振動(dòng)時(shí)效對鋁板表面應(yīng)力松弛均勻性的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與分析

廖 凱，朱家豪，余 田，陳 輝，鐘利萍，龔 海

(1. 中南林業(yè)科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，長沙 410004； 2. 中南大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，長沙 410083)

70751高強(qiáng)鋁合金薄壁框架件作為航空器廣泛應(yīng)用的結(jié)構(gòu)件，加工變形控制備受關(guān)注，而其中殘余應(yīng)力分布與控制問題[1-3]，是保證試件合格制備急需解決的難題之一。這類構(gòu)件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)表現(xiàn)為壁較薄，易變性，應(yīng)力場復(fù)雜包含有毛坯初始內(nèi)應(yīng)力和加工形成的表面殘余應(yīng)力[4-5]。殘余應(yīng)力的存在有其兩面性：①過大的殘余應(yīng)力危害了結(jié)構(gòu)尺寸精度，造成結(jié)構(gòu)件形狀不穩(wěn)定[6]；②壓應(yīng)力可以有效提高材料疲勞強(qiáng)度，延長其服役壽命。對于薄壁件，降低和調(diào)整表面應(yīng)力是滿足構(gòu)件制備合格、使用可靠要求的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[7-8]。應(yīng)力獲取手段可以通過無損和有損兩類實(shí)驗(yàn)方法，例如X-ray衍射方法(X-ray Diffraction，XRD)、深孔法(Deep-Hole Drilling Method，DHM)和層削法(Layer Removal Method，LRM)等，以及有限元仿真技術(shù)獲得，這些工作在文獻(xiàn)中已經(jīng)被廣泛提及[9-11]。

振動(dòng)時(shí)效(Vibration Stress Relief, VSR)是通過交變力作用方式，使結(jié)構(gòu)或平臺(tái)產(chǎn)生共振，達(dá)到構(gòu)件上殘余應(yīng)力區(qū)域滿足激振動(dòng)應(yīng)力加載條件下的宏觀屈服，以實(shí)現(xiàn)殘余應(yīng)力降低[12]。張清東等[13-14]結(jié)合預(yù)應(yīng)力方式對高強(qiáng)度鋼板采用多點(diǎn)激振模式，用來釋放表面殘余應(yīng)力，認(rèn)為VSR可以消減和均化應(yīng)力，但是對結(jié)構(gòu)的變形調(diào)整效果有限；顧邦平等[15]設(shè)計(jì)一種高頻振動(dòng)能量放大裝置，以高頻小幅、大動(dòng)能方式解決小件殘余應(yīng)力消減的需要。劉曉丹等[16]采用VSR解決膨脹波紋管表面殘余應(yīng)力的降低問題，效果較好。這些研究說明從宏觀上看，激振動(dòng)應(yīng)力與殘余應(yīng)力的疊加達(dá)到宏觀屈服后，確實(shí)能夠在結(jié)構(gòu)件上產(chǎn)生預(yù)期效果。另一方面，Wang等[17-18]通過EBSD(Electron Backscattered Diffraction)分析發(fā)現(xiàn)時(shí)效下，材料表面晶粒會(huì)在等幅循環(huán)應(yīng)變下發(fā)生晶粒轉(zhuǎn)動(dòng)，這種轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)際上就是材料變形的微觀模式，是應(yīng)力下降的主要原因。實(shí)際上很多觀點(diǎn)認(rèn)為VSR是可以通過微屈服方式降低殘余應(yīng)力，例如發(fā)現(xiàn)材料位錯(cuò)密度增大，局部硬化等現(xiàn)象，這些都說明即使沒有宏觀屈服，材料在VSR下仍然存在屈服情況。當(dāng)然，振動(dòng)時(shí)效參數(shù)的選取非常重要，頻率、時(shí)間和激振力都需要在時(shí)效時(shí)被考慮。一直以來，研究者認(rèn)為應(yīng)力降低的程度不僅與頻率有關(guān)，而且與振幅相關(guān)，例如Dawson等[19]。然而，振動(dòng)模式和材料晶體結(jié)構(gòu)也應(yīng)該被考慮，這對VSR時(shí)效效果同樣重要[20-21]。

