基于振動時效的鈮合金圓柱管薄壁件尺寸穩(wěn)定性優(yōu)化

黃鵬，錢勝，陳德華，唐勝江，熊雪峰

中國工程物理研究院材料研究所

1 引言

鈮合金材料具有較高的熔點和高溫強度，同時具有高的延展性、導(dǎo)熱性、比強度以及適中的密度，是與鎳基高溫合金性能接近的超高溫金屬結(jié)構(gòu)材料，在航天等領(lǐng)域具有非常重要的應(yīng)用前景[1]。鈮合金圓柱管薄壁件在工作過程中可能經(jīng)歷反復(fù)拆裝、氣氛、溫度循環(huán)、低應(yīng)力循環(huán)和振動沖擊等諸多考驗，導(dǎo)致對其結(jié)構(gòu)、尺寸及力學(xué)性能穩(wěn)定性的要求高，而鈮合金材料具有隨時間自然老化、滯彈性、高內(nèi)耗和形狀記憶等特性以及零部件中元素成分的宏觀偏析，使得鈮合金圓柱管薄壁件在工作條件下的穩(wěn)定性問題變得更為復(fù)雜，從而影響鈮合金部件的結(jié)構(gòu)可靠性。

振動時效又稱為振動消除應(yīng)力法，是將工件在其固有頻率下進(jìn)行一定時間的振動處理，減小和均勻化殘余應(yīng)力，提升其尺寸精度的穩(wěn)定性。振動時效具有使用方便、適應(yīng)性強、節(jié)約能源、環(huán)保、時間短和效果顯著等優(yōu)點，目前在機械零部件生產(chǎn)加工中具有廣泛的應(yīng)用基礎(chǔ)。對于小型結(jié)構(gòu)件，直接采用激振器進(jìn)行時效的方式不可行，因此，采用振動時效平臺進(jìn)行處理，將激振器產(chǎn)生的激振能量傳遞到工件而達(dá)到共振時效的效果[2]。

目前，振動時效技術(shù)通常應(yīng)用于焊接件或大型結(jié)構(gòu)件。振動時效工藝對振動時效的效果影響非常顯著，包括裝夾方式(直接激振和輔助工裝激振)、激振點位置、工件定位夾緊、支撐位置、激振頻率(一階彎曲振動)、激振力和振動時間等[3]。對于組織穩(wěn)定性和力學(xué)性能較差的鈮合金材料零部件，振動時效技術(shù)的可行性和有效性還有待深入研究。

2 振動時效工藝優(yōu)化

2.1 振動平臺優(yōu)化分析

相比激振器而言，鈮合金圓柱管薄壁件尺寸較小，不能直接利用激振器來進(jìn)行振動時效處理，因此選用振動平臺集中處理的方式進(jìn)行振動時效。將鈮合金圓柱管薄壁件固定在振動平臺上，在激振器的持續(xù)激勵下一起實現(xiàn)共振，從而實現(xiàn)對鈮合金圓柱管薄壁件的振動時效。

實驗所用的振動平臺材料為HT250，尺寸為1800mm×600mm×70mm。為了實現(xiàn)鈮合金圓柱管薄壁件與振動平臺的有效剛性連接，在振動平臺長度方向加工2個T型槽，分別位于寬度方向的1/3和2/3位置。

為了優(yōu)化振動時效工藝方案，對振動平臺進(jìn)行了有限元仿真分析，同時在振動平臺的三維模型中保留T型槽結(jié)構(gòu)，以確保仿真結(jié)果的有效性。利用ANSYS Workbench軟件對HT250振動平臺進(jìn)行自由狀態(tài)下的模態(tài)分析。HT250材料的屬性如下：ρ=7000kg/m3，E=150GPa，v=0.3。通過Mesh模塊對振動平臺模型進(jìn)行高精度六面體劃分，單元格尺寸為70mm，節(jié)點總數(shù)為22414個，單元總數(shù)為4290個。振動平臺一階振動模態(tài)如圖1所示，其振型表現(xiàn)為繞著中心Y軸作一階彎曲擺動。

振動時效平臺的支撐點位置在一階振型的波節(jié)處(見圖1中的黃色圓點)，采用彈性橡膠材料支撐墊四點支撐的方式可以有效保證振動時效系統(tǒng)的自由振動狀態(tài)。激振器位置位于一階振型的波峰處(紅色圓點)，通過專用卡具與振動平臺進(jìn)行剛性連接，可以給予振動系統(tǒng)最高的激勵能量。工件位于一階振型的另一個波峰處(紫色圓點處)，可以獲得更高的激勵能量。振動時效系統(tǒng)現(xiàn)場如圖2所示，加速度傳感器位于靠近鈮合金圓柱管薄壁件的波峰處，能有效測量工件在共振激勵時的響應(yīng)，用于評估振動時效的效果。

圖1 振動平臺模態(tài)分析及振動時效工藝優(yōu)化

圖2 振動時效系統(tǒng)

