不同殘余應(yīng)力調(diào)控方法對(duì)鋁合金箱蓋加工變形影響的研究

郭曉龍，李宏偉，王會(huì)龍，耿景剛(北京北方車輛集團(tuán)有限公司，北京 100072)

0 引言

殘余應(yīng)力的來源多樣，廣泛存在，在宏觀上可以分為拉伸殘余應(yīng)力、壓縮殘余應(yīng)力和零殘余應(yīng)力三種，又可根據(jù)構(gòu)件實(shí)際形廓分為切向殘余應(yīng)力和法向殘余應(yīng)力。一般來說，切向拉伸和壓縮殘余應(yīng)力的分布不均將導(dǎo)致機(jī)械構(gòu)件表面彎曲變形和開裂，法向拉伸和壓縮殘余應(yīng)力的分布不均將導(dǎo)致機(jī)械構(gòu)件表面凸起和凹陷，材料內(nèi)部切向和法向殘余應(yīng)力的分布不均將導(dǎo)致內(nèi)部開裂和疏松、或引發(fā)機(jī)械構(gòu)件表面變形和開裂[1]。試驗(yàn)證明材料表層存在一定梯度的壓縮殘余應(yīng)力，可以有效提高表面強(qiáng)度、耐磨性和服役疲勞壽命或可靠性[2]。例如噴丸、滾壓和表面沖擊等工藝可以在機(jī)械構(gòu)件表層內(nèi)形成由外向內(nèi)的具有一定梯度的壓縮殘余應(yīng)力分布，可以有效地改善構(gòu)件表面質(zhì)量和抗疲勞特性。

雖然材料的屈服極限在一定程度上受構(gòu)件內(nèi)殘余應(yīng)力的影響，但是殘余應(yīng)力分布的不均也會(huì)給構(gòu)件帶來變形、超差等負(fù)面影響。一般來說構(gòu)件內(nèi)的殘余應(yīng)力的分布不平衡，當(dāng)在外力的作用下，殘余應(yīng)力與之相互疊加，使得構(gòu)件局部區(qū)域塑形變形，導(dǎo)致相關(guān)尺寸發(fā)生變化。所以殘余應(yīng)力會(huì)顯著地影響構(gòu)件加工后的尺寸精度和服役過程中的形廓尺寸精度[3]，具體影響程度如圖1所示。此外，殘余應(yīng)力對(duì)機(jī)械構(gòu)件尺寸精度的保持性也構(gòu)成重大影響，所以工程領(lǐng)域上研究人員一直在研究有效消減、消除和均化構(gòu)件內(nèi)部殘余應(yīng)力的方法，來提升機(jī)械構(gòu)件的產(chǎn)品質(zhì)量。

圖1 殘余應(yīng)力對(duì)某構(gòu)件變形量的影響

目前常用的殘余應(yīng)力調(diào)控手段有熱時(shí)效法、振動(dòng)時(shí)效法、頻譜諧波法、電擊法、超聲沖擊法、高能超聲法等。本文采用頻譜諧波法和高能超聲法對(duì)該鋁合金箱蓋進(jìn)行殘余應(yīng)力調(diào)控。

頻譜諧波時(shí)效技術(shù)起源于振動(dòng)時(shí)效，因其獨(dú)有找頻方式與處理頻率，被稱為頻譜諧波時(shí)效技術(shù)[4]。該方法是通過在100 Hz內(nèi)尋找低次諧波，用合適的能量進(jìn)行多個(gè)諧波頻率的先后振動(dòng)，引起高次諧波累積振動(dòng)產(chǎn)生多方向的應(yīng)力，并與材料內(nèi)部的殘余應(yīng)力進(jìn)行疊加，造成塑性屈服，從而降低和均化峰值殘余應(yīng)力，提高尺寸精度穩(wěn)定性的目的。

高能超聲調(diào)控技術(shù)的基本原理是利用高能超聲波的大振幅波動(dòng)使得殘余應(yīng)力超標(biāo)區(qū)域的晶?；蚓Ц癞a(chǎn)生交變振動(dòng)或蠕動(dòng)，并引發(fā)超聲軟化、位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)等一系列次級(jí)效應(yīng)[1]。此外，高能聲場(chǎng)還產(chǎn)生周期性或間斷沖擊波作用，在波陣面處形成局部壓強(qiáng)梯度，因而造成晶粒邊界的局部升溫，從而加速材料軟化、促進(jìn)晶粒間的滑移，最終殘余應(yīng)力得以消除。

