振動時效在消除鑄鋁合金框架變形中的應用

劉 赫，唐兄彬

（西安航天發(fā)動機廠，陜西西安710100）

0 引言

鑄鋁合金的框架產(chǎn)品作為火箭發(fā)動機的重要部件，除了承力配合之外，關鍵是配合游機發(fā)動機對運載火箭進行調姿入軌，所以設計部門對鑄鋁合金框架的加工要求很高，主要是要求加工變形小，否則，將會影響運載火箭的飛行軌道和衛(wèi)星的入軌精度。在實際加工過程中，鑄鋁合金由于存在殘余應力，很容易引起工件變形，進而造成鑄鋁合金的框架尺寸不穩(wěn)定。為此，進行了工藝攻關，通過采用振動時效方法解決了該技術難題。

傳統(tǒng)的消除殘余應力的方法有熱時效和自然時效。熱時效需要專用加熱爐，投資大、能耗大、效率低、污染環(huán)境、易產(chǎn)生新的變形和二次應力；自然時效周期長，效率低，導致成本增加。相比之下，振動時效生產(chǎn)周期短，處理地點靈活，生產(chǎn)費用低，且無環(huán)境污染，比較可行。

1 鑄鋁合金框架產(chǎn)品的設計要求

框架為鋁合金材料鑄件，屬于空間非對稱撓性結構零件 (見圖1)。

該項產(chǎn)品尺寸精度高，加工工序多，變形嚴重，其中L1尺寸長約200 mm，A面長約150 mm，輕微變形都將會導致尺寸超差。通常工序加工、檢驗合格后，到最終總體檢驗時尺寸往往超差。主要設計指標見表1。

表1 主要設計指標要求Tab.1 Main design specifications

2 殘余應力對產(chǎn)品變形的影響

鑄鋁合金框架殘余應力產(chǎn)生途徑主要為兩部分：一是鑄件產(chǎn)品在凝固過程中，由于冷卻不均勻而產(chǎn)生殘余應力；二是產(chǎn)品在機加過程中產(chǎn)生的殘余應力。

以上兩種殘余應力交互作用于產(chǎn)品上，使產(chǎn)品易于產(chǎn)生扭轉、彎曲等不規(guī)則變形；同時，在進行切削加工時，原有的應力平衡被破壞，應力重新分布、釋放，尤其是框架產(chǎn)品的撓性結構限制，導致產(chǎn)品再次產(chǎn)生變形更為嚴重，加工精度難以保證，尺寸穩(wěn)定性極差。

3 振動時效機理

3.1 宏觀機理

從宏觀上分析，振動時效時所加激振力相當于給工件施以交變應力，如圖2所示的交變應力－應變特性曲線。在周期性振動外載作用下，構件上產(chǎn)生的交變動應力與內部某些點的殘余應力相互疊加，達到或超過材料的屈服極限，即δ動+δ殘≥δS時，這些點處將發(fā)生微小塑性變形，改變了構件原有的內應力場，最終使構件的殘余應力降低并得到調整。

經(jīng)過一定時間循環(huán)后，工件材料的當量屈服強度上升，直到與所受的應力相等，工件內部不再產(chǎn)生新的塑性變形，工件的彈性性能得到強化，從而使工件的幾何尺寸趨于穩(wěn)定。

3.2 微觀機理

從微觀上分析，振動時效 (VSR)就是給金屬構件提供機械能，因金屬具有將機械能轉變成熱能的性質，即使在δ動+δ殘≤δS時，也會產(chǎn)生微觀的塑性變形。其機理為：由振動輸入的活化能使位錯移動，在位錯塞積群的前沿引起應力集中而產(chǎn)生塑性變形；同時，遷移的位錯切割位錯群，以致使位錯相互釘扎，材料基體得到強化，使松弛剛度增大，工件獲得尺寸穩(wěn)定性。

4 鑄鋁合金框架加工工藝流程

為了解決框架零件以上變形問題，現(xiàn)對框架的變形控制進行工藝研究：a)優(yōu)化工藝流程：對加工過程中變形量大的工序進行細化，合理分配加工余量，降低變形；b)采用振動時效消除應力的方法，控制框架產(chǎn)品的變形。將振動時效工序放在半精鏜后，精鏜前，能有效的將前期的殘余應力消除掉，具體流程見圖3。

