介紹了振動(dòng)時(shí)效的原理、發(fā)展，討論了振動(dòng)時(shí)效在地磅產(chǎn)品的秤體及傳感 器制造中的應(yīng)用，指出振動(dòng)時(shí)效可提高大型地磅機(jī)械部分的質(zhì)量，降低或消除大型衡器秤 體焊接加工中的殘余應(yīng)力，消除稱重傳感器彈性體機(jī)械加工應(yīng)力，提高稱重傳感器的技術(shù) 指標(biāo)。

1.前言

在機(jī)械件制造過程中不可避免會(huì)產(chǎn)生殘余應(yīng) 力，特別是焊接、鑄造、鍛造等過程的殘余應(yīng)力， 輕則使工件嚴(yán)重變形而無(wú)法使用或影響其固有性 能，重則使工件直接開裂，造成嚴(yán)重事故，像挪 威的27.5萬(wàn)噸級(jí)油輪在北海斷裂就是因?yàn)槠渲械?/span> 一個(gè)錨墩上的焊接殘余應(yīng)力使其產(chǎn)生裂紋引起的， 造成了極為嚴(yán)重的損失和環(huán)境污染。通常消除殘余應(yīng)力的方法是通過時(shí)效處理來(lái)解決。傳統(tǒng)的時(shí) 效方法是自然時(shí)效和熱時(shí)效，由于自然時(shí)效周期 長(zhǎng)，造成資金大量占用，現(xiàn)已很少使用；熱時(shí)效 盡管效率高、效果好，但其能源消耗高、對(duì)環(huán)境 污染嚴(yán)重，處理工件也需要投入較多的資金，也 不是一個(gè)可取的去應(yīng)力時(shí)效方法，也不符合當(dāng)前 節(jié)能環(huán)保的發(fā)展方向，振動(dòng)時(shí)效就是在這種背景 下應(yīng)運(yùn)而生的。

振動(dòng)時(shí)效在工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家已被廣泛采用，像 美國(guó)某應(yīng)力消除公司擁有350臺(tái)振動(dòng)時(shí)效設(shè)備， 進(jìn)行過5000多項(xiàng)振動(dòng)時(shí)效處理，結(jié)果分析成本僅 為熱時(shí)效的10%,英國(guó)和西德對(duì)飛機(jī)裝配型架的 焊接梁和框架普遍采用了振動(dòng)時(shí)效。我國(guó)近年來(lái) 在振動(dòng)時(shí)效的研究與應(yīng)用方面也取得了長(zhǎng)足的進(jìn) 展，經(jīng)過振動(dòng)時(shí)效的工件尺寸精度穩(wěn)定性良好， 振動(dòng)時(shí)效費(fèi)用僅為熱時(shí)效的10%左右，能源消耗 不到熱時(shí)效的5%。由于振動(dòng)時(shí)效的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果 非常顯著，其應(yīng)用范圍也不斷擴(kuò)大，在機(jī)械制造、 航空、化工器械、動(dòng)力機(jī)械等行業(yè)，振動(dòng)時(shí)效已 得到了廣泛的應(yīng)用，近幾年在衡器的焊接秤體和傳感器彈性體加工的消除殘余應(yīng)力上已開始應(yīng)用。

2.振動(dòng)時(shí)效簡(jiǎn)介

2.1什么是振動(dòng)時(shí)效

振動(dòng)時(shí)效 VSR 是 Vibrating Stress Relief 的英 文縮寫，是振動(dòng)消除應(yīng)力之意。振動(dòng)時(shí)效又稱振 動(dòng)消除應(yīng)力法，它是將工件（包括鑄件、鍛件、 焊接結(jié)構(gòu)件等在其固有頻率下進(jìn)行數(shù)分鐘至數(shù) 十分鐘的振動(dòng)處理，消除其殘余應(yīng)力，使尺寸精 度獲得穩(wěn)定的一種方法。這種工藝具有耗能少、 時(shí)間短、效果顯著等特點(diǎn)。