由于ZL101A具有密度低、較高的力學(xué)性能、優(yōu)秀的鑄造性能以及較高的耐腐蝕性特點(diǎn)，使得其廣泛應(yīng)用在多種型號(hào)的科研產(chǎn)品中。某型鋁合金箱蓋(圖2)采用ZL101A-SB-T6材料鑄造出毛坯并機(jī)加而成，其關(guān)鍵尺寸包括內(nèi)孔Φ406H6、內(nèi)孔Φ162H6及這兩孔的同軸度Φ0.04。該零件機(jī)加工藝過程主要包括粗加工、半精加工、精加工等三部分。粗加工主要對(duì)零件進(jìn)行粗車內(nèi)外圓及端面，加工量為2 mm；半精加工時(shí)對(duì)主要尺寸進(jìn)行半精車，加工量為1 mm，同時(shí)將零件相關(guān)的孔、臺(tái)兒等非重要特征加工出來；精加工時(shí)對(duì)零件的關(guān)鍵尺寸進(jìn)行精車，加工量為1 mm。由于該零件加工精度較高，機(jī)加過程中會(huì)產(chǎn)生大量殘余應(yīng)力，需要對(duì)其關(guān)鍵區(qū)域進(jìn)行殘余應(yīng)力調(diào)控來降低鋁合金箱蓋的變形量，從而保證產(chǎn)品的加工精度。

圖2 鋁合金箱蓋的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)示意圖

為了研究殘余應(yīng)力在不同的調(diào)控方法下對(duì)箱蓋加工變形的影響，本文采用正交的試驗(yàn)方法，分別對(duì)頻譜諧波法和高能超聲法進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。此次試驗(yàn)的大致思路為選用同一批鑄造的兩個(gè)鋁合金箱蓋，分別采用頻譜諧波法和高能超聲法對(duì)其加工過程中產(chǎn)生的應(yīng)力進(jìn)行調(diào)控，并采用盲孔法和超聲法對(duì)其時(shí)效前后的應(yīng)力進(jìn)行檢測(cè)，最后統(tǒng)計(jì)兩種調(diào)控方法處理后的鋁合金箱蓋的關(guān)鍵尺寸變形情況，最終得到不同殘余應(yīng)力調(diào)控方法對(duì)鋁合金箱蓋加工變形的影響。

1 頻譜諧波法應(yīng)力調(diào)控

一般來說頻譜諧波法是采用小波頻譜的方式來消除零件的殘余應(yīng)力，與振動(dòng)時(shí)效法相比具有調(diào)控效果好、噪音低的特點(diǎn)。具體來說，頻譜諧波法通過將待調(diào)控零件與激振器夾持在同一金屬板材上，并對(duì)待調(diào)控零件進(jìn)行頻譜分析，利用小波頻譜時(shí)效處理其中5個(gè)峰值頻率，最終實(shí)現(xiàn)降低和均化整個(gè)零件的殘余應(yīng)力的目的。

為了驗(yàn)證頻譜諧波法應(yīng)力調(diào)控的效果，本試驗(yàn)采用盲孔法進(jìn)行零件應(yīng)力調(diào)控前后的檢測(cè)。由于該應(yīng)力檢測(cè)方法為有損檢測(cè)，并結(jié)合零件加工工藝要求，決定在半精車工序加工完成后進(jìn)行殘余應(yīng)力調(diào)控，在時(shí)效前后分別進(jìn)行應(yīng)力檢測(cè)，進(jìn)而得到頻譜諧波法對(duì)該零件的應(yīng)力調(diào)控效果對(duì)比。

