振动时效的工艺。

试验结果为：消应力效果为50～80 MPa。

按原始最大残余应力为235MPa，振后水平为135～155MPa。

c)不锈钢焊接构件：核电不锈钢导向筒焊后除应力可采用热时效和振动时效两种工艺，热时效具有峰值应力下降幅度大，工艺变形小的优点，工艺指标完全达到要求可以推广使用。

振动时效的工装简单，工艺快捷，有工艺变形小，应力均化明显的效果，工艺指标也可满足技术要求，是一种值得进一步开发，旨在局部替代热时效的节能工艺。

d)化工设备领域：振动时效消除应力法的推广和应用，将改变目前有关化工设备的设计思想。

以前无法进退火炉及制造规范规定不需要进行消除应力处理的，如重要介质但常压的设备，现在只要有微小的投入即可进行消应处理了，为化工设备安全系数的提高提供了有效手段。

由于尺寸精度的提高，密封性能得以改善；由于疲劳寿命的提高和抗应力腐蚀能力的增强，设备的使用寿命得到延长。

振动时效设备简单、操作方便、省时、节能效果好，可适应结构复杂及尺寸庞大的工件，化工设备制造行业应积极推广应用。

e)目前我国生产振动消除残余应力装置的企业较少，大约十来家，浙江省迄今无一家生产，在课题进行中我们了解到，杭州叉车厂生产的产品用热处理的方法消除残余应力很不方便，厂家对振动处理极感兴趣，有意投入人力、财力进行这方面的探索。

浙大机械厂为美国生产的不锈钢制药设备被指定使用振动时效方法消除应力。

本课题组成员曾向周围企业提及振动消除残余应力的项目，在被了解的十多家企业中，仅诸暨机床厂听说过此事，并认为就这么振一下来消除应力，不知有没有效果，会不会振坏。

可见，振动消除残余应力方法在浙江还较陌生。

f)国外技术工艺的要求使我国在出口产品上应用了振动时效工艺。

佳木斯电机厂生产的出口电机由于国外厂家的要求，在电机壳上使用振动时效工艺，达到了设计要求。

大连橡胶厂为美国生产的设备也要求用振动处理来消除应力。

这些都促进了国内振动时效技术的应用。

g)多年来，关于振动时效对焊接构件疲劳寿命的影响是国内外专家极为关心和争论的焦点问题。

我国一些单位做了许多研究，得出的结论认为，振动时效对金属材料的力学性能有较大影响，合理的振动时效工艺可以提高焊接构件的疲劳寿命。

如表是某铁路客车厂生产的焊接构架侧梁疲劳寿命的对比试验数据，其中一根未做任何处理；一根做正常热时效处理；另一根做振动时效处理。

2、相关研究的最新成果及动态近几年，科技工作者在振动时效研究与推广的过程中得到启示，又发现了多种与振动时效机理密切相关的新型技术，开辟了振动时效技术发展的新方向。

(1)爆炸法。

此法的原理是在爆炸的作用下，金属会在残余应力场的诱导下发生流变，在压应力区产生压缩塑性变形，而在拉应力区产生伸长塑性变形。

塑性变形越大，残余应力消除越多。

爆炸法的优点是消除残余应力快，操作简便，能耗低、价廉，而且不受工件和设备的限制，愈是大中型复杂工件、特种钢(热时效不能处理的不锈钢、异种钢和调质钢等)，愈能发挥其优越性。

此外，还可提高焊接接头抗应力腐蚀能力、提高工件的疲劳寿命和抗脆断能力，特别是可以消除对热敏感材料的再热裂纹Ⅲ。

(2)静态作用力法。

此法就是对轴向存在残余应力的工件，沿其轴线方向施加均匀的静态作用力，并保持一定的时间。

在此过程中，一方面静态作用力与残余应力互相作用，使工件中有较大残余应力的地方发生局部塑性变形，从而使工件残余应力的峰值下降；另一方面，静态作用力使工件内部产生微小的形变，这种形变使工件内畸变的原子逐渐恢复到平衡状态，从而使工件残余应力降低并均化。

该法的优点在于消除残余应力效果明显，且不影响其它机械性能，无残余受力变形、处理时间短、节能、工艺简单。

对于形状规则的工件，只要在工件具有残余应力的方向上施加静态的拉应力或压应力，即可有效地降低和均化工件的残余应力m。

(3)高频激振。

传统的振动时效都是在200Hz以下进行的，高频振动时效则是在频率l 000Hz以上的情况下进行激振，其机制是使位错密度减小至消失，从而使材料性能更加接近原始无应力状态旧“通过实验证明这种时效方式可以有效地降低残余应力，并且观察振后金属金相组织发现位错数量有所减少，这与在传统振动时效下位错数量增加的情况恰好相反。

(4)振动焊接。

即在振动条件下进行的焊接。

不难想象，在一定频率范围内的轻微振动，势必对焊接熔池有一定影响：①当焊缝金属在熔融状态下，振动可以使金属组织发生变化，细化晶粒，使焊缝的力学性能得到提高。

②在温度场的作用下，焊缝处材料的屈服强度很低。

因此，振动容易使热应力场梯度减小，从而使最后的焊接残余应力得到降低或均化。

③结晶过程中振动可以使气泡、杂质等容易上浮，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。

此项技术从焊接开始就起到细化晶粒的作用，并且，在热状态下通过热塑性变形来调整应变降低残余应力，这样可有效防止焊接裂纹的形成和工件的畸变，提高构件的疲劳寿命，增强焊缝的力学性能。

振动焊接可以省去焊后消应力处理，缩短了生产周期，降低了生产成本。

3、课题的研究内容及拟采取的研究方法（技术路线）、研究难点及预期达到的目标研究内容：首先，了解振动时效技术工艺参数（激振频率、激振时间、激振力、激振点等）的具体内容，分析研究振动时效技术各工艺参数的选择策略，基本掌握；其次，建立产生激振力的实体模型，应用有限元分析软件Ansys对模型进行分析，分析模型结构对激振力的影响，重点掌握。

研究方法：采用两个偏心轮使得重心的变化产生不同的激振力，测量各个参数并使用软件对其分析得出结果。

主要任务：了解振动时效技术中的工艺参数：激振频率、激振时间、激振力、激振点等，分析研究各工艺参数的选择策略；建立产生激振力的实体模型，应用有限元分析软件Ansys对模型进行分析，分析模型结构对激振力的影响。

目标：分析振动时效技术各工艺参数：激振频率、激振时间、激振力、激振点等的具体内容及选择策略；学习有限元软件的应用，并利用Ansys分析模型结构对激振力的影响。