目前振動(dòng)時(shí)效大多針對焊接件，主要原因是焊接件有明顯應(yīng)力集中區(qū)域，非常適合施加交變應(yīng)力場，例如通過大型焊接件的懸臂激振，零件的平臺(tái)激振以及板件上采用的集中力激振模式，這些都能很好地解決構(gòu)件集中應(yīng)力降低的技術(shù)問題。本文研究鋁合金板表面加工應(yīng)力消減技術(shù)，采用目前工程上應(yīng)用于輕質(zhì)零件應(yīng)力消減的平臺(tái)式激振，時(shí)效研究材料加工表面應(yīng)力的降低和均化的可行性。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 材料與試樣

實(shí)驗(yàn)材料為7075T651高強(qiáng)鋁合金厚板，銑削后得到試樣尺寸為500×200×5(mm)薄板，數(shù)量為兩塊。銑削加工后，試樣表面均進(jìn)行噴丸處理，以獲得表面應(yīng)力分布均勻效果。目的是為了檢驗(yàn)后期振動(dòng)時(shí)效下，表面應(yīng)力變化的參照對比和作用重復(fù)性檢驗(yàn)需要。噴丸參數(shù)見表1，材料力學(xué)性能見表2。

表1 噴丸參數(shù)Tab.1 Parameters of SP

表2 7075鋁合金力學(xué)特性Tab.2 Mechanical properties of materials

1.2 振動(dòng)方式

試樣截取自鋁合金薄壁框架零件薄壁加工表面部分，而后期研究成果將用于薄壁構(gòu)件的時(shí)效處理，因此，試樣采用和零件一樣的振動(dòng)方式—平臺(tái)式激振。其中振動(dòng)用鑄鐵平臺(tái)1 800×1 000×80(mm)，重約1 000 kg，對稱4支點(diǎn)硬橡膠支撐，支撐處對稱布局為長1 000×寬500(mm)。試樣固定在平臺(tái)上，將平臺(tái)和試樣視為整體，借助鑄鐵平臺(tái)本身強(qiáng)大的激振動(dòng)能，在低頻低幅條件下使試樣也獲得足夠激振能。安裝方式如圖1所示，試樣被壓塊可靠地固定在平板上。定義振動(dòng)臺(tái)振幅最小處為節(jié)線，工程上以此為試樣時(shí)效激振的夾固點(diǎn)，形成應(yīng)力交變，因此，可將試樣沿長度方向?qū)ΨQ擺放于節(jié)線處，并夾緊。根據(jù)根據(jù)JB/T 5926—2005振動(dòng)時(shí)效工藝標(biāo)準(zhǔn)[22]和前期實(shí)驗(yàn)結(jié)果，選擇激振時(shí)間為30 min。

圖1 激振器、平臺(tái)及工件裝夾示意圖Fig.1 Sketch of vibration equipmemt, plate and fixture

激振設(shè)備選用HK2000K1型全自動(dòng)振動(dòng)時(shí)效儀，可完成自動(dòng)掃頻，在亞共振區(qū)進(jìn)行時(shí)效，偏心轉(zhuǎn)子式激振器置于平臺(tái)中部。試樣安裝位置選取在平板零振幅位置，沿長度方向?qū)ΨQ固定。對平板進(jìn)行ANASYS模態(tài)分析，平臺(tái)處于無約束自由振動(dòng)狀態(tài)，計(jì)算結(jié)果顯示，前4階固有頻率為零，在第5階模態(tài)下，固有頻率為105 Hz，其相鄰零振幅位置相距960 mm，如圖2所示，仿真結(jié)果中零振幅位置與實(shí)驗(yàn)中現(xiàn)場拋灑細(xì)砂觀察平臺(tái)砂礫聚集情況基本對應(yīng)，如圖3所示，現(xiàn)場測試中相鄰砂線相距940 mm，亞共振頻率113.8 Hz。

