振動(dòng)時(shí)效工藝在飛機(jī)制造中的應(yīng)用研究

馬永波

(西安飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司 制造工程部，陜西 西安 710089)

振動(dòng)時(shí)效技術(shù)起源于二戰(zhàn)以后的歐美國(guó)家。在20世紀(jì)50年代前后，隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，振動(dòng)理論、檢測(cè)技術(shù)和激振設(shè)備都得到迅速的發(fā)展。在工件的共振頻率下進(jìn)行振動(dòng)，可以縮短振動(dòng)處理時(shí)間，消除應(yīng)力和穩(wěn)定尺寸精度的效果更好，能源消耗也最少。

由于這種工藝日趨成熟，振動(dòng)和控制設(shè)備日臻完善，振動(dòng)時(shí)效技術(shù)已經(jīng)在十多個(gè)工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家得到廣泛應(yīng)用。許多國(guó)家已將振動(dòng)時(shí)效定為某些機(jī)械構(gòu)件必須采用的標(biāo)準(zhǔn)工藝[1]。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5 000多項(xiàng)振動(dòng)時(shí)效處理。英國(guó)和德國(guó)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。英國(guó)某公司曾對(duì)飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)葉片進(jìn)行振動(dòng)時(shí)效處理，以控制加工變形并提高其尺寸穩(wěn)定性。

振動(dòng)時(shí)效技術(shù)于20世紀(jì)70年代被引進(jìn)到我國(guó)。我國(guó)機(jī)械制造業(yè)對(duì)振動(dòng)時(shí)效技術(shù)進(jìn)行了大量的工程化應(yīng)用研究[2-8]?！捌呶濉焙?，我國(guó)振動(dòng)時(shí)效工藝技術(shù)成熟，設(shè)備也達(dá)到世界先進(jìn)水平；“八五”期間，振動(dòng)時(shí)效技術(shù)被國(guó)家科委、機(jī)電部、國(guó)務(wù)院生產(chǎn)辦列為“八五”六大重點(diǎn)推廣技術(shù)之一。在我國(guó)航空航天領(lǐng)域，602所、301所、182廠和5703廠相繼開展振動(dòng)時(shí)效研究，取得了一系列重要成果，并于1993年制定頒布了HB/Z 229—1993《振動(dòng)時(shí)效主要參數(shù)及技術(shù)要求》[9]。

目前，我國(guó)航空制造業(yè)中振動(dòng)時(shí)效工藝的應(yīng)用僅限于地面設(shè)備。根據(jù)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，很多飛機(jī)零件在機(jī)械加工過程中變形非常嚴(yán)重。目前多采用手工方法來校正變形，導(dǎo)致零件校形工作量很大，且零件質(zhì)量很難保證，甚至造成報(bào)廢，嚴(yán)重影響零件按期交付。另外，焊接件和鈑金件也存在同樣問題，使生產(chǎn)成本提高，交付節(jié)點(diǎn)難以保證[10]。為了滿足生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的需求，開展了振動(dòng)時(shí)效在飛機(jī)零件制造中的應(yīng)用研究。

1 振動(dòng)時(shí)效和人工時(shí)效工藝試驗(yàn)

1.1 振動(dòng)時(shí)效設(shè)備

計(jì)算機(jī)控制的振動(dòng)時(shí)效設(shè)備是此類設(shè)備中的高端設(shè)備，具有操作簡(jiǎn)單、重現(xiàn)性好等特點(diǎn)。目前市場(chǎng)上有多種品牌，如海倫、美國(guó)最時(shí)和北京翔博等。本文選用北京翔博公司的LH2508Ⅱ型振動(dòng)消除應(yīng)力專家系統(tǒng)進(jìn)行振動(dòng)時(shí)效工藝試驗(yàn)。

1.2 振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)

在振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)階段，根據(jù)試板及試驗(yàn)件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，經(jīng)過多次優(yōu)化，確定最終方案如圖1所示。

圖1 振動(dòng)時(shí)效試驗(yàn)臺(tái)

1.3 試板及試驗(yàn)件的裝卡和加速度計(jì)安裝

試板及試驗(yàn)件通過雙頭螺柱、螺母及壓板剛性固定在試驗(yàn)臺(tái)上。根據(jù)所租用設(shè)備的特點(diǎn)，加速度計(jì)的安裝無嚴(yán)格要求，在試驗(yàn)進(jìn)行過程中一般放在壓板上，以便獲得較為準(zhǔn)確的反饋信號(hào)。

1.4 試板振動(dòng)時(shí)效工藝試驗(yàn)