5 振動時效工藝的應用

5.1 振動時效設備簡介

三維振動時效裝置由工作臺、激振器、振動參數(shù)控制器和振動傳感器組成，其結構如圖4所示。

5.2 振動時效工藝參數(shù)選擇

5.2.1 動應力的選擇

振動時效時構件所承受的載荷由兩部分組成：一部分是構件本身的殘余應力；另一部分是施加在構件上的動應力，該應力為對稱循環(huán)應力，兩者疊加后應為不對稱循環(huán)應力，故構件內各點的應力應為不對稱循環(huán)應力（見圖5所示）。

由圖 5 可見：1) 當 δm＞0 時，δa＜δmax；當 δm＜0時，δm＜0，δa＞δmax。故在考慮產(chǎn)品在振動時效過程中受應力循環(huán)水平時，不僅要考慮動應力的振幅，同時還要考慮其平均應力（殘余應力）水平，在同一δa條件下，δm值越大，δmax值越高，則構件的疲勞壽命越短；2)δmin≠δmax，故應力比（循環(huán)特征）r=δmin/δmax≠-1。綜合上述兩點及振動宏觀機理，動應力選取條件應為δ動+δ殘≥δS，且 δ動+δ殘≤δr。

5.2.2 激振頻率的選擇

根據(jù)振動時效原理，一般選擇在工件固有頻率附近激振較好，采用幅頻特性曲線上的亞共振區(qū)的頻率激振工件。根據(jù)理論計算及實驗驗證，可將共振峰值的4/5處對應的頻率作為激振頻率，這樣可避免在工件固有頻率上共振，出現(xiàn)振動不穩(wěn)定。共振頻率：

式中：ans為邊界常數(shù)；h為產(chǎn)品平均厚度；E為彈性模量；μ為泊松比；Pa為單位面積質量；A為產(chǎn)品表面長寬度。

在本工藝過程中，使用設備本身先進的頻率自動掃描功能，得到框架產(chǎn)品的固有頻率。在保證裝卡數(shù)量一致 (均為4件)的前提下，掃描得到的固有頻率在7200～7700 rpm。

5.2.3 激振時間的選擇

振動時效效果與振動時間有關。構件在一定激振力和激振頻率作用下，在最初的一段振動時間內，內部應力變化較明顯，其后內部的應力狀態(tài)趨于穩(wěn)定。研究表明，振動處理的前5 min殘余應力變化最快，15 min以后基本處于穩(wěn)定。在對鋁合金的振動時效過程中，根據(jù)JB5926-2005推薦和經(jīng)驗，一般振動時效時間為30 min。

5.2.4 工件的支承

工件支承位置和裝夾位置都是依據(jù)工件的振型來確定的?？偟脑瓌t是，支承墊應放在工件振型的節(jié)線處，支承墊應具有彈性 (如橡膠、墊木、剛性彈簧等)；激振器應放在工件振型的振幅處，用專用卡具與工件剛性地卡在一起；加速度計應放在遠離激振器的另一個振幅處。

5.3 振動時效后加工情況對比結果

隨機選3件未經(jīng)振動時效的框架與經(jīng)振動時效后的3件框架產(chǎn)品一起，經(jīng)過精加工各尺寸后，待靜置約一周后 (此時各項尺寸已穩(wěn)定)，分別對其開檔尺寸L1、A面與基準B面的尺寸L2、兩孔間的同軸度、O-O線和O1-O1線與ΦN孔組的中心偏移和扭轉進行測量，將結果與以往沒有經(jīng)過任何變形控制措施的產(chǎn)品的尺寸數(shù)據(jù)進行對比，對比結果見表2和表3所示。

表2 尺寸公差測量結果對比Tab.2 Comparison between measured results of dimensional tolerance mm

表3 各項形位公差測量結果對比Tab.3 Comparison between measured results of geometric tolerance mm

表中：A類代表無變形控制措施的產(chǎn)品；B類代表僅做了優(yōu)化工藝流程的產(chǎn)品；C類代表既優(yōu)化流程又做了振動時效的產(chǎn)品。

對比結果顯示，C類即經(jīng)過振動時效的產(chǎn)品，精加工后各項尺寸公差得到保證，未出現(xiàn)尺寸超差現(xiàn)象；且各項尺寸公差相對穩(wěn)定，尺寸跳動范圍較小，較為穩(wěn)定。

6 振動時效效果評定

6.1 效果評定理論依據(jù)