圖2 振動(dòng)臺(tái)第5階模態(tài)Fig.2 5th order mode of plate

圖3 實(shí)驗(yàn)調(diào)試Fig.3 Experiment and adjustment

1.3 應(yīng)力測試

為了觀察表面應(yīng)力在時(shí)效后沿長度方向可能存在的不均勻分布，在兩個(gè)試樣上分別確定12個(gè)應(yīng)力測試點(diǎn)，比較VSR前后應(yīng)力分布。試樣噴丸后為保護(hù)表面不受壓塊損壞，用薄絨布包裹一層再夾固在振動(dòng)平臺(tái)上，應(yīng)力測試前用酒精清洗試樣表面。測試點(diǎn)橫向間隔40 mm±5 mm，縱向間隔50 mm±5 mm。由于在砂線左右兩側(cè)振動(dòng)效果一樣，因此，測試點(diǎn)分布在試樣一側(cè)即可，如圖4所示。

圖4 試樣測試點(diǎn)布置Fig.4 Layout of test position on sample

表面應(yīng)力使用PROTO X-ray衍射應(yīng)力測試儀，儀器精度±20 MPa，測量值誤差顯示±10 MPa以內(nèi)。測量方法：采用同傾法測量，輻射線Crkα，X 射線管電壓40 kV，管電流30 mA，衍射晶面為(211)，采用高斯函數(shù)法定峰，準(zhǔn)直管尺寸2 mm。X射線彈性常數(shù)1/2S2(18.56 ×10-6)，ψ取14個(gè)角度。

2 結(jié)果與分析

根據(jù)激振儀自動(dòng)掃頻結(jié)果顯示，振前激振加速度為112.9 m/s2，偏心轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速6 856 r/min，振后亞共振區(qū)域激振加速度為133.2 m/s2，頻率114.3 Hz，偏心轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速6 833 r/min。振后峰值升高20.3 m/s2，峰值左移23 r/min，頻率減小0.5 Hz，說明對平臺(tái)振動(dòng)時(shí)效在有效進(jìn)行，并使得參數(shù)發(fā)生改變。如圖5為平臺(tái)VSR前后掃頻-加速度分布曲線。

2.1 表面應(yīng)力不均勻釋放

振型分布表明在亞共振區(qū)平臺(tái)呈現(xiàn)彎曲變形狀態(tài)，將試樣固定于節(jié)線，則離節(jié)線不同位置上受到的彎曲應(yīng)力也就不同，疊加上激振力，則可見在整個(gè)試樣表面可能會(huì)出現(xiàn)動(dòng)應(yīng)力分布不均勻現(xiàn)象。噴丸試樣100%表面覆蓋后后，表面應(yīng)力分布均勻性較好，可將測得12個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行適當(dāng)對稱化處理，以云圖描述，如圖6(a)所示。以節(jié)線位置為參照，兩個(gè)試樣時(shí)效后應(yīng)力分布規(guī)律相似，隨著距離節(jié)線的遠(yuǎn)近而單調(diào)變化。以試樣1為例，應(yīng)力松弛釋放程度在節(jié)線最遠(yuǎn)處最大為18.7%，從-294 MPa減少到-239 MPa，而靠近節(jié)線則應(yīng)力釋放逐漸減弱為4.1%，從-294 MPa減少到-280 MPa，表面應(yīng)力不均勻波動(dòng)達(dá)到14.6%，如圖6(b)所示。試樣2有類似效果，以上現(xiàn)象符合時(shí)效中能量諧波分布特點(diǎn)。