將01、02、03、09及10號(hào)試板制成自由鍛件，材料為L(zhǎng)D10，CS狀態(tài)，外形尺寸為300 mm×180 mm×30 mm。

進(jìn)行振動(dòng)時(shí)效工藝試驗(yàn)時(shí)，將振動(dòng)時(shí)效試驗(yàn)臺(tái)放置在4個(gè)減振膠墊上，然后用雙頭螺柱和特制壓板將試板剛性固定在振動(dòng)時(shí)效試驗(yàn)臺(tái)上，激振器安裝在振動(dòng)時(shí)效試驗(yàn)臺(tái)縱向側(cè)面中部，加速度計(jì)放在壓板上或試驗(yàn)臺(tái)上靠近試板的位置。由LH2508Ⅱ型振動(dòng)消除應(yīng)力專家系統(tǒng)進(jìn)行頻譜分析，自動(dòng)選出5個(gè)振動(dòng)頻率(轉(zhuǎn)速)。手動(dòng)激振器的偏心值，使至少有2個(gè)加速度值在30～70 m/s。完成上述操作后，由LH2508Ⅱ型振動(dòng)消除應(yīng)力專家系統(tǒng)自動(dòng)完成后續(xù)的振動(dòng)時(shí)效試驗(yàn)。

試板振動(dòng)時(shí)效工藝試驗(yàn)參數(shù)見表1。

表1 試板振動(dòng)時(shí)效工藝試驗(yàn)參數(shù)

在試驗(yàn)過程中屢次出現(xiàn)試驗(yàn)臺(tái)橫向移動(dòng)現(xiàn)象，迫使試驗(yàn)終止。分析認(rèn)為，造成這種現(xiàn)象的原因在于試驗(yàn)臺(tái)質(zhì)量太輕。這個(gè)結(jié)論在后續(xù)的前緣蒙皮振動(dòng)時(shí)效工藝試驗(yàn)中得到了驗(yàn)證。

1.5 熱時(shí)效(人工時(shí)效)工藝試驗(yàn)

將04、05及06號(hào)試板制成自由鍛件，材料為L(zhǎng)D10，CS狀態(tài)，外形尺寸為300 mm×180 mm×30 mm。04、05及06號(hào)試板熱時(shí)效(人工時(shí)效)工藝試驗(yàn)的執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為XYS2201變形鋁合金零件熱處理。具體工藝參數(shù)為加熱溫度160 ℃，保溫時(shí)間7 h。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 殘余應(yīng)力檢測(cè)

殘余應(yīng)力檢測(cè)在清華大學(xué)進(jìn)行，檢測(cè)方法為盲孔法，檢測(cè)設(shè)備為Power Series殘余應(yīng)力檢測(cè)儀。殘余應(yīng)力檢測(cè)分別在01、02、03號(hào)試板振動(dòng)時(shí)效前后及04、05、06號(hào)試板人工時(shí)效前后進(jìn)行，每次測(cè)5個(gè)點(diǎn)，測(cè)量結(jié)果如圖2～圖7所示。

圖2 01號(hào)試板振動(dòng)時(shí)效前后殘余應(yīng)力變化情況

圖3 02號(hào)試板振動(dòng)時(shí)效前后殘余應(yīng)力變化情況

圖4 03號(hào)試板振動(dòng)時(shí)效前后殘余應(yīng)力變化情況

圖5 04號(hào)試板人工時(shí)效前后殘余應(yīng)力變化情況

圖6 05號(hào)試板人工時(shí)效前后殘余應(yīng)力變化情況

圖7 06號(hào)試板人工時(shí)效前后殘余應(yīng)力變化情況

從圖2可以看出，振動(dòng)時(shí)效后殘余應(yīng)力呈現(xiàn)均化現(xiàn)象。從圖3可以看出，振動(dòng)時(shí)效后殘余應(yīng)力呈現(xiàn)顯著減小及均化現(xiàn)象。從圖4可以看出，振動(dòng)時(shí)效后殘余應(yīng)力呈現(xiàn)增大現(xiàn)象。從圖5可以看出，人工時(shí)效后殘余應(yīng)力呈現(xiàn)不均勻現(xiàn)象。從圖6可以看出，除1個(gè)測(cè)點(diǎn)外，人工時(shí)效后殘余應(yīng)力呈現(xiàn)均化現(xiàn)象。從圖7可以看出，人工時(shí)效后殘余應(yīng)力呈現(xiàn)非均化現(xiàn)象。

2.2 電導(dǎo)率檢測(cè)

電導(dǎo)率檢測(cè)在西飛公司檢測(cè)中心進(jìn)行，振動(dòng)時(shí)效和人工時(shí)效前后各測(cè)10個(gè)點(diǎn)，結(jié)果見表2。