根據(jù)振動時效原理，本工藝過程中使用的設備是利用旋轉偏心質量使構件產(chǎn)生受迫振動 (即使用激振器給工件施加動應力使工件振動)，構件振動方程為：

式中：A為振動位移，mm；M為振動總質量，kg；m為轉子偏心質量，kg；e為偏心距，mm；λ為振動頻率ω和固有頻率ω0之比；ζ為阻尼比。

當發(fā)生共振時λ=1，由式（2）可得共振時的振幅A，系統(tǒng)頻帶寬Δω和共振頻率ω。

可知，當阻尼比減小時，系統(tǒng)共振的振幅將增加，頻帶寬將變窄，共振頻率將下降。因此，在振動時效過程中，隨著阻尼比的逐漸減小，直到穩(wěn)定的過程，在宏觀上將伴隨發(fā)生共振幅值增大、頻率變窄和共振頻率下降的現(xiàn)象。這正是實際操作中振動時效效果的評定標準。JB/T10375-2002中給出如下評定標準，滿足任意一項，即表明達到時效效果。

1)a—t曲線上升后變平；

2)a—t曲線上升后下降然后變平；

3)a—n曲線的峰值振后的比振前的升高；

4)a—n曲線的峰值點振后的比振前的左移；

5)a—n曲線的帶寬振后的比振前的變窄；

6)a—n曲線共振峰有裂變現(xiàn)象發(fā)生。

6.2 試驗件的振動效果評定和分析

在同一加工批次中選取了幾件框架產(chǎn)品進行振動時效試驗。其振動a-n曲線和a-t曲線如圖6和圖7所示。

從圖中可以看出，本試驗符合了上述條件中的2)，3)及4)三項，可以斷定：針對框架產(chǎn)品的振動時效試驗達到了時效效果，框架產(chǎn)品的殘余應力應該得到消除。

7 振動時效產(chǎn)品可靠性分析

7.1 金相組織情況對比

抽取1件經(jīng)過振動時效的框架 (編號為1)和2件未做過振動時效的框架 (編號分別為2和3)，分別對三件產(chǎn)品的3處受力部位剖切下大小相同的一塊試件 (約為40 mm×30 mm×20 mm)。為明確對比結果，三件剖切部位應相同，具體位置參考圖8所示。同時對剖切試件予以鋼印編號。編號的對應關系如下：

部位Ⅰ：1Ⅰ#(振過)，2Ⅰ#(未振)，3Ⅰ#(未振)；

部位Ⅱ：1Ⅱ#(振過)，2Ⅱ#(未振)，3Ⅱ#(未振)；

部位Ⅲ：1Ⅲ#(振過)，2Ⅲ#(未振)，3Ⅲ#(未振)。

經(jīng)理化分析后，其三件產(chǎn)品的3個剖切部位試件的金相組織結構并無差異，即證明振動時效過程對框架的金相組織結構無影響。各試件的金相組織結構對比情況見圖8中 (1)～(6)所示。僅列Ⅰ和Ⅱ兩組部位為例。

上述所有對比結果表明，振動時效確實達到了消除內應力的效果，對控制后續(xù)加工的變形量，保證加工質量起到了良好效果；同時不會對產(chǎn)品的金相組織結造成影響，滿足了產(chǎn)品的使用強度，保證了產(chǎn)品的可靠性。

7.2 試車及飛行情況對比

按本文論述的內容和方法加工的框架產(chǎn)品，經(jīng)過了大量試車及飛行考驗，調姿入軌精準，可靠性高，表明鑄鋁合金框架產(chǎn)品的變形與尺寸不穩(wěn)定已經(jīng)得到了很好解決。

8 結論

綜上所述，采用振動時效對鑄造鋁合金框架件類產(chǎn)品進行消除應力，合理選擇激振力、振動時間等一系列振動參數(shù)，能有效降低產(chǎn)品的變形量，使產(chǎn)品的各項尺寸公差得到保證，從而很好的保證產(chǎn)品的質量；組織結構上經(jīng)分析得出，振動時效過程對產(chǎn)品的金相組織結構不會產(chǎn)生影響，產(chǎn)品的使用強度得以保證，證明經(jīng)過振動時效工藝方法后加工的產(chǎn)品質量可靠，同時本文的研究成果也為航空、海軍、微波應用等領域的高精度薄壁類產(chǎn)品的變形控制，提供了有力的技術參考依據(jù)。

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