圖5 時(shí)效掃頻結(jié)果Fig.5 Scanning frequency result of VSR

圖6 節(jié)線A處時(shí)效Fig.6 VSR in A position

如前所述，試樣加工表面應(yīng)力分布不同于焊接件集中應(yīng)力分布特點(diǎn)，因此這種時(shí)效后應(yīng)力不均勻性特征對于前者更為顯著。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)兩個(gè)現(xiàn)象：①表面應(yīng)力在VSR下可以被釋放，但釋放的程度有差異；②應(yīng)力釋放與時(shí)效位置有關(guān)。為此，可根據(jù)振動(dòng)平臺(tái)振型分布和表面應(yīng)力釋放的規(guī)律，將試樣上動(dòng)應(yīng)力表現(xiàn)強(qiáng)弱的位置進(jìn)行對調(diào)，即將試樣對準(zhǔn)節(jié)線的位置進(jìn)行交叉調(diào)整，以平衡試樣上能量分布。因此，將試樣應(yīng)力釋放最強(qiáng)處B置于節(jié)線，使之前最弱處A能得到較強(qiáng)的激振效果，以符合調(diào)整目的。

2.2 應(yīng)力均勻釋放效果

由于在A位置時(shí)效出現(xiàn)了不均勻應(yīng)力釋放現(xiàn)象，因此通過交叉時(shí)效位置B振動(dòng)時(shí)效作用后(參數(shù)與第一次相同)再次觀察應(yīng)力分布情況，如圖7(a)所示。仍以試樣1為例，之前位于節(jié)線A處的表面應(yīng)力被削弱，從-294 MPa降低到-254 MPa，而節(jié)線B處應(yīng)力為-235 MPa，基本與交叉時(shí)效前一致，可見，位置交叉后使表面A處縮小了與B處應(yīng)力水平，沿長度方向應(yīng)力釋放率整體波動(dòng)較之前得到改善，如圖7(b)所示，應(yīng)力釋放率曲線趨于平緩。仍以試樣1為例，應(yīng)力釋放率變化范圍20%～14%，不均勻波動(dòng)下降到6%，不均勻釋放明顯受到控制，試樣2反映的事實(shí)與之相似。說明采用交叉時(shí)效方法能在平臺(tái)式時(shí)效中發(fā)揮能量均化作用，對這類結(jié)構(gòu)性表面應(yīng)力能達(dá)到預(yù)期消減和均化效果。

圖7 節(jié)線B處時(shí)效Fig.7 VSR in B position

3 討 論

3.1 應(yīng)力釋放的原因

振動(dòng)時(shí)效消減殘余應(yīng)力的基本理論是動(dòng)應(yīng)力與殘余應(yīng)力疊加之和大于材料屈服極限。但是在試樣實(shí)驗(yàn)中，應(yīng)力釋放的根本原因不完全是這樣，主要體現(xiàn)在：①試樣表面應(yīng)力存在形式以壓應(yīng)力為主，即使疊加動(dòng)應(yīng)力也不能達(dá)到材料屈服極限，而應(yīng)力釋放的事實(shí)說明在材料表面存在著屈服，這種屈服現(xiàn)象主要是材料內(nèi)部位錯(cuò)在激振能作用下不斷增殖、運(yùn)動(dòng)、擴(kuò)展的結(jié)果，當(dāng)位錯(cuò)在晶界堆積到一定程度后，材料變形的同時(shí)也在被強(qiáng)化(硬化)，因此會(huì)發(fā)現(xiàn)表面應(yīng)力水平降低，但材料硬度卻提高，這在研究中已經(jīng)證實(shí)；②微觀屈服的存在，在材料表面，微觀屈服強(qiáng)度小于宏觀屈服強(qiáng)度，尤其是噴丸后表面粗糙度增大(與銑削表面比)，如圖8為材料表面用微距鏡頭和SEM電鏡獲得的宏、微觀形貌，局部鋼丸噴射后彈坑周圍造成的表面不規(guī)整很容易形成應(yīng)力集中區(qū)域和屈服強(qiáng)度弱化區(qū)，客觀上在交變應(yīng)力作用下，于等幅交變應(yīng)變后形成:屈服強(qiáng)度下降—屈服—應(yīng)力降低—強(qiáng)化的過程；③實(shí)驗(yàn)中，最大動(dòng)應(yīng)力約為100 MPa，疊加試樣上的殘余壓應(yīng)力后仍小于材料疲勞極限230 MPa，說明平臺(tái)式VSR沒有以犧牲材料疲勞強(qiáng)度為代價(jià)降低應(yīng)力水平，這是VSR在這類零件上應(yīng)用的優(yōu)勢。

