振動時效在電機生產中的應用

孫金博　周喜東　李群芳

摘 要：隨著科技時代的創新與進步，現今社會更多的工業化生產已經由自動機械設備代替了人力操作生產，而那些電動機械設備應用與操作則是需要有很強的相關技術原理，也需要懂得各種應用時效原理。各種技術原理應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，優化意識更強。了解振動時效的本質，明確振動時效操作的原理應用，在各類電機生產技術應用能力上都有很大的幫助，實踐證明，振動時效技術相較其他而言是一項投資少、效率高、生產周期短和節能效果顯著的基礎工藝技術。實際本文說明振動時效的技術原理、特點以及相關應用操作。

關鍵詞：振動時效；電機生產；應用；

引言

長期以來，電機制造過程都很繁復，當金屬工件在鑄造、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部產生不同程度的殘余應力，致使工件處于不平穩狀態，降低工件的尺寸精度穩定性和機械物理性能，使工件在裝備工作過程中產生應力變形和失效，尺寸精度得不到保證。為了消除殘余應力，以往通常是采用熱時效和自然時效來減少殘余應力，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力，不適應大批量生產；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，并在冷卻過程中產生新的應力，此外，熱時效處理勞動條件差，污染環境，機械化自動化水平也不高。要取代兩種不合適的時效技術，對工件加工使用有好的效果，就需要一種新型高效的技術方法，就這樣振動時效以顯著的節能降耗、降低成本、縮短周期等性能優勢從諸多時效技術中脫穎而出。

從性能上和使用效率上講，振動時效更能夠適應現代工業社會對能源和環保的要求。其對工件作用的方便已經在某些發展方面有了取代傳統熱時效的趨勢，作為一種革命性的高新技術用于生產，引發了生產機械制造業極大的興趣，在近幾十年來受到全世界范圍內眾多生產廠家公司更為廣泛的關注與應用，正因為振動時效適用范圍廣、技術操作簡單方便，所以振動時效可算是機械生產制造行業的一項基礎工藝技術。與其他機械制造行業一樣，電機的制造生產同樣面臨著嚴重的零件變形問題。對振動時效技術進行深入、細致的應用探索，獲得充分的信息數據，從而對振動時效技術的生產應用提供技術依據，將是一個非常有意義的研究內容。

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，又叫做振動消除應力，國外稱之為“Vibrating Stress Relief”簡稱“VSR”，在國內則被稱做振動時效。振動時效是以共振原理為基礎的一種在工程材料中常用的消除工件內部殘余應力的方法，通過專業的振動時效設備使被處理的工件產生共振，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、焊接結構件、有色金屬等零件的殘余應力，促使工件內部發生微觀變形，使得工件材料內部的相關應力得到減輕與釋放，恢復平衡狀態，防止零件在加工和使用過程中其工件尺寸出現較大變形和開裂，影響工件精度穩定性。振動時效與傳統的熱時效相比，可節能95%、節省生產費用85～95%、縮短生產周期90%左右、不產生時效氧化皮等；無環境污染、不受零件大小、場地等限制、且時效效果直觀，并優于熱時效。

從技術微觀細節方面進行分析，振動時效一般可視為是以循環載荷的形式施加在零件上的一種附著應力。正常而言，工程應用材料一般都不是理想的彈性體，其內部存在著不少不同類型的微觀缺陷，所有生產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力集中，當受到振動時，施加于零件上的交變應力與零件中的殘余應力疊加，當應力疊加的結果達到一定的數值后，在應力集中最顯著的部位就會超過材料的承受極限而發生塑性變形。這種塑性變形降低了該處殘余應力峰值，并強化了金屬基體。而后，振動又在另一些應力集中較嚴重的部位上產生同樣作用，直至振動附加應力與殘余應力疊加的代數和不能引起任何部位的塑性變形為止，此后，振動便不再產生消除和均化殘余應力及強化金屬的作用，因而，可以得知，振動調整殘余應力技術是十分簡單和可行的。

原理理論說明可以設想相關振動時效是將一個具有偏心重塊的電機系統（稱做激振器）安放在構件上，并將構件用橡皮墊等彈性物體支承，通過控制器起動電機并調節其轉速，使構件處于共振狀態。約經20～30分鐘的振動處理即可達到調整殘余應力的目的，一般累計振動時間不應超過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用的工藝技術，主要還是由于振動時效技術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

與熱時效技術相比，振動時效不需要龐大的時效爐，能夠節省很大的占地面積與昂貴的設備投資。現代工業生產中的大型鑄件與焊接件，如果采用熱時效來消除應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操作利用效率極低，更何況爐內溫度很難均勻，能夠進行消除應力，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 生產周期短

自然時效工作周期長，需經幾個月的長期放置，熱時效相關應用也是需經數十小時的周期才能完成，而振動時效一般只需振動數十分鐘即可完成工作，應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。如果將振動設備安置在機械加工生產線上，不僅使生產安排更緊湊，而且生產工作過程中可以及時消除因加工操作而產生的應力。

1.2.3適用性強

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

1.2.4 節約能源 ， 降低成本

在工件的共振頻率下進行時效處理 ，消耗極小。有實踐證明，對于相關操作工序，振動時效只需30分鐘即可進行下道工序，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省能源90%以上，特別是可以節省建造大型燜火窯的巨大投資。

1.2.5 提高機械性能

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

2.振動時效在電機生產中的應用

振動時效技術興起于二戰以后，在歐美國家率先應用。上世紀五十年代前后，隨著現代科學技術的進步，振動理論、測試技術和激振設備都得到迅速的發展。從實踐研究效果中得知在工件的共振頻率下進行振動，可以縮短振動處理時間，消除應力和穩定尺寸精度的效果更好，能源消耗也最少，相應的也出現了能夠用于實際的振動設備。新型振動時效工藝和設備的出現受到各國的高度重視，迅速應用于實際生產中。由于這種工藝日趨成熟，振動和控制設備日臻完善，振動時效已為十多個工業發達國家廣泛采用。在廣泛的生產操作過程中，振動時效針對電機上的應用也是越來越多，作用越來越大，在電機生產進行振動時效處理，以控制加工變形并提高其尺寸穩定性，能夠顯現出振動時效是極其高效節能的工藝方式。

而在我國，是直到20世紀七十年代才由國外引進。經過多年實踐積累，后我國振動時效工藝達到成熟、完備，振動時效設備也步入世界先進水平，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之一。對電機生產中的應用，振動時效主要開展鋁合金振動時效工藝研究及應用工作。

總結

振動時效是多年來廣泛采用的一種先進技術，由于這種技術具有諸多優點，我國機械加工業已普遍開始采用，并且已為越來越多的人們所接受。振動時效技術在降低殘余應力方面已可以與熱處理相媲美，但對飛機結構疲勞壽命影響等問題，有較大的分歧意見。以嚴謹的科學態度，進行必要的試驗研究，從試驗數據得出結論，這是振動時效技術最終進入航空制造業的必由之路。

參考文獻：

[1]馬永波.振動時效技術工藝標準化研究[A].中國標準化協會.第十四屆中國標準化論壇論文集[C].中國標準化協會：，2017：4.