此次鋁合金箱蓋的應(yīng)力調(diào)控試驗(yàn)過程是按照國(guó)標(biāo)GB/T 25712—2010 《振動(dòng)時(shí)效工藝參數(shù)選擇及效果評(píng)定方法》的要求進(jìn)行的，應(yīng)力調(diào)控后效果也符合國(guó)標(biāo)GB/T 25712—2010《振動(dòng)時(shí)效工藝參數(shù)選擇及效果評(píng)定方法》中的要求。本次試驗(yàn)設(shè)備采用成都海訊科技實(shí)業(yè)有限公司的小波頻譜消除應(yīng)力系統(tǒng)，試驗(yàn)過程中小波頻譜時(shí)效共處理5個(gè)峰值頻率，耗時(shí)40 min，其工作示意圖如圖3所示。

圖3 頻譜諧波法工作示意圖

圖4 頻譜諧波應(yīng)力檢測(cè)區(qū)域示意圖

因?yàn)樵撔土慵善泛笤陉P(guān)鍵尺寸Φ162H6附近有均布的螺紋孔，故在該區(qū)域內(nèi)對(duì)3個(gè)均布的點(diǎn)位進(jìn)行時(shí)效前后的殘余應(yīng)力檢測(cè)，殘余應(yīng)力檢測(cè)區(qū)域如圖4所示。經(jīng)過時(shí)效處理后，該零件檢測(cè)區(qū)域內(nèi)的殘余應(yīng)力峰值的均值從75.3 MPa降為24.26 MPa，應(yīng)力清除率達(dá)到67.78%，應(yīng)力均化度達(dá)到71.68%，具體數(shù)值如圖5所示。

圖5 頻譜諧波應(yīng)力調(diào)控結(jié)果對(duì)比

根據(jù)國(guó)標(biāo)《振動(dòng)時(shí)效工藝參數(shù)選擇及效果評(píng)定方法》中的要求，一次合格的應(yīng)力調(diào)控應(yīng)該是時(shí)效前待調(diào)控區(qū)域殘余應(yīng)力水平小于工件材質(zhì)的屈服極限的1/5，不計(jì)算該區(qū)域應(yīng)力消除率；時(shí)效后機(jī)加零件的應(yīng)力消除率應(yīng)大于20%或者應(yīng)力均化率應(yīng)大于20%。本次試驗(yàn)的ZL101A材料的屈服極限的理論值為大于180 MPa，一般實(shí)際值為200 MPa左右，時(shí)效前待調(diào)控區(qū)域的應(yīng)力應(yīng)大于40 MPa，滿足應(yīng)力調(diào)控要求，同時(shí)應(yīng)力調(diào)控后應(yīng)力的清除率和均化度也遠(yuǎn)高于效果評(píng)定要求，此次頻譜諧波應(yīng)力調(diào)控符合要求。

2 高能超聲法應(yīng)力調(diào)控

與頻譜諧波法相比，高能超聲法應(yīng)力調(diào)控是通過使用高能超聲調(diào)控儀對(duì)待調(diào)控零件進(jìn)行局部應(yīng)力調(diào)控，調(diào)控前后的應(yīng)力檢測(cè)則采用超聲波法進(jìn)行殘余應(yīng)力的無損檢測(cè)。由于待調(diào)控區(qū)域較大，單個(gè)高能超聲調(diào)控儀調(diào)控范圍有限，需要采用多個(gè)高能超聲調(diào)控儀均布在待調(diào)控區(qū)域內(nèi)。為了記錄調(diào)控前后的應(yīng)力變化，此次試驗(yàn)采用超聲法進(jìn)行殘余應(yīng)力檢測(cè)，通過對(duì)比調(diào)控前后應(yīng)力變化從而得到應(yīng)力調(diào)控的效果。其中超聲檢測(cè)傳感器和高能超聲調(diào)控儀如圖6所示。

圖6 超聲檢測(cè)傳感器和高能超聲調(diào)控儀

此次試驗(yàn)共進(jìn)行2次應(yīng)力調(diào)控，分別是在零件粗加工后和半精加工后對(duì)加工產(chǎn)生的殘余應(yīng)力進(jìn)行調(diào)控。在零件調(diào)控的前后，分別利用超聲檢測(cè)傳感器對(duì)調(diào)控區(qū)域進(jìn)行應(yīng)力無損檢測(cè)，在整個(gè)試驗(yàn)過程共進(jìn)行3次。此次試驗(yàn)使用6個(gè)高能超聲調(diào)控儀分別對(duì)待調(diào)控區(qū)域的A、B平面進(jìn)行殘余應(yīng)力調(diào)控，調(diào)控位置如圖7所示。

