振動時效在鋁合金薄壁件加工過程中的應(yīng)用

梁巖里，謝 飛，左 彬，田姜斌

（航天五院北京衛(wèi)星制造廠，北京 100086）

高強度鋁合金精密薄壁支架類零件由于比強度高、相對重量較輕等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星和飛船等航天器結(jié)構(gòu)機構(gòu)中。由于該類零件材料加工應(yīng)力大，容易產(chǎn)生加工變形，加工精度難以保證。零件在加工過程中需進行消除應(yīng)力處理，以減小加工變形。薄壁支架在以往的加工中，通常采用多工序間多次進行熱時效消除應(yīng)力的方式。由于多次熱時效后材料性能將發(fā)生改變，影響零件使用。而零件進行熱時效次數(shù)少，則應(yīng)力去除效果不理想，不能徹底消除零件的殘余應(yīng)力或使應(yīng)力分布勻化，無法滿足加工精度要求。

振動時效法消除殘余應(yīng)力與傳統(tǒng)的熱時效和自然時效[1-2]相比，具有節(jié)省能源、效率高、適應(yīng)性強、使用方便等特點，并且能進行多次時效。本文選取航天器典型薄壁件（圖1）作為研究對象，對振動時效消除殘余應(yīng)力的機理，在鋁合金薄壁件加工中的應(yīng)用效果及工藝運用進行研究，獲得振動時效在薄壁件加工中的應(yīng)用方案。

1 振動時效機理

圖1 典型薄壁件Fig.1 Typical thin-walled parts

振動時效（VSR）消除殘余應(yīng)力使工件獲得尺寸穩(wěn)定性的機理可以從宏觀和微觀兩方面解釋：宏觀上，當σ動+σ殘≥σS時（σ動為激振器施加給工件的周期性動應(yīng)力，σ殘為殘余應(yīng)力，σS為材料屈服強度極限），工件會產(chǎn)生少量的塑性變形，使殘余應(yīng)力峰值下降，原來不穩(wěn)定的殘余應(yīng)力得到松弛和勻化。同時由于包辛格效應(yīng)，經(jīng)一定時間循環(huán)后，工件材料的當量屈服強度由原來的σS上升，直到與所受的應(yīng)力相等，工件內(nèi)部不再產(chǎn)生新的塑性變形，此時塑性變形變成彈性變形，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。微觀上，因金屬具有將機械能轉(zhuǎn)變成熱能的性質(zhì)，即使在σ動+σ殘≤σS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(yīng)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[3]。

2 振動時效在薄壁件加工中的去應(yīng)力效果及工藝應(yīng)用試驗

本文選用的薄壁支架材料為2A14 T4，零件外形尺寸為280mm×280mm×100mm，壁厚為3mm，其精度要求為底面平面度不大于0.08mm,底面與側(cè)面垂直度不大于0.15mm。該支架在加工過程中，由于壁薄，剛性弱，材料應(yīng)力大，加工精度要求高，加工變形造成不合格率達到85%以上。本文通過進行振動前后零件殘余應(yīng)力測量，從數(shù)值上分析振動時效的效果，并進行振動時效工序應(yīng)用試驗分析，獲得振動時效在薄壁件加工過程中的應(yīng)用方案。

2.1 振動時效去應(yīng)力效果分析試驗

振動前后殘余應(yīng)力的測量被作為評定時效工藝效果的主要手段。殘余應(yīng)力的測量方法主要分為無損測量法和有損測量法。無損測量法中常用的X射線僅能測量深度為微米級，易受表層加工影響，準確度不高的零件。故本試驗采用常用的有損測量法——盲孔法（圖2）進行殘余應(yīng)力測量。

為了減小切削加工殘余應(yīng)力重組及裝夾應(yīng)力影響，采用圖1薄壁件下料后的坯料進行振動前后數(shù)值測量（圖3）。試驗中選取2塊材料，分別取4個點進行了應(yīng)力測試，測試結(jié)果如表1所示。

圖2 盲孔法測量殘余應(yīng)力Fig.2 Measuring residual stresses by blind-hole method

圖3 坯料振動時效Fig.3 VSR of the Billets

表1 振動時效前后殘余應(yīng)力對照表

從試驗結(jié)果可以得出，毛坯件振動后殘余應(yīng)力值小于振動前殘余應(yīng)力值，且應(yīng)力分布更加均勻，殘余應(yīng)力消除率達到40%以上。由此可見，振動時效在薄壁件加工過程中消除或均化殘余應(yīng)力的效果明顯。

