【航空工业行业标准(HB)】 振动时效主要参数及技术要求

中华人民共和国航空航天工业部航空工业标准
HB/Z229—93
指导性技术文件
振动时效主要参数及技术要求
1993—0222发布
中华人民共和国航空航天工业部1993-08-01实施
1主题内容与适用范围
2术语符号..·
2.1术语
2.2符号和单位
3振动时效的主要参数
3.1动应力的确定原则
3.2振动时间（振动次数）的确定原侧4振动时效的条件
4.1共振条件
固有频率
4.3对激振器调频范围的要求
4.4激振器的安装要求
5振动时效的技术要求
5.1对激振设备的要求
5.2对工件的要求
5.3对振动方向的要求
6动时效的效果评定
6.1振动时效两种效果评定方法及其关系6.2直接评定法
间接评定法
7振动时效操作规程
典型的操作规程
简化的操作规程
振动时效机理、应力分析、寿命估算及支承方法（补充件）附录A
附录B
典型应用实例（参考件）
简化应用实例（参考件）
附录C
附录D
振动时效效果评定实例（参考件）(1)
中华人民共和国航空航天工业部航空工业标准振动时效主要参数及技术要求
1主题内容与适用范围
HB/Z229-93
本标准规定了振动时效主要参数的确定原则及振动时效处理的操作规程和效果评定的方法。
本标准适用于采用机械激振器进行的振动时效。采用电磁激振器进行的振动时效处理亦可参照使用。
本标准适用于航空地面装备中的结构钢和不锈钢的焊接件、铸件和锻件及铸铁件的振动时效处理。
2术语、符号
2.1术语
2.1.1扫频曲线
将激振器的频率缓慢地由小调大的过程称扫频。随着频率的变化，工件振动响应发生变化。f一A称报幅频率曲线：f一a称加速度频率曲线：f--1称电流频率曲线，以上曲线统称扫频曲线。
2.1.2激振点
将激振器定态工作时，工件仅对应子扫频曲线的某一点M响应，称M点为激振点。2.2符号和单位
g——工作循环应力，MPa。
o.-振动时效的动应力（应力幅），MPao-1—内应力为零时，工件的疲劳极限，MPa。o——内应力为零时，工件的公称抗拉强度，MPa。o.一工件的内应力，MPa。
F静载荷，最大激振力，N。
转速，r/min。
f振动频率,Hz。
f一机械激振器的频率，Hz。
fm工件的固有频率，Hz。
a.支承系数。
1长度.cm。
E—弹性模量，MPa。
航空航天工业部1993-02-22发布1993-08-01实施
载面性矩cm
材料的质量密度，kg/cm。
截面积，cm？。
振幅，cm。
加速度，cm/s
n一一动应力的循环次数。
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N一在单一动应力作用下的破坏循环次数D一一循环载荷（动应力)作用下，构件所受的损伤。P-—功率，KW。
I—电流，A。
-—电压，V。
3振动时效的主要参数
对振动时效起决定作用的参数：a：施加的动应力o（应与要求松弛的内应力的方向相同）：b.振动次数n（振动时间）。
3.1动应力的确定原则
动应力取值按疲劳曲线，推导出下式：a-,(1-
注，式中。和。的方向应相同。选用范围见表1.表1选取范围
工件分类
一般刚度工件
大刚度工件
注：表中上限应慎用。
结构钢焊接件
不锈钢焊接件
60~100
铸铁件
30～50
振动时效过程中，工件上动应力的分布是不均匀的，应设法使大动应力与大内应力相匹配。
3.2振动时间（振动次数）的确定原则3.2.1振动时效的正常过程
振动时效的正常过程分以下阶段：a.振动时效开始2~3min，参数（振幅、动应力、频率、电机电流等）即发生变化；b.参数继续变化，但趋势是从快渐趋缓慢；c.最后2～3min内，参数基本上不再变化，表明振动时效处理已完成。整个过程一般需15～30min（振动次数为50000~80000次）。3.2.2振动时效不正常时的处理
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如果振动时效开始3～5min后，振动参数尚末发生变化，就属于不正常情况，应停止时效，进行分析原因并作如下处理：a.如属激振力不够，则应按3.1的要求进行调整，调整后重新开始振动：b.如属工件无内应力或工件已进行过振动时效处理的，则不允许再进行振动时效。4振动时效的条件
4.1共振条件
振动时效必须在共振条件下进行，产生共振的条件如下：a。机械激振器的频率与工件的固有频率重合；b.机械激振力足以克服工件的内外阻尼。4.2固有频率
4.2.1工件支承不同时，固有频率的确定在确定支承茶件下的工件固有频率，可计算得到，也可实测获得。对可简化成均质梁的工件，其固有频率可用下式表示：Q
2元/2
式中：a.的取值见表2。
表2几种均质单跨梁的支承系数（a,）支承方式
两端自由
两端简支
悬臂染
4.2.2对支承材料的要求
梁的简图
a(—阶)
为使工件处于自由状态，必须在波节处采用弹性材料支承，如本块，橡皮，轮胎：为使工件成为两端简支或悬臂，应采用刚性装夹。4.3对激振器调频范围的要求