2.2振動(dòng)時(shí)效技術(shù)在我國(guó)的發(fā)展歷程 我國(guó)的振動(dòng)時(shí)效設(shè)備，是從上世紀(jì)七十年代 開始仿造國(guó)外的振動(dòng)時(shí)效設(shè)備自主生產(chǎn)的，在隨 后的二十多年中，只能生產(chǎn)手動(dòng)型振動(dòng)時(shí)效設(shè)備, 這種設(shè)備只能靠操作人員憑感覺和經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行振動(dòng) 時(shí)效處理，存在振動(dòng)時(shí)效質(zhì)量難以保證以及操作 復(fù)雜的問題；隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)在振動(dòng)時(shí)效設(shè)備上 的使用，在上世紀(jì)九十年代末，開發(fā)出了全自動(dòng) 振動(dòng)時(shí)效設(shè)備，這種設(shè)備可以由計(jì)算機(jī)自動(dòng)選擇 振動(dòng)時(shí)效關(guān)鍵的振動(dòng)時(shí)效工藝參數(shù)，能有效保證 振動(dòng)時(shí)效質(zhì)量，而且操作簡(jiǎn)便。

尤其是近兩年，視頻音頻監(jiān)控型、遠(yuǎn)程無(wú)線 反向監(jiān)控型、廣播監(jiān)控型、USB電子文檔通訊型 等振動(dòng)時(shí)效設(shè)備已在振動(dòng)時(shí)效上得到了廣泛的應(yīng) 用，使振動(dòng)時(shí)效技術(shù)邁上了更新的高度。

2.3振動(dòng)時(shí)效技術(shù)的時(shí)效原理 傳統(tǒng)的振動(dòng)時(shí)效的實(shí)質(zhì)是以振動(dòng)的形式給工 件施加附加應(yīng)力，當(dāng)附加應(yīng)力與殘余應(yīng)力疊加后， 達(dá)到或超過材料的屈服極限時(shí)，工件發(fā)生微觀塑 性變形，從而降低和均化工件內(nèi)的殘余應(yīng)力，達(dá) 到穩(wěn)定工件尺寸精度，避免工件變形影響使用和 工件開裂的目的。

現(xiàn)代振動(dòng)時(shí)效是通過工件在外界機(jī)械力皦 振器的作用下使工件產(chǎn)生共振他稱為共振時(shí) 效，使工件在交變運(yùn)動(dòng)中吸收能量，在工件內(nèi)部 產(chǎn)生微觀粘彈性塑性變形，以降低工件局部的峰 值應(yīng)力，并均化工件的殘余應(yīng)力場(chǎng)，最終避免工 件的變形與開裂，以穩(wěn)定工件的尺寸精度，它的 效果介于熱時(shí)效與自然時(shí)效之間。

2.4振動(dòng)供振時(shí)效技術(shù)的基本操作方法 與振動(dòng)時(shí)效的效果

2.4.1振動(dòng)時(shí)效的基本操作方法

振動(dòng)時(shí)效的基本操作方法簡(jiǎn)單，只需將激振 器牢固地固定在被處理工件的適當(dāng)位置上，通過 振動(dòng)設(shè)備的控制部分，根據(jù)工件的大小和形狀調(diào)節(jié)激振力，并根據(jù)工件的固有頻率調(diào)節(jié)激振器的 頻率，直到使工件上的振動(dòng)傳感器睡度計(jì)和加 速度計(jì)所接收的信號(hào)達(dá)到峰值，在這一狀態(tài)下 持續(xù)振動(dòng)一段時(shí)間，即可完成振動(dòng)時(shí)效設(shè)備的操 作，達(dá)到消除應(yīng)力、穩(wěn)定工件尺寸精度的目的。

2.4.2振動(dòng)時(shí)效的效果

工件傳統(tǒng)的振動(dòng)時(shí)效處理與熱時(shí)效處理的不 —樣，熱時(shí)效處理的工件表面有氧化層，可以從 外觀粗略判定效果，但是振動(dòng)時(shí)效的工件外觀沒 有變化，不能從外觀判定效果。此外振動(dòng)時(shí)效時(shí) 間很短，也就是15?30分鐘左右，能不能在如此 短的時(shí)間內(nèi)有效地消除殘余應(yīng)力，這依賴于操作 人員是不是認(rèn)真負(fù)責(zé)地按照振動(dòng)時(shí)效工藝要求進(jìn) 行操作，只有認(rèn)真負(fù)責(zé)的操作人員，才能有效保 證振動(dòng)時(shí)效工藝效果，操作人員對(duì)于振動(dòng)時(shí)效質(zhì) 量效果起決定性的作用。