2.2 振動時效工藝應(yīng)用試驗

通過進行振動前后零件殘余應(yīng)力對比試驗，得出振動時效去應(yīng)力效果非常明顯。下面進行振動時效在薄壁件加工過程中的工藝應(yīng)用試驗，取若干零件，按不同工藝流程加工，通過測量不同工藝流程下加工的零件精度，得到振動時效在薄壁件加工過程中應(yīng)用方案。

試驗分別選取了10件零件，每兩件按以下不同的工藝流程進行加工。

（1）下料－粗加工－精加工；

（2）下料－振動－粗加工－振動－精加工；

（3）下料－振動－粗加工－熱時效－精加工；

（4）下料－熱時效－粗加工－熱時效－精加工；（5）下料－熱時效－粗加工－振動－精加工；

其中，熱時效去應(yīng)力方案為：采用冷熱循環(huán)法，使工件在-60℃～+115℃之間冷熱循環(huán)處理3次。振動時效工藝過程如圖4所示。為了分析結(jié)果的準確性，工件加工過程中，使用同一設(shè)備、同一參數(shù)、同一工人進行操作，熱時效參數(shù)、振動時效參數(shù)均統(tǒng)一。粗加工后，零件單邊預(yù)留1mm余量。

按1～5條工藝流程加工零件后，進行底面平面度、底面與側(cè)面垂直度測量，測量結(jié)果見表2。編號為1、2號的零件工藝流程為1，編號為3、4號的零件工藝流程為2，以此類推。

圖4 振動時效工藝過程Fig.4 VSR processing

表2 零件形位公差測量數(shù)據(jù)表

從表2中可以看出，工藝路線3（下料－振動－粗加工－熱時效－精加工）加工的編號為5、6的零件加工精度最高（底面平面度為0.06mm,底面與側(cè)面垂直度為0.12～0.14mm），尺寸滿足要求（底面平面度不大于0.08mm,底面與側(cè)面垂直度不大于0.15mm）。由此可見，在薄壁零件加工過程中，下料后進行振動時效，后進行熱時效，其消除應(yīng)力方案確保零件變形最小，其效果好于多次進行振動時效。

在坯料狀態(tài)下，零件自身的殘余應(yīng)力處于零件成型生產(chǎn)過程中的最大值，此時進行振動時效，可最大程度地進行均化后重組，而熱時效方式無法進行整體內(nèi)部的殘余應(yīng)力均化和減小。而零件粗加工后使得去除量大，自身大部分殘余應(yīng)力已釋放，加工過程中施加的應(yīng)力、裝夾應(yīng)力是其變形的主因，他們均可直接通過熱時效的方式去除。

通過上述試驗得出，振動時效在薄壁支架類零件加工過程中的應(yīng)用方案為：振動時效直接應(yīng)用于零件粗加工之前，即在零件下料后的毛坯狀態(tài)下進行，其余工序間無需進行二次振動，可用熱時效方式去應(yīng)力。

3 結(jié)束語

通過振動時效的機理分析、振動時效前后的數(shù)值測量，表明振動時效工藝對減少和均勻化薄壁支架類零件的殘余應(yīng)力有良好效果。同時進行振動時效在薄壁件加工過程中的工藝應(yīng)用試驗，滿足了薄壁支架尺寸加工要求，零件加工精度得到了提高，并得出了振動時效的應(yīng)用方案。

（1）振動時效在薄壁件加工中效果明顯。薄壁件殘余應(yīng)力降低40%以上，并且峰值應(yīng)力降低，應(yīng)力分布得到了均化；

（2）振動時效在薄壁支架類零件加工過程中的應(yīng)用方案為：單次使用，直接應(yīng)用于零件毛坯狀態(tài)。薄壁支架可采用以下流程消除殘余應(yīng)力、減小變形：下料－振動時效－粗加工－熱時效－精加工。

[1]朱世根，劉峰，顧偉生，等. 振動時效的應(yīng)用 [J]. 焊接技術(shù)，2002，31(6)：25-27.

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