圖8 試樣表面宏、微觀形貌Fig.8 Macro and micro morphology of surface

綜上，實(shí)驗(yàn)研究認(rèn)為，薄板件上應(yīng)力釋放的主要原因是交變能作用在材料表面，造成材料局部微觀屈服，從而導(dǎo)致表面應(yīng)力松弛降低。

3.2 應(yīng)力均化的實(shí)現(xiàn)

振動(dòng)是實(shí)現(xiàn)應(yīng)力均化處理的工程選擇之一，但對不同結(jié)構(gòu)時(shí)效上，不同振動(dòng)方式會(huì)影響應(yīng)力均勻化效果。本例中平臺(tái)式振型特點(diǎn)決定了能量分布具有不均勻特性，即在不同位置上作用在構(gòu)件上的動(dòng)應(yīng)力會(huì)不同。因此針對構(gòu)件應(yīng)力分布特點(diǎn)，提出交叉時(shí)效激振策略以解決應(yīng)力釋放不均勻問題，應(yīng)用原理是強(qiáng)弱交叉，均衡處理，平均能量。從均化效果來看，如圖9所示，兩個(gè)試樣在交叉時(shí)效后，沿長度方向上表面應(yīng)力釋放梯度變化接近0.1 MPa/mm，比交叉時(shí)效前0.7 MPa/mm的應(yīng)力梯度變化效果要好，說明這種解決方法具有可行性，同時(shí)，在工程上能夠方便實(shí)現(xiàn)。例如對較長板件，可將板件橫跨相鄰節(jié)線進(jìn)行裝夾VSR效果為最佳，首先，這樣處理可以降低構(gòu)件中部表面應(yīng)力。然后，實(shí)施交叉時(shí)效，將構(gòu)件中部置于節(jié)線再進(jìn)行激振，以均化構(gòu)件兩端應(yīng)力分布，從而實(shí)現(xiàn)構(gòu)件表面應(yīng)力整體均勻化處理。

當(dāng)然，應(yīng)力完全均化很難實(shí)現(xiàn)，因?yàn)闀r(shí)效后材料表面會(huì)出現(xiàn)硬化現(xiàn)象，在一定激振工藝下，即使延長時(shí)效時(shí)間也不一定松弛應(yīng)力，因此位置交叉時(shí)效能對表面應(yīng)力釋放均勻效果進(jìn)行優(yōu)化。

圖9 節(jié)線法向距離上表面應(yīng)力釋放梯度Fig.9 Stress relaxation gradient along normal direction of zero amplitude line on plate

4 結(jié) 論

通過對鋁合金薄板件振動(dòng)時(shí)效，進(jìn)行表面應(yīng)力消減和均化效果實(shí)驗(yàn)分析，可以得出以下結(jié)論：

(1) 平臺(tái)板振動(dòng)時(shí)效下，試件表面應(yīng)力松弛釋放不均勻性不僅取決于本身應(yīng)力分布的結(jié)構(gòu)性特點(diǎn)，也與時(shí)效平臺(tái)振型特征有關(guān)。

(2) 位置交叉時(shí)效基本達(dá)到應(yīng)力釋放均化效果，應(yīng)力松弛不均勻波動(dòng)由原來的14%，下降到調(diào)整后的6%，且沿節(jié)線長度方向上應(yīng)力梯度波動(dòng)0.1 MPa/mm。然而，要達(dá)到理想均化狀態(tài)目前還很難，原因是時(shí)效工藝參數(shù)調(diào)整與材料時(shí)效過程中存在的強(qiáng)化差異程度目前還無法做到一一對應(yīng)，需要進(jìn)一步研究。

(3) 位置交叉時(shí)效方法不僅僅可以應(yīng)用在薄板上，同樣也適用于薄壁框架類零件表面加工應(yīng)力的均化處理，這對輕型復(fù)雜零件在平臺(tái)振動(dòng)臺(tái)上進(jìn)行時(shí)效處理具有積極作用。