表2 振動(dòng)時(shí)效和人工時(shí)效前后電導(dǎo)率檢測(cè)結(jié)果 (%IACS)

從表2可以看到，01號(hào)試板振動(dòng)時(shí)效前后電導(dǎo)率平均值分別為35.14% IACS和34.91% IACS，振動(dòng)時(shí)效后減小0.65%；02號(hào)試板振動(dòng)時(shí)效前后電導(dǎo)率平均值分別為35.41% IACS和34.99% IACS，振動(dòng)時(shí)效后減小1.19%；03號(hào)試板振動(dòng)時(shí)效前后電導(dǎo)率平均值分別為36.10% IACS和35.97% IACS，振動(dòng)時(shí)效后減小0.36%；04號(hào)試板人工時(shí)效前后電導(dǎo)率平均值分別為35.45% IACS和34.70% IACS，人工時(shí)效后減小2.12%；05號(hào)試板人工時(shí)效前后電導(dǎo)率平均值分別為35.44% IACS和34.33% IACS，人工時(shí)效后減小0.31%；06號(hào)試板人工時(shí)效前后電導(dǎo)率平均值分別為35.23% IACS和35.82% IACS，人工時(shí)效后增大1.67%。由此可見，振動(dòng)時(shí)效對(duì)鋁合金電導(dǎo)率的影響非常小，人工時(shí)效對(duì)鋁合金電導(dǎo)率的影響也非常小。

2.3 試板加工變形檢測(cè)

試板加工變形檢測(cè)結(jié)果見表3。根據(jù)表3可得出T6+振動(dòng)時(shí)效狀態(tài)、T6+人工時(shí)效狀態(tài)及T6狀態(tài)的試板在機(jī)械加工過程中的變形情況(見圖8～圖10)。

表3 試板加工變形檢測(cè)結(jié)果 (mm)

圖8 T6+振動(dòng)時(shí)效狀態(tài)的試板在機(jī)械加工過程中的變形情況

圖9 T6+人工時(shí)效狀態(tài)的試板在機(jī)械加工過程中的變形情況

圖10 T6狀態(tài)的試板在機(jī)械加工過程中的變形情況

從圖8可以看出，第4次檢測(cè)前，T6+振動(dòng)時(shí)效狀態(tài)的3塊試板的變形較小(<0.35 mm)，其后，由于機(jī)械加工應(yīng)力增加而呈現(xiàn)變形增大的趨勢(shì)。由此可見，在適當(dāng)?shù)墓ば蛟黾诱駝?dòng)時(shí)效可控制工件機(jī)械加工過程中的變形。

從圖9可以看出，04和06號(hào)試板在機(jī)械加工過程中變形較小(<0.5 mm)，人工時(shí)效工藝消除應(yīng)力的效果比較明顯；05號(hào)試板在機(jī)械加工過程中變形較大。由此可知，人工時(shí)效工藝消除應(yīng)力的作用不太穩(wěn)定。

從圖10可以看出，T6狀態(tài)的試板在機(jī)械加工過程中的變形呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)。

2.4 尺寸精度穩(wěn)定性檢測(cè)

機(jī)械加工后的試板每2周測(cè)1次變形，共測(cè)6次，以觀察其尺寸精度穩(wěn)定性。尺寸精度穩(wěn)定性檢測(cè)結(jié)果見表4。根據(jù)表4可得出T6+振動(dòng)時(shí)效狀態(tài)、T6+人工時(shí)效狀態(tài)及T6狀態(tài)的試板尺寸精度穩(wěn)定性(見圖11～圖13)。

表4 尺寸精度穩(wěn)定性檢測(cè)結(jié)果

圖11 T6+振動(dòng)時(shí)效狀態(tài)試板尺寸精度穩(wěn)定性

圖12 T6+人工時(shí)效狀態(tài)試板尺寸精度穩(wěn)定性

圖13 T6狀態(tài)試板尺寸精度穩(wěn)定性

從圖11可以看出，T6+振動(dòng)時(shí)效狀態(tài)試板機(jī)械加工后，01號(hào)試板第2次檢測(cè)后保持穩(wěn)定，不再發(fā)生變形；02號(hào)試板第3次檢測(cè)后保持穩(wěn)定，不再發(fā)生變形；03號(hào)試板第4次檢測(cè)后保持穩(wěn)定，不再發(fā)生變形。

從圖12可以看出，T6+人工時(shí)效狀態(tài)試板機(jī)械加工后，04號(hào)試板一直保持穩(wěn)定，沒有發(fā)生變形；05號(hào)試板第3次檢測(cè)后保持穩(wěn)定，不再發(fā)生變形；06號(hào)試板第2次檢測(cè)后保持穩(wěn)定，不再發(fā)生變形。