圖7 高能超聲應(yīng)力調(diào)控區(qū)域A、B平面示意圖

單次超聲波無損檢測(cè)共檢測(cè)12個(gè)點(diǎn)，調(diào)控設(shè)備選用頻率為15 kHz、功率為400 W的高能超聲調(diào)控儀，調(diào)控時(shí)間持續(xù)30 min。粗加工調(diào)控前后的應(yīng)力檢測(cè)結(jié)果如圖8所示，半精加工調(diào)控后的應(yīng)力檢測(cè)結(jié)果如圖9所示。

圖8 粗加工調(diào)控前后的應(yīng)力檢測(cè)數(shù)據(jù)

圖9 半精加工調(diào)控后的應(yīng)力檢測(cè)數(shù)據(jù)

受限于超聲波的應(yīng)力檢測(cè)原理，圖8和圖9中展示的應(yīng)力檢測(cè)數(shù)據(jù)是相對(duì)于“零應(yīng)力試塊”來說的。而“零應(yīng)力試塊”是與待調(diào)控零件材料相同的試塊在實(shí)驗(yàn)室中制備而成的，在嚴(yán)格意義上說該試塊并非真的零應(yīng)力。所以與盲孔法檢測(cè)數(shù)據(jù)相比，超聲波法檢測(cè)數(shù)據(jù)為相對(duì)值，且超聲波法檢測(cè)精度較低，但是仍然可以反映出殘余應(yīng)力數(shù)值大小，仍然具有試驗(yàn)意義。

因?yàn)槌暡☉?yīng)力檢測(cè)技術(shù)較新，目前還沒有一個(gè)行業(yè)公認(rèn)的應(yīng)力調(diào)控效果評(píng)價(jià)方法。所以只能在一定程度上參考頻譜諧波法應(yīng)力調(diào)控評(píng)價(jià)方法。在粗加工調(diào)控階段，應(yīng)力調(diào)控前，A面的殘余應(yīng)力均值為25.98 MPa，B面的殘余應(yīng)力均值為36.02 MPa；高能超聲調(diào)控后，A面的殘余應(yīng)力均值為-1.62 MPa，B面的殘余應(yīng)力均值為2.91 MPa。在半精加工調(diào)控階段，應(yīng)力調(diào)控前，A面的殘余應(yīng)力均值為37.40 MPa，B面的殘余應(yīng)力均值為19.33 MPa；高能超聲調(diào)控后，A面的殘余應(yīng)力均值為1.94 MPa，B面的殘余應(yīng)力均值為2.18 MPa。從調(diào)控效果上看，粗加工調(diào)試階段A面殘余應(yīng)力清除率為106.2%，B面殘余應(yīng)力清除率為91.9%；半精加工階段A面殘余應(yīng)力清除率為94.8%，B面殘余應(yīng)力清除率為88.7%；同時(shí)零件應(yīng)力集中的狀態(tài)得到緩解，殘余應(yīng)力得到較大的均化。

3 調(diào)控對(duì)加工變形影響分析

通過對(duì)比頻譜諧波法和高能超聲法對(duì)鋁合金箱蓋加工殘余應(yīng)力調(diào)控的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以知道兩種殘余應(yīng)力調(diào)控方法對(duì)應(yīng)力去除均有積極作用。頻譜諧波法對(duì)待調(diào)控零件進(jìn)行高峰值頻率的應(yīng)力調(diào)控，應(yīng)力清除率達(dá)到了67%以上，均化度達(dá)到了71%以上；高能超聲法在一定程度上與振動(dòng)時(shí)效相似，但其只能在較小區(qū)域內(nèi)進(jìn)行應(yīng)力去除，應(yīng)力清除率達(dá)到88.7%以上。如果僅從殘余應(yīng)力清除率來說，高能超聲法是優(yōu)于頻譜諧波法的。但是由于盲孔法和超聲法檢測(cè)的應(yīng)力均為特定區(qū)域的特定深度應(yīng)力數(shù)據(jù)，無法全面評(píng)價(jià)調(diào)控方法對(duì)鋁合金箱蓋待調(diào)控區(qū)域的應(yīng)力分布，與此同時(shí)殘余應(yīng)力的去除率和均化度也只能在一定程度上反映應(yīng)力釋放后變形的程度，所以還需要對(duì)頻譜諧波法和高能超聲法調(diào)控的兩個(gè)零件進(jìn)行應(yīng)力釋放變形試驗(yàn)。