机械激振器工作频率的最大值，必须大于工件的固有频率。当f一f.时，工件强烈共振；
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f,（0.75～1.25)fm的范围内，为工件的共振区。为了满足工件的扫频要求，激振器工作频率最大值要达到fimax≥1.5fm
4.4激振器的安装要求
激振器的安装位置不同，可形成弯曲或扭转等不同的振型、工件的固有频率也就不同。对于激振器安装位置的要求如下：a.激振器应紧固在工件刚性较弱的部位或波峰附近；b.激振器禁止安装在刚性大、有加强肋或加强角片的部位及波节处：C.对悬臂装夹的工件，必须掉头进行第二次振动处理：d.对特大工件，应在振动响应薄弱的部位进行补振。5振动时效的技术要求
5.1对激振设备的要求
5.1.1设备的稳频精度
对铸铁件及刚性大的工件，要求设备的稳频精度达到土lr/min。对焊接件及刚性小的工件，要求设备的稳频精度达到土10r/min5.1.2设备的转速、功率和激振力根据工件刚度大小、质量大小，对激振器的转速、功率和激振力可按表3选用。表3激振设备转速、功率、激振力的选择nz
注：设备的激报力必须分挡可调，一般要求分8挡左右。5.1.3设备的功能
激振设备应具有如下功能：
a.自动扫频；
b.自动记录扫频曲线：
c。动应力监测；
d.振动加速度，电机电流的指示。5.2对工件的要求
对振动时效工件有如下要求；
a.工件的刚度不得突变；
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b.工件不得存在严重的缺陷。若工件存在严重缺陷如夹渣、裂纹、虚焊等，则在振动时缺陷很快以裂纹扩张的形式暴露出来，使振动时效处理中断。工件排除缺陷后，允许重新进行振动时效。
5.3对振动方向的要求
振动方向的选择原则是应使工件主焊缝（主内应力）处的动应力最大或较大，见图1。报动方向
α正确
摄动方向
b不正确
图1振动方向
6振动时效的效果评定
振动时效可使工件的内应力得到松弛，并使工件的尺寸精度得到稳定。试验证明，当材料为低碳钢，工作应力小于80MPa时；材料为不锈钢，工作应力小于100MPa时，振动时效完全可以代替热时效。6.1振动时效两种效果评定方法及其关系振动时效效果评定方法有直接评定法和间接评定法两种，其相互关系见图2。6.2直接评定法
在研究试验中，直接评定法应该使用振动时效件，热时效件和不时效件成组对比测定，在生产中，首批工件尽可能采用对比测定。振动时效效果直接评定法有：
a.残余应力测定法：
b.精度稳定性测定法：
C.加工表面精度测定法。
6.2.1残余应力测定法
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振动时效处理开始
激最点参数发生变化
摄幅加速度变大
振动时效处理完毕
效果评定法
理定结论
1.我余应力测定，
2.静管精度保持性测定
3.机加面的尺寸精度测定、
图2直接评定法和间接评定法的关系往注：因为直接评定法较复杂，周期长，所以生产中一般均采用间接评定法
残余应力检测点应选在动应力峰值处或附近，否则无法说明问题。6.2.1.1残余应力的有损检测法
常用的有损检测法有；
a，钻孔法；
b.切割法。
6.2.1.2残余应力的无损检测法
常用的无损检测法有：
a.X射线衍射法；
b.磁测法：
C.超声波法。
6.2.2尺寸精度稳定性测定法
6.2.2.1静置精度保持性的测定
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将工件静置（要求测试室保持恒温），测量工件精度变化与时间的关系。一般振动时效后最初一周时间，测量次数要密集些，以后，时间间隔可加大，测量用的量具精度必须高于变形量一个数量级。测量结果，如果变形量越小即精度保持性越好，表明摄动时效效果越好。6.2.2.2静载一一变形量的测定
对工件施加静载荷，卸载后，测定工件残余变形量，静载由小渐大逐次增加，然后得到静载和残余变形量的关系曲线，相同的静载荷下，残余变形量越小，振动时效的效果就越好。6.2.2.3动载—变形量的测定
对工件施加动载荷（可与工作应力相当），循环一定的次数，卸载后测量残余变形量，然后得出动载荷—循环次数——残余变形量的关系。6.2.3机械加工表面精度测定法
振动时效后，对工件进行机械加工，然后测定机械加工表面的精度（如平行度、圆度、乎面度等）如工件变形越小，则振动时效效果越好。6.3间接评定法
振动时效效果的间接评定法是根据振动时效过程中参数发生有规律的变化现象总结出来的，并经过直接评定法验证的实用的评定方法间接的评定法有激振点振动参数控制法（简称参数法）和振动始末扫频曲线比较法（简称曲线法）两种。
6.3.1激振点据动参数控制法