現(xiàn)代的全自動(dòng)振動(dòng)時(shí)效設(shè)備，每振動(dòng)時(shí)效處 理一個(gè)工件，都能夠記錄振動(dòng)時(shí)效工藝曲線和參 數(shù)，只要把這個(gè)工藝曲線與國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)比分 析，就能直接檢驗(yàn)出振動(dòng)時(shí)效質(zhì)量效果，因此振 動(dòng)時(shí)效質(zhì)量檢驗(yàn)是完全可以控制的。

3.振動(dòng)時(shí)效在地磅制造中的應(yīng)用

眾所周知，大型工業(yè)地磅，不管是地磅還是電子軌道衡，都是采用以鋼板或型鋼焊接 結(jié)構(gòu)作為秤體（承載韓的，大多數(shù)地磅 采用平板式焊接結(jié)構(gòu)，電子軌道衡采用的是箱形 梁焊接結(jié)構(gòu)，地磅的傳感器安裝位置的結(jié) 構(gòu)也幾乎為箱形，這樣的結(jié)構(gòu)其焊接殘余應(yīng)力是 非常大的，尤其是大電流、一次焊縫高度大的情 況下就更為嚴(yán)重了。盡管在結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度足夠時(shí)沒 有引起結(jié)構(gòu)的開裂與破壞，但在焊接殘余應(yīng)力釋 放的過程中其變形是不可避免的，所以在衡器的 使用中經(jīng)常可以聽到某地方的地磅在使用 中傳感器移位，甚至是橋式傳感器的上壓頭都被 啃掉一塊，某地方的地磅在使用中出現(xiàn)秤 體開裂，某地方的電子軌道衡的傳感器在使用中 出現(xiàn)一只或?qū)堑膬芍怀霈F(xiàn)鋼球移位硬用的橋 式傳感器或傳感器歪倒使用的是柱式傳感器, 就是不倒也會(huì)因使用中經(jīng)常出現(xiàn)較大的沖擊力而損壞的問題。當(dāng)出現(xiàn)上述問題時(shí)很多都要抱怨 安裝服務(wù)人員秤體安裝時(shí)沒有調(diào)整好，其實(shí)這是 一種誤解，造成以上問題的主要原因是由焊接殘 余應(yīng)力釋放后的變形引起的。通常在焊縫表面及 其周圍的殘余應(yīng)力都是拉應(yīng)力，焊接殘余應(yīng)力再 和稱重時(shí)載荷應(yīng)力疊加后橋式傳感器的安裝位置 就變成了收腿的拱形。圖1是平板式汽車衡安裝 橋式傳感器的安裝位置示意。圖1a是設(shè)計(jì)時(shí)理想 的位置示意；焊接后在焊縫表面及其周圍都會(huì)產(chǎn) 生拉應(yīng)力，再經(jīng)過焊接殘余應(yīng)力釋放和稱重時(shí)的 疊加應(yīng)力后橋式傳感器的安裝位置就變成了圖ib 的形狀。由于上鋼球座的安裝孔已扭曲，在長(zhǎng)期 的使用中有時(shí)就會(huì)將上鋼球座啃掉一塊，且其變 化沒有規(guī)律可循，還有的是造成傳感器的移位，

這些因素都能影響稱量準(zhǔn)確度或造成秤體的損 壞。當(dāng)焊接殘余應(yīng)力和加載應(yīng)力疊加后超過了材 料的屈服極限（a)后是產(chǎn)生變形，引起原來(lái) 安裝好的部件移位或損壞，超過材料的強(qiáng)度極限 (ab后就造成秤體的焊縫主要在熱影響區(qū) 開裂等問題。

在電子軌道衡的箱形梁焊接結(jié)構(gòu)中，由于焊 縫高度更大，焊接部位更多，且多為連續(xù)的全焊， 焊接殘余應(yīng)力的緩慢釋放造成的變形會(huì)更大，稱 重時(shí)火車的載荷比汽車衡要大得多，影響就會(huì)更 嚴(yán)重，其原理與圖1相同，在此不再贅述。

前面已論述了消除焊接殘余應(yīng)力的三種方法及其經(jīng)濟(jì)性對(duì)比，在這里不再繁說(shuō)。對(duì)于像汽車 衡或軌道衡秤體這些大型構(gòu)件采用自然時(shí)效周期 太長(zhǎng)，從經(jīng)濟(jì)的角度來(lái)講是不劃算的；采用熱時(shí) 效不僅不現(xiàn)實(shí)也不經(jīng)濟(jì)，同時(shí)還會(huì)消耗大量的能 源，與當(dāng)前的環(huán)保節(jié)能的要求格格不入，同時(shí)還 存在因支撐位置不合理時(shí)引起秤體熱變形，影響 使用。振動(dòng)時(shí)效作為經(jīng)濟(jì)、高效、環(huán)保、節(jié)能的 消除殘余應(yīng)力方法，理所當(dāng)然地成為首選，尤其 是在消除焊接殘余應(yīng)力方面，效果尤為顯著。