此次應(yīng)力釋放變形試驗(yàn)可以得到上述兩種方法下應(yīng)力調(diào)控對(duì)零件加工變形的確切影響，同時(shí)也可以直觀地看出兩種調(diào)試方案的優(yōu)劣。具體試驗(yàn)方案是將兩種應(yīng)力調(diào)控方法加工后的零件直接轉(zhuǎn)入實(shí)驗(yàn)室，在相同條件下進(jìn)行為期二周的自然時(shí)效，時(shí)效前后均利用三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x進(jìn)行測(cè)量并記錄檢測(cè)數(shù)據(jù)。通過對(duì)比自然時(shí)效前后的數(shù)據(jù)差值，就可以直觀得到該種應(yīng)力調(diào)控方案的零件變形程度，進(jìn)而得到不同殘余應(yīng)力調(diào)控方法對(duì)零件加工變形的影響程度與應(yīng)力控制的優(yōu)劣。

分析出兩種調(diào)控方法的優(yōu)劣，此次試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 應(yīng)力釋放變形試驗(yàn)數(shù)據(jù)

從表1數(shù)據(jù)可以知道，上述兩種應(yīng)力調(diào)控方法處理后的零件加工后檢測(cè)數(shù)據(jù)均符合設(shè)計(jì)要求，且都比無應(yīng)力調(diào)控的零件變形效果好。對(duì)于頻譜諧波法和高能超聲法調(diào)控效果來說，經(jīng)過自然時(shí)效后，零件內(nèi)部的殘余應(yīng)力充分釋放后，高能超聲波法調(diào)控的零件內(nèi)孔直徑變形量分別為2 μm、6 μm，同軸度變化量為15 μm、51 μm；而頻譜諧波法調(diào)控的箱蓋變形量分別為3 μm、14 μm，同軸度變化量為0.102 mm、0.192 mm。通過對(duì)比試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以知道，高能超聲法應(yīng)力調(diào)控后應(yīng)力較小，經(jīng)過自然時(shí)效后變形量較??；頻譜諧波法應(yīng)力調(diào)控后殘余應(yīng)力較大，經(jīng)過自然時(shí)效后變形量較大。所以殘余應(yīng)力對(duì)于鋁合金材料加工變形影響較大，通過調(diào)控零件內(nèi)殘余應(yīng)力，可以有效減少零件加工變形情況的發(fā)生。與頻譜諧波法相比，高能超聲法對(duì)鋁合金材料的應(yīng)力調(diào)控效果更佳。

4 小結(jié)

由于鋁合金箱蓋在機(jī)加過程中累積的殘余應(yīng)力在加工完成后經(jīng)自然時(shí)效后會(huì)發(fā)生輕微變形，影響產(chǎn)品尺寸精度，所以本文分別采用了頻譜諧波法和高能超聲法對(duì)機(jī)加產(chǎn)生的殘余應(yīng)力進(jìn)行調(diào)控，有效降低了零件的殘余應(yīng)力，其中頻譜諧波法調(diào)控的應(yīng)力清除率達(dá)到67.78%，高能超聲調(diào)控的應(yīng)力清除率達(dá)到88.7%以上，高能超聲法應(yīng)力清除率效果更高。零件加工完成后進(jìn)行自然時(shí)效，測(cè)量應(yīng)力釋放后零件的變形量，對(duì)比上述兩種方法調(diào)控后的變形數(shù)據(jù)得知，零件機(jī)體內(nèi)殘余應(yīng)力較大者，應(yīng)力釋放后變形較大，相比而言，高能超聲法對(duì)該型鋁合金零件應(yīng)力調(diào)控效果更佳。

受限于試驗(yàn)條件，此次應(yīng)力釋放變形試驗(yàn)未進(jìn)行無應(yīng)力調(diào)控的比較試驗(yàn)，在后續(xù)的工作中進(jìn)行補(bǔ)充試驗(yàn)。