從圖13可以看出，T6狀態(tài)試板機(jī)械加工后，11號(hào)試板不穩(wěn)定，不斷發(fā)生變形；12號(hào)試板第2次檢測(cè)后保持穩(wěn)定，不再發(fā)生變形；13號(hào)試板第4次檢測(cè)后保持穩(wěn)定，不再發(fā)生變形。由此可知，T6+振動(dòng)時(shí)效狀態(tài)及T6+人工時(shí)效狀態(tài)的試板比較穩(wěn)定，尺寸精度穩(wěn)定性較好；相對(duì)來說，T6狀態(tài)的試板穩(wěn)定性不好，尺寸精度穩(wěn)定性較差。

2.5 力學(xué)性能檢測(cè)

力學(xué)性能檢測(cè)在西飛檢測(cè)中心進(jìn)行，檢測(cè)結(jié)果見表5。從表5可以看出，振動(dòng)時(shí)效及人工時(shí)效后，抗拉強(qiáng)度及屈服強(qiáng)度(規(guī)定非比例延伸強(qiáng)度)略有提高，塑性略有下降，韌性略有提高。

表5 力學(xué)性能檢測(cè)結(jié)果

3 典型試驗(yàn)件振動(dòng)時(shí)效試驗(yàn)

3.1 LD10數(shù)控加工件振動(dòng)時(shí)效試驗(yàn)

某型機(jī)的一種零件采用數(shù)控加工，毛料為L(zhǎng)D10自由鍛件，CS狀態(tài)。該零件在數(shù)控加工過程中，經(jīng)常因加強(qiáng)筋斷裂而造成報(bào)廢。經(jīng)分析認(rèn)為，造成斷裂的原因是鍛件中存在的內(nèi)應(yīng)力和數(shù)控加工產(chǎn)生的應(yīng)力在加強(qiáng)筋處疊加后超過了抗拉強(qiáng)度。課題組在數(shù)控加工前就該零件的1件毛料進(jìn)行了振動(dòng)時(shí)效工藝試驗(yàn)。在隨后的數(shù)控加工過程中，沒有出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象。

3.2 前緣蒙皮振動(dòng)時(shí)效試驗(yàn)

一批轉(zhuǎn)包生產(chǎn)的前緣蒙皮在進(jìn)行最后的切割工序后發(fā)生嚴(yán)重的扭曲變形，面臨報(bào)廢的結(jié)果。一旦報(bào)廢，將面臨重大經(jīng)濟(jì)損失。經(jīng)分析認(rèn)為，該批前緣蒙皮在生產(chǎn)過程中內(nèi)應(yīng)力很大，導(dǎo)致在最后的切割工序后因應(yīng)力釋放而產(chǎn)生嚴(yán)重的扭曲變形。

課題組采用振動(dòng)時(shí)效工藝進(jìn)行了試驗(yàn)。在第1次振動(dòng)時(shí)效工藝試驗(yàn)后，蒙皮前緣母線直線度為8 mm，回彈力較大，效果不太理想。經(jīng)過5次改進(jìn)后，蒙皮前緣母線直線度達(dá)到2 mm, 回彈力明顯減小，但扭曲變形依然存在。根據(jù)第1次振動(dòng)時(shí)效工藝試驗(yàn)的結(jié)果，課題組決定調(diào)整前緣蒙皮制造流程，振動(dòng)時(shí)效工藝試驗(yàn)在化銑后切割前進(jìn)行，因?yàn)榇藭r(shí)零件尚未產(chǎn)生扭曲變形。前緣蒙皮第2次振動(dòng)時(shí)效工藝試驗(yàn)后全部順利交付。

4 結(jié)語

振動(dòng)時(shí)效工藝可消除及均化殘余應(yīng)力，其作用不亞于人工時(shí)效。進(jìn)行振動(dòng)時(shí)效及人工時(shí)效處理后，LD10鋁合金的強(qiáng)度略有提高，塑性略有下降，沖擊韌性略有提高，電導(dǎo)率基本不變，尺寸精度穩(wěn)定性提高。

我國(guó)的航空制造企業(yè)中，鋁合金鍛件在機(jī)械加工過程中存在變形嚴(yán)重及開裂現(xiàn)象，部分鈑金類零件也存在嚴(yán)重的扭曲變形；飛機(jī)裝配型架也存在變形問題。上述問題的存在，使航空制造成本增加，制造周期延長(zhǎng)。本文研究表明，采用振動(dòng)時(shí)效工藝能有效解決上述技術(shù)難題，具有很大的推廣應(yīng)用價(jià)值。