振動(dòng)時(shí)效技術(shù)已在數(shù)百種行業(yè)中得到了廣泛 的應(yīng)用，像機(jī)床、冶金、航天發(fā)射平臺(tái)、洲際導(dǎo) 彈發(fā)射筒等都是通過振動(dòng)時(shí)效來(lái)消除其焊接殘余 應(yīng)力的，以保證構(gòu)件性能。下面的圖2是某機(jī)械 構(gòu)件焊接框架振動(dòng)時(shí)效前后殘余應(yīng)力分布圖，殘余應(yīng)力的峰值明顯下降，殘余應(yīng)力場(chǎng)得到了均化, 這個(gè)工件的形狀與電子汽車衡的秤體差不多，承 重主梁的結(jié)構(gòu)與電子軌道衡秤體差不多，如果大 型工業(yè)衡的秤體在安裝調(diào)試前或在生產(chǎn)過程中進(jìn) 行了振動(dòng)時(shí)效處理，也就不會(huì)出現(xiàn)前述的問題了。

現(xiàn)在的振動(dòng)時(shí)效技術(shù)已不是過去的以經(jīng)驗(yàn)定 性地（過去的自然時(shí)效和熱時(shí)效也是如此評(píng)定 時(shí)效效果了，而是通過可量化的方式來(lái)評(píng)定振動(dòng) 時(shí)效的效果，其操作過程如下：

①振前在線全程掃描卸掃頻，找出共振峰 供振的頻率,然后即可調(diào)節(jié)振動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速以 使工件能夠在共振頻率振動(dòng)，以迅速使工件應(yīng)力 集中處發(fā)生微觀塑性變形，從而降低和均化工件內(nèi) 的殘余應(yīng)力，以穩(wěn)定工件尺寸精度、避免工件變形 影響使用和工件開裂。在高端的振動(dòng)時(shí)效設(shè)備中 掃頻的過程均可顯示，根據(jù)需要在線打印掃描曲 線。掃頻曲線見圖3。

振幅調(diào)節(jié)：以主振頻率激振工件，調(diào)節(jié)偏心 距，以實(shí)現(xiàn)最好的振動(dòng)時(shí)效效果。調(diào)節(jié)的原則是 裝置不過載且工件關(guān)鍵部位動(dòng)應(yīng)力的峰值介于該 部位工作應(yīng)力的1/3?2/3處。

②振動(dòng)時(shí)效效果：根據(jù)加速度一時(shí)間曲線 以監(jiān)測(cè)時(shí)效效果。圖4就是實(shí)際的振動(dòng)時(shí)效效果

注加速度，用重力加速度g的倍數(shù)表示時(shí)間； n-轉(zhuǎn)速，用rpm表示。

曲線。根據(jù)需要在線打印時(shí)效曲線—t曲線， 也可為振后掃頻曲線（i一n曲線，與振前的掃頻 曲線變化來(lái)監(jiān)測(cè)。

③振動(dòng)時(shí)效效果的幾種現(xiàn)場(chǎng)評(píng)定方法（出現(xiàn) 下列情況之一，即可判斷工件已達(dá)到了時(shí)效效 果）：

另外還可根據(jù)要求對(duì)工件進(jìn)行振后在線局部 掃描和局部打印，圖5a就是在線局部掃描、局部 打印的實(shí)況圖；也可對(duì)振后單峰值局部掃描、局 部打印，圖5b就是在線振后單峰值局部掃描、局 部打印的實(shí)況圖。這樣可更清晰地觀測(cè)振動(dòng)時(shí)效 的效果。

目前的振動(dòng)時(shí)效設(shè)備及其控制已經(jīng)很先進(jìn)了, 不僅有10〃液晶屏顯示，而且還可通過控制軟件在 PC上直接運(yùn)行，下面的圖片如圖6就是一個(gè)