2.2 振動平臺+工件的模態(tài)分析

如圖3所示，利用UG軟件對振動平臺和鈮合金圓柱管薄壁件進(jìn)行三維建模，并導(dǎo)入到ANSYS Workbench軟件中進(jìn)行模態(tài)分析。鈮合金圓柱管薄壁件與振動平臺的連接工裝采用2個L型的鋁合金壓板進(jìn)行固定，壓板的圓弧段與工件一端的凸臺位置接觸，并通過4個M20螺栓與T型槽固定連接。振動平臺+工件系統(tǒng)的有限元仿真模態(tài)分析結(jié)果如圖4所示，前三階模態(tài)的共振頻率分別為85.3Hz，134.9Hz和231.9Hz，其振型分別表現(xiàn)為繞Y軸作一階彎曲擺動、繞X軸作扭轉(zhuǎn)和繞Y軸作二階彎曲擺動。

圖3 振動時效系統(tǒng)的三維模型

搭建的振動時效系統(tǒng)偏心電機激勵頻率在0～100Hz范圍內(nèi)，結(jié)合有限元仿真模態(tài)分析計算結(jié)果，系統(tǒng)可以實現(xiàn)對振動平臺+工件的一階共振激勵，從而實現(xiàn)對鈮合金圓柱管薄壁件的振動時效處理。

圖4 振動平臺+工件模態(tài)分析

3 振動時效試驗分析

振動時效試驗系統(tǒng)主要由頻譜時效中央處理器、偏心電機、傳感器、振動時效平臺及工裝組成。中央處理器型號采用華云豪克能HK2010，能夠?qū)崿F(xiàn)三種模式的振動時效，即諧波共振技術(shù)、亞共振和手動共振時效模式。通過自主設(shè)計加工的專用工裝將鈮合金圓柱管薄壁件固定在振動時效平臺上，中央處理器驅(qū)動偏心電機對振動平臺及工件系統(tǒng)進(jìn)行頻率掃描，通過加速度傳感器獲得工件的振幅等信息，用傅里葉分析在100Hz內(nèi)尋找低次諧波，然后用合適的能量在7個諧波頻率振動，引起高次諧波累積振動產(chǎn)生多方向動應(yīng)力，與多維分布的殘余應(yīng)力疊加，造成塑性屈服，從而降低峰值殘余應(yīng)力，同時使殘余應(yīng)力分布均化。

工件頻譜掃描分析和頻譜振動時效過程如圖5所示。比較振動時效系統(tǒng)中的7個峰值頻率和有限元仿真的低階共振頻率發(fā)現(xiàn)，在83～85Hz區(qū)間有良好的一致性，證明了振動平臺處理鈮合金圓柱管薄壁件的振動時效技術(shù)的可行性與有效性。在鈮合金圓柱管薄壁件振動時效過程中，進(jìn)行頻譜掃描分析后，選擇接近85Hz的掃描頻率進(jìn)行手動振動時效，振動時效時間為10min。研究發(fā)現(xiàn)，試驗過程中的加速度響應(yīng)可達(dá)50m/s2，表明該系統(tǒng)有著良好的共振響應(yīng)。

圖5 工件頻譜掃描分析和振動時效過程

4 振動時效的有效性評估

振動時效的效果主要是檢測鈮合金圓柱管薄壁件中殘余應(yīng)力是否得到減小或均勻化。目前，測量機械零部件殘余應(yīng)力的方法分為兩大類：一類是定量測量，如盲孔法、X射線法和中子衍射法等；第二類是定性測量，如振動參數(shù)曲線法和尺寸精度穩(wěn)定性法等。鈮合金圓柱管薄壁件具有較大的幾何尺寸和較高的經(jīng)濟(jì)價值，因此選用定量測量尺寸精度穩(wěn)定性方法來定性評估振動時效的效果。

鈮合金圓柱管薄壁件尺寸精度的測量設(shè)備為西安愛德華公司PICO655三坐標(biāo)測量機，測量精度優(yōu)于4μm。對鈮合金圓柱管薄壁件振動時效前后的內(nèi)外型面不同位置的形狀誤差進(jìn)行測量，實驗結(jié)果見表1。

表1 鈮合金圓柱管薄壁件振動時效的效果評估

結(jié)果表明，鈮合金圓柱管薄壁件靠近端面不同位置的內(nèi)外型面圓度均明顯減小，并保持了良好的一致性，優(yōu)化效果約為20%。試驗結(jié)果證明，振動時效技術(shù)對于鈮合金圓柱管薄壁件尺寸精度的穩(wěn)定性具有明顯的作用和效果。

5 結(jié)語

針對鈮合金圓柱管薄壁件開展了振動時效技術(shù)研究，結(jié)合有限元仿真分析方法優(yōu)化了振動時效工藝方案，利用三坐標(biāo)測量機對工件振動時效前后的尺寸精度進(jìn)行測量，結(jié)果表明，內(nèi)外型面的圓度改善高達(dá)20%，證明了振動時效方法可以有效地提升鈮合金圓柱管薄壁件尺寸的穩(wěn)定性，這對鈮合金材料零部件在航天等領(lǐng)域的應(yīng)用提供了切實有效的指導(dǎo)依據(jù)。