振动时效过程中，工件对振动的响应，将由于内应力的松弛而有所改变。因而在振动时效时，控制一个摄动参数保持不变，若其它参数在振动开始2～3min即发生变化，最质达到稳定，则振动时效就有效果。控制不回的参数，得到不同的参数控制法，见表4。表4参数控制法的种类
控制频率参数法
控制动应力（振幅）参数法
峰顶跟踪法
6.3.2振动始末扫频曲线比较法
控制参数
。（或A)
跟踪峰顶
变化参数
A（或a.c,)增大
f（或电机电流1)减小
A(或a)增大
工件对振动的响应变化，综合反映在振动始末特性曲线的变化上，典型的特性曲线有：f一A拆幅频率曲线：f--1电流频率曲线。在振动时效处理过程中，只要曲线变化符合以下-种情况，则振动时效就有效果。
6.3.2.1振幅频率曲线的变化见图3。6.3.2.2电流频率曲线的变化见图4。7振动时效操作规程
7.1典型的操作规程
7.1.1准备工作
准备工作步骤如下
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图3振幅频率曲线
电流频率曲线
a.检查工件按5.2：确定激振方向按5.3；振始
b.估算工件的固有频率，选择支承方式按4.2；确定激振器的规格按5.1c、安装激振器按4.4；
d.安装加速度传感器。加速度传感器应紧固在工件振动感明显的部位，其方向应与振动方向一致：
e.粘贴动应力监测应变片，应在工件的动应力最大和较大处。7.1.2激振
7.1.2.1初始扫频
初始扫频的步骤如下：
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a.调整激振力，调整须遵循由小渐大的原则，b.观察是否出现了共振峰，若无共振峰出现，则应改变支承方式；c.共振峰处的动应力值，低碳钢不超过130MPa；铸铁件不超过80MPa；d.记录初始扫频曲线。
7.1.2.2持续振动
持续振动的步骤如下：
a。选择激振点，激振点位置对于一般的机械激振器可选在共振峰上斜坡～≠范围内，32
激振点处的动应力值按3.1和3.2确定：b.记录激振点的初始振动参数并在激振点持续振动，观察并记录振动参数的变化：C.振动时间按3.2确定。
7.1.2.3结束振动时效
若振动参数达到一新的稳定值，则可按6.3来评定振动时效的效果，然后结束振动时效。7.1.3第二次振动
对以下情况的工件必须进行第二次振动：a.对于悬臂装夹的工件，应重复上述步骤，掉头装夹再振动一次；b.对于大型工件，应在第一次振动强度薄弱处进行补振，步骤与第一次振动相同c.对于在相邻的平面上均有主焊缝的工件。应将工件翻转90°再振一次。7.2商化的操作规程
对批量工件或一般用途的工件，可按如下简化的操作规程进行振动时效。7.2.1批量生产工件
批量生产工件的操作步骤如下：a.首件按7.1的规定进行，记录工件的支承方法、支承位置、激振器的安装位置、激振器的偏心挡次，激振点的位置及振动时间；b.其余各件按首件的相同状态进行振动时效处理。7.2.2般用途工件
一般用途工件的操作步骤如下：a，按7.1的各步骤中可省略动应力监测各条，但在实际操作时要注意激振力必须由小到大渐调。激振力控制在起振2~3min，参数能发生变化为限度；b省略扫频曲线比较法，只用激振点参数控制法处理及评定效果。9
A1振动时效机理简述
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附录A
振动时效机理、应力分析、
寿命估算及支承方法
（补充件）
振动时效是通过激振设备，对有内应力的构件，采用激振的方法反复地施加循环载荷，以送到时效效果的工艺方法。由于材料皆存在微观的位错缺陷，故在一定的载荷作用下，可产生位错滑移，出现一个微小的塑性变形。在足量的循环载荷作用下，可使位错源开动起来。位错滑移是单向进行线性累积的。当微应变累积到一个宏观量，构件宏观内应力随之松弛；另一方面位错运动的进行，使可逆位错减少，固定位错增加。因而滑移阻力增大，强化了金属材料的弛豫刚度，提高了材料的抗变形能力，从而提高了工件的尺寸精度保持性，产生了时效的效果。振动时效在共振状态下进行。
A2动应力的估算
A2.1动应力的取值
A2.2a-的确定
-由试验确定。在无试验数据的情况下可按下式估算6-1-Kag..
对于焊接件K一般取0.2～0.3。
对于铸件：K一般取0.15～0.25。A3振动时效施加在工件上动应力的分布(AD)
振动时效施加在工件上的动应力是不均匀的·以两端简支的均质矩形梁为例，分析如下：一阶振型函数见图A1。
Y二Asinc
则动应力为
0.=EYA(元
动应力沿工件长度方向按正弦函数分布，见图A2。动应力沿工件高度方向按线性分布，见图A3。A4振动时效对工件寿命损伤的估算A4.1工件工作循环应力小丁其疲劳极限的情况(A3)
（A4)
该工件不进行振动时效时为无限寿命：进行振动时效后仍为无限寿命。如飞机型架、夹具、机床等。
A4.2工件工作循环应力大于其疲劳极限的情况A4.2.1不进行振动时效时的寿命10