實(shí)例：在振動(dòng)時(shí)效設(shè)備界面上清晰地顯示著振動(dòng) 電機(jī)的轉(zhuǎn)速、電流、振動(dòng)時(shí)效的時(shí)間、加 速度值等工藝參數(shù)，振動(dòng)時(shí)效產(chǎn)生的效果：三個(gè) 方向上的動(dòng)應(yīng)變、應(yīng)變的釋放值)、被 處理工件內(nèi)的殘余應(yīng)力MPa等，還可動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí) 顯示振動(dòng)時(shí)效相關(guān)的工藝曲線。

從上述可知，振動(dòng)時(shí)效技術(shù)應(yīng)用于大型工業(yè) 衡秤體的去應(yīng)力時(shí)效處理不僅是可行的，而且也 是比較經(jīng)濟(jì)的一種工藝技術(shù)。根據(jù)在其它結(jié)構(gòu)件 振動(dòng)時(shí)效件處理的數(shù)據(jù)，經(jīng)過處理后的工件其強(qiáng) 度、抗彎截面模量、彈性模量均不受影響。為了 節(jié)省篇幅，在此不再列舉相關(guān)數(shù)據(jù)。

4振動(dòng)時(shí)效技術(shù)在稱重傳感器制造中的應(yīng)用 眾所周知，稱重傳感器在制造過程中機(jī)械加 工是必不可少的，在車、刨、銑、鉆等工序中不 可避免地給彈性體表面留下切削應(yīng)力、擠壓應(yīng)力， 磨削可能相對(duì)會(huì)小一點(diǎn)。如果加工過程是無(wú)冷卻 或冷卻不良的話也會(huì)因受熱不均勻而產(chǎn)生熱應(yīng)力， 尤其是在貼應(yīng)變片的區(qū)域，切削量很大，多為一 些深孔狀結(jié)構(gòu)又不利于散熱，有的還要再做研磨 和噴砂處理（以增加應(yīng)變片粘貼后的牢固度，也 會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的加工應(yīng)力，這些應(yīng)力盡管不致于使 工件變形和損壞，但在隨后的應(yīng)力釋放過程中會(huì) 使貼上的應(yīng)變片產(chǎn)生微應(yīng)變，改變了傳感器的零 點(diǎn)輸出，這就是我們通常說(shuō)的傳感器的零點(diǎn)跑了 土話叫留數(shù)，這一問題已困擾了傳感器制造廠 家許多年了。在發(fā)現(xiàn)了原因之后，首先大家想到 熱時(shí)效，但一分析便被否決了，因?yàn)闊釙r(shí)效處理 的溫度會(huì)影響彈性體的金相組織，從而影響彈性 體的使用性能，采用存放依靠自然釋放加工應(yīng)力 的方法，一是周期太長(zhǎng)，二是究竟放多長(zhǎng)時(shí)間方 可有效難以確定，況且在目前市場(chǎng)機(jī)制下，多是 以合同訂單來(lái)確定生產(chǎn)的，也不可能采用這種方 法。后來(lái)有的單位采用了深冷技術(shù)來(lái)消除彈性體 的加工應(yīng)力，這種方法雖然不錯(cuò)，但存在設(shè)備購(gòu) 置費(fèi)用高、能耗高、時(shí)效周期長(zhǎng)的缺點(diǎn)。國(guó)內(nèi)一 家最大的傳感器制造商在了解了振動(dòng)時(shí)效技術(shù)后, 通過做前期試驗(yàn)，采用了此技術(shù)，使其制造的傳 感器性能得到了很大的提高，已做為一種新技術(shù) 幾乎應(yīng)用到了其所有的傳感器制造中去了。

5.結(jié)束語(yǔ)

一種技術(shù)在一個(gè)行業(yè)中可能是常用技術(shù)了, 但轉(zhuǎn)換到另一個(gè)行業(yè)，它可能就是一種新技術(shù), 它的應(yīng)用從試用、推廣到廣泛認(rèn)知需要一個(gè)過程, 需要行業(yè)內(nèi)的人了解，振動(dòng)時(shí)效技術(shù)就是這樣一 種技術(shù)，雖然在機(jī)械制造行業(yè)已成功應(yīng)用了許多 年，但在稱重領(lǐng)域還只是開始，寫此文的目的是 為了使廣大地磅行業(yè)的人士認(rèn)識(shí)這一技術(shù)，并逐 步在地磅制造中得以應(yīng)用，以期穩(wěn)定大型工業(yè)地磅秤體的質(zhì)量水平，使稱重傳感器、尤其是鋁合 金作為彈性體的傳感器的長(zhǎng)期穩(wěn)定性得以保證 不當(dāng)之